DE102013101844A1 - Wärmeisoliertes Schmiersystem und Schmierverfahren für rotierende und oszillierende Bauteile - Google Patents

Wärmeisoliertes Schmiersystem und Schmierverfahren für rotierende und oszillierende Bauteile Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Schmiersystems (100) von rotierenden oder oszillierenden Bauteilen, mit zumindest einem Ölsaugrohr (2), das in einem Ölspeicher (1) angeordnet ist, einer Ölpumpe (4), einer Wärmequelle (7) und weiteren Verbindungsleitungen, insbesondere einer Ölgalerie zur Verteilung von Schmieröl an die Bauteile, wobei bevorzugt der äußere Umfang der Verbindungsleitungen mindestens doppelt so groß wie der innere Umfang der Verbindungsleitung ist. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Verbindungsleitung(10) innerhalb der Ölgalerie stromaufwärts der Wärmequelle inwandig durch eine Innenisolierung (13) isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Innenisolierung (13) 5 % oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsleitungen bzw. der übrigen Ölgalerie und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) beträgt und die Wärmequelle (7) abgeschaltet oder zumindest in ihrer Wärmeabgabe reduziert wird, wenn eine erste obere Ölgrenztemperatur erreicht wird. Durch eine verbesserte Isolation wird ein schnelles Aufheizen und damit ein Absenken des Kraftstoffverbrauchs in der Kaltstartphase erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Schmiersystems von rotierenden oder oszillierenden Bauteilen, insbesondere ein Schmiersystem für ein Kraftfahrzeug, das zur Schmierung von beweglichen Teilen einer Verbrennungskraftmaschine wie Benzin- oder Dieselmotor und/oder zur Schmierung eines Getriebes eingesetzt werden kann. Das Schmiersystem kann beispielsweise in einem konventionell angetriebenen Fahrzeug oder in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug eingesetzt werden, aber auch in stationären Anlagen wie Stromgeneratoren, Arbeitsmaschinen etc.
  • STAND DER TECHNIK
  • Schmiersysteme für bewegliche Teile eines Antriebes, insbesondere eines Motors oder mechanischen Getriebes sind hinlänglich bekannt. Sie dienen dazu, Reibung zwischen beweglichen Teilen zu verringern und einen Leichtlauf der beweglichen Teile gegeneinander zu verbessern. Hierdurch wird Abrieb vermindert, eine thermische Erwärmung der Teile verringert und somit die Lebensdauer erhöht. Eine Schwergängigkeit beweglicher Teile bedingt darüber hinaus eine erhöhte Antriebsenergie, die in unproduktiver Weise zur Überwindung der Schwergängigkeit eingesetzt werden muss und die einen erhöhten Kraftstoffoder Stromverbrauch mit sich bringt, so dass zum einen Abgasemissionen erhöht, Betriebskosten gesteigert und z.B. eine Reichweite eines Kraftfahrzeugs verringert wird. Insbesondere eine Verringerung der Abgasbelastung und ein niedriger Energieverbrauch sind nicht nur technisch wünschenswerte Eigenschaften eines Motors, sondern international unabdingbare Voraussetzungen, um diverse staatliche Normen und Grenzwerte einzuhalten. Nicht zuletzt kann ein ineffizientes Schmiermanagement eines Antriebs zu erhöhter Steuer- und Abgabenlast des Betreibers führen.
  • In einer Kaltstartphase, insbesondere bei niedrigen Temperaturen wie 0°C oder Extremtemperaturen wie –15°C oder weniger ergibt sich das Problem, dass ein eingesetztes Schmiermedium, insbesondere Schmieröl, eine hohe Viskosität und somit verminderte Schmiereigenschaft aufweist. So ist in einem Verbrennungsmotor der Kraftstoffverbrauch während eines NEDC-Tests im kalten Zustand (Starttemperatur ca. 24 C) ca. 10 bis 15 % höher als bei demselben Test mit einer Motoröltemperatur in einem heißen Zustand von ca. 90 °C, dem sogenannten NEDC-Heißtest. Dies liegt unter anderem daran, dass das Schmieröl bei niedrigeren Temperaturen eine höhere Zähigkeit aufweist, und dass der Kraftstoff an Zylinderwänden kondensiert und in das Motoröl eingetragen wird. Zudem werden Maßnahmen ergriffen, um den Katalysator schneller aufzuheizen, wie beispielsweise eine Spätverstellung der Zündung, eine Anhebung der Leerlaufdrehzahl sowie eine Anfettung mit Sekundärlufteinblasung. Zudem entsteht der Großteil der emittierten Abgasemissionen während der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, wenn der Katalysator noch nicht die erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat. Gleichzeitig wird ein Großteil der zugeführten Energie ungenutzt als Abgasenthalpie abgeführt. Dies sind insgesamt ca. 30 bis 40 % der Energie des zugeführten Kraftstoffes.
  • Eine Möglichkeit zur Verringerung der Reibungsverluste besteht darin, hochwertige Schmieröle mit reduzierter Viskosität bei niedrigen Temperaturen einzusetzen, eine andere Möglichkeit zielt auf eine gezielte schnelle Erwärmung des Schmiermediums in der Kaltstartphase.
  • Auf eine beschleunigte Erwärmung während einer Kaltstartphase zielen Vorschläge zum Einsatz von Wärmetauschern, die einen erhöhten Wärmeeintrag in das Schmiersystem insbesondere während einer Kaltstartphase liefern. Aus verschiedenen Veröffentlichungen ist hierzu bekannt, dass eine Aufheizung des Motoröls mit Hilfe eines Abgas-/Ölwärmetauschers den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen deutlich reduzieren können. Hierbei wird die Aufwärmphase des Motors dadurch beschleunigt, dass Abgaswärmetauscher eingesetzt werden, die in komplizierter Weise das Motoröl aufheizen und den Öldruck reduzieren. Dabei ergibt sich allerdings das Problem, den Motor, insbesondere das Motoröl, bei dieser Aufheizung vor Überhitzung zu schützen. Daher werden zusätzliche Hochleistungsölkühler verwendet. Die bekannten Lösungen sind allerdings technisch und konstruktiv aufwändig sowie fehleranfällig und führen nur zu einer relativ geringen Reduzierung des Kraftstoffverbrauches, so dass aus wirtschaftlichen Gründen die praktische Umsetzung meist nicht realisiert wird.
  • Beispielhaft wird hier auf die DE 10 2009 013 943 A und die PCT/EP2010/053643 verwiesen, die jeweils eine Ölbypassleitung vorschlagen, mit der zumindest teilweise abgekoppelt von einer großen Schmierölmenge in einer Startphase eine verkleinerte Menge Schmieröl zur Ölschmierung gezielt durch schnell erwärmende Bereiche einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Getriebes geleitet wird.
  • Aus der JP 2001 323808 A ist ein Ölschmiersystem entnehmbar, bei dem aus einem Ölsaugrohr, das in einem Ölsumpf angeordnet ist, mittels einer Ölpumpe Öl in ein Schmiersystem eingeführt werden kann, wobei dieses Öl mittels einer Ölbypassleitung und einem Wärmetauscher durch ein Abgassystem erwärmbar ist. Das erwärmte Öl kann in einem thermisch isolierten Zwischentank gespeichert und mittels einer Zuführleitung direkt unter die Absaugglocke des Ölsumpfs zurück in das Schmiersystem geführt werden.
  • Weitere Lösungsvorschläge sind in den Konferenzbeiträgen: Will, F.: "A novel exhaust heat recovery system to reduce fuel consumption", F2010A073, FISITA conference Budapest (International Federation of Automotive Engineers Society), Ungarn 2010, sowie Will, F., Boretti, A.,: "A new Method to warm up Lubricating Oil to improve Fuel Economy", SAE 2011-01-0318, 2011 (Society of Automotive Engineers) diskutiert.
  • Nachteilig an den oberen Vorschlägen zur Reduzierung der Reibleistung sind zum einen der hohe konstruktive Aufwand sowie die erhöhte Fehleranfälligkeit sowie insbesondere die im Vergleich zum Aufwand nur geringe Reduzierung der Reibleistung, da das erwärmte Öl sich schnell wieder abkühlt, wenn es mit kühleren Bauteilen in Kontakt kommt, wie z.B. den Ölgalerien in Zylinderblock und Zylinderkopf sowie dem Gehäuse (z.B. Ölwanne und Kurbelgehäuse).
  • Aufgabe der folgenden Erfindung ist es, eine Schmiervorrichtung vorzuschlagen, die die obengenannten Nachteile des Stands der Technik überwindet, eine einfache technische Umsetzung bietet und eine deutlich reduzierte Reibung insbesondere in der Kaltstartphase bietet.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Gelöst wird die oben genannte Aufgabe durch eine Schmiervorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zur Aufheizung eines Schmiersystems von rotierenden oder oszillierenden Bauteilen zumindest ein Ölsaugrohr, das in einem Ölspeicher angeordnet ist, eine Ölpumpe, eine Wärmequelle und weiteren Verbindungsleitungen, die in einem Metallgehäuse integriert sind, insbesondere eine Ölgalerie zur Verteilung von Schmieröl an die zu schmierenden Bauteile wie Kurbelwelle, Nockenwelle, Getriebeteile etc.. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Verbindungsleitung innerhalb der Ölgalerie stromaufwärts der Wärmequelle inwandig durch eine Innenisolierung isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Innenisolierung 5% oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsleitungen bzw. der übrigen Ölgalerie und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) beträgt und die Wärmequelle abgeschaltet oder zumindest in ihrer Wärmeabgabe reduziert wird, wenn eine erste obere Ölgrenztemperatur erreicht wird. Der äußere Umfang der Verbindungsleitung kann zumindest an einer Stelle mindestens zweimal so groß sein, wie der innere Umfang der Verbindungsleitungen.
  • Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil einer Verbindungsleitung hinter einer Ölpumpe, d.h. in einem Druck stehenden Verbindungsleitungsbereich eines Schmiersystems und bevorzugt hinter einer Wärmequelle, wie beispielsweise einem Wärmetauscher eine Isolierung aufweist, insbesondere eine Innenisolierung, die einen thermischen Wärmeübergang vom Schmieröl zur metallischen Umgebung erschwert. Dadurch wird erreicht, dass nach einer Erwärmung eines unter Druck stehenden Ölvolumens dieses bei der Zuführung der zu schmierenden Stellen, insbesondere der Ölgalerie nur wenig seine aufgenommene Wärme an die metallische Umgebung, die einen hohen thermischen Leitwert besitzt, abgibt. Damit kann eine schnelle Aufheizung des Öls, das über Schmierstellen direkt an die zu schmierenden Stellen abgegeben wird, erreicht werden und somit eine reduzierte Reibung insbesondere beim Kaltstart bewirkt werden.
  • So ist zwar aus der DE 10 2009 013 943 die Verwendung eines Abgasölwärmetauschers für eine Schmierölaufheizung auch in Kombination mit einer Zylinderkopf-Ölrückführungsleitung beschrieben, die eine verbesserte Schmierwirkung in der Kaltstartphase und damit eine Einsparung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht, wobei dies allerdings eine aufwändige konstruktive Auslegung des Motors erfordert und nicht in bestehende Motorstrukturen umgesetzt werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung eines Abgasölwärmetauschers, insbesondere bei leistungsstarken Maschinen mit relativ großen Ölgalerien vorteilhaft ist, bei denen das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen besonders klein ist. In kleinen Verbrennungskraftmaschinen, bei denen ein erheblicher Anteil der Abgaswärme in das Schmiersystem eingebracht werden kann, wird aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen relativ viel Wärme an die metallische Umgebung abgegeben, so dass keine besonders vorteilhafte schnelle Erwärmung des Schmieröls erreicht werden kann. Das kann durch folgenden beispielshaften Vergleich dargestellt werden: Vergleicht man eine Ölzuführungsleitung mit einem Durchmesser von 2 mm mit einer von 1 mm, wird das Volumen mit der Formel V = l π D2/4, mit l, der Länge der Ölgalerie und D als Durchmesser bestimmt. Die Oberfläche der Ölgalerie ist mit A = l π D beschrieben, so dass das Verhältnis von Oberfläche zum Volumen A/V = 4/D entspricht. Für einen Durchmesser D = 2 mm ergibt sich ein Verhältnis von 2/mm und für D = 1 mm beträgt dieses 4/mm, was doppelt so groß ist als im Verhältnis für D = 2 mm. Somit zeigt sich, dass durch eine Verringerung des Durchmessers D um 50 % das Verhältnis Oberfläche zu Volumen verdoppelt wird. Als Folge ergibt sich eine höhere volumenspezifische Wärmeübertragung, so dass bei größeren Durchmessern der Temperaturverlust des Öls durch die Ölgalerie kleiner ist, Öl an den Schmierstellen dünnflüssiger gemacht werden kann. Dieser Effekt ist aus der konstruktiven Auslegung von Motoren mit großen Verbrennungskammern bekannt, die eine höhere spezifische Effizienz gegenüber Motoren mit kleinen Verbrennungskammern aufweisen, da die unterschiedlichen Wandwärmeverluste bei größeren Verbrennungskammern wegen den niedrigeren Oberflächen zu Volumenverhältnissen deutlich niedriger sind.
  • Durch die Einführung einer Wärmeisolierung in einer Ölgalerie, an Schmierstellen, kurz der funktionalen Strukturumgebung zum Schmieren der Bauteile, aber auch der strukturellen Strukturumgebung, die durch die Metallumgebung, Kurbelwelle, Pleuelstange, Nockenwelle, Lager, Zahnräder, Gehäusebereiche, Motorblock an der Innenwand eines Kurbel- oder Getriebegehäuses oder der gegeneinander bewegten Bauteile können mehrere Vorteile beim Übertragen der Wärme in den kalten Motorblock erreicht werden:
    • – Die Wärmeisolierung erhöht den thermischen Widerstand.
    • – Das Oberflächen- zu Volumenverhältnis wird verringert.
    • – Das Ölvolumen und damit auch die zu erwärmende Ölmenge in der Ölgalerie wird verringert.
    • – Der thermische Widerstand erhöht sich aufgrund des Kontaktwiderstands zwischen der Isolation und dem Motorblock oder den Zylinderköpfen.
  • Durch eine Verringerung des Oberflächen-Volumenverhältnises wird weniger Wärme an die metallische Umgebung abgegeben. Beispielhaft kann dies durch Betrachtung einer Isolationsleitung mit einer Wärmleitfähigkeit von 1 W/m K in eine Ölgalerie mit einem Durchmesser von 20 mm und einem inneren Durchmesser von 10 mm betrachtet werden. Der thermische Übergangswiderstand wird bei Betrachtung eines Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Ölund dem Zylinderblock mit h = 40 betrachtet, wobei angenommen wird, dass das Öl 20°C wärmer als der Motorblock ist. Daraufhin ergibt sich ein thermischer Widerstand R = 1/(h A) = 1/(h l π D) = 0.4 K/W. Der thermische Widerstand wird beschrieben durch
    Figure DE102013101844A1_0002
    mit r0 = Außenradius, ri = Innenradius, l = Länge der Ölgalerie und k = spezifische Materialkonstante. Es ergibt sich somit ein thermischer Widerstand von Ri = 0,1 k/W. Mit einem Oberflächen-Übergangswiderstand hc von 40 W/(m2 K) ergibt sich ein Übergangswiderstand von Rc = 0.4K/W. Zur Verringerung des Oberflächen-Volumenverhältnisses des Volumens der Isolation gegenüber dem Originalvolumen ergibt sich Vi/V = (Di/D)2 = 0.25 bzw. 25% mit Di = 1mm und D = 2mm.
  • Somit kann im Ergebnis festgehalten werden, dass bei den oben genannten Werten:
    • – Die Isolation den thermischen Übergangswiderstand um 25 % erhöht,
    • – Das Oberflächen- zu Volumenverhältnis um 50 % reduziert wird, was den thermischen Widerstand um 100 % erhöht,
    • – Das Ölvolumen in der Ölgalerie um 25 % abgesenkt wurde,
    • – Der thermische Widerstand aufgrund des Kontaktwiderstandes sich ebenfalls um 100 % erhöht.
  • Aus diesem Grund ist der gesamte thermische Übergangswiderstand 3.3 mal größer als ohne die vorgeschlagene Isolation. Aus diesem Grund kann eine verbesserte Aufheizung erreicht, damit Energieaufnahme und -abgabe in der Kaltstartphase abgesenkt und eine verbesserte Schmierung in der Kaltstartphase bereitgestellt werden.
  • In der Veröffentlichung der Japanese Society of Automotive Engineers (JSAE 235-20125071 wird zur verbesserten Erwärmung von Öl in einer Kaltstartphase vorgeschlagen, das Öl im Ölspeicher in zwei Teilvolumen aufzuteilen, wobei in einer Warmlaufphase nur ein Teil des Öls im Ölspeicher zur Schmierung verwendet wird. Wenn die gleiche Wärmemenge in das reduzierte Ölvolumen eingebracht wird, kann sich das Öl doppelt so schnell erwärmen, wie wenn die Wärmemenge in die gesamte Ölmenge eingebracht werden würde. Allerdings hat sich herausgestellt, dass dies nicht zutreffend ist, wie in der Veröffentlichung JSAE 235-20125071 dargestellt ist. Dabei hat sich gezeigt, dass durch eine Aufteilung des Ölspeichers in zwei Teilvolumen es für das außen liegende kältere Ölvolumen deutlich wurde, dass im Rahmen eines Tests die maximale Temperatur von 85°C auf 45°C, d.h. um 40°C abgesenkt wurde, während allerdings in dem inneren Ölvolumen die Temperatur nicht gleichermaßen von 40°C auf 125°C erhöht werden konnte. Sofern das Ölvolumen der inneren Kammer geringer war als das der äußeren Kammer, wurde erwartet, dass die Temperaturzunahme umso größer ausfallen sollte. Auch dies hat sich als Trugschluss herausgestellt, da die Temperatur im Inneren nur um maximal 5°C erhöht werden konnte, was zu einer sehr geringen Einsparung des Kraftstoffs um lediglich 0,8 % geführt hat. Als Ursache wurde erkannt, dass die Wärme des inneren Ölvolumens hauptsächlich durch die Wärmeübertragung zwischen dem Motorblock und der Kurbelwelle abgeführt wurde, wobei das Öl an die Außenwandung des Kurbelwellengehäuses geschleudert wird, sobald es die Kurbelwellenlager erreicht. Die Gehäusetemperatur und die Temperatur des Motorblocks bestimmen somit durch ihre großen Oberflächen überwiegend die Öltemperatur. Aus diesem Grunde kann die Öltemperatur die Kühlmitteltemperatur und die Temperatur des Motors nicht deutlich überschreiten, zumindest nicht bei durchschnittlichen Kaltstartphasen und somit nur eine geringe Kraftstoffeinsparung durch eine reduzierte Reibung erreicht werden. Eine verbesserte Isolation allerdings überwindet diese Nachteile, führt zu einer reduzierten Reibung, einem niedrigen Verbrauch und besseren Abgaswerten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Gehäuse des Schmiersystems, insbesondere ein Kurbel- oder Getriebegehäuse, durch eine Innenisolierung isoliert sein, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Innenisolierung 5 % oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit einer Strukturumgebung, insbesondere als die Wärmeleitfähigkeit von Schmierstellen, einem Gehäuse, den zu schmierenden Bauteilen, einer Metallumgebung, beträgt und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist. Die Strukturumgebung beschreibt eine funktionelle Strukturumgebung der Schmiervorrichtung, d.h. Schmierstellen, an denen sich Oberflächen gegeneinander bewegen, als auch strukturelle Strukturumgebungen, d.h. das umliegende Material wie Metallgehäuse, Bauteile, Motorblock etc..
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der Ölspeicher durch eine Innenisolierung isoliert sein, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Innenisolierung 5 % oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit des Ölspeichers beträgt und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Ölspeicher komplett oder zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gefertigt sein, welches eine Wärmeleitfähigkeit von bevorzugt höchstens kleiner als 1 W/(m K) aufweist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann zumindest eine der zu schmierenden, rotierenden oder oszillierenden Bauteile durch eine Außenisolierung isoliert sein, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Außenisolierung 5 % oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit der zu schmierenden, rotierenden oder oszillierenden Bauteile, beträgt, und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist.
  • Durch Isolierung sowohl des Kurbelwellengehäuses als auch des Ölsumpfs von innen und auch zumindest Teilbereiche der rotierenden oder oszillierenden Bauteile, die zu schmieren sind, kann das Öl nur geringfügig Wärme an die metallische Umgebung verlieren und wird nicht so stark heruntergekühlt, wobei das Öl in der Kaltstartphase durch höhere Wärmeeinträge beispielsweise durch eine Wärmequelle erwärmt wird, beispielsweise durch einen Abgasölwärmetauscher. Durch die Isolation der Kurbelwelle wird die thermische Masse, die zur Abkühlung des Öls zur Verfügung steht, reduziert und durch die Isolation des inneren Kurbelwellengehäuses, die sehr bedeutend für den Wärmeerhalt des Öls angesehen werden kann, kann eine verbesserte Aufwärmung bei niedriger Viskosität des Öls erreicht werden. Die Menge des Öls, das sich im Kurbelwellengehäuse befindet, ist typischerweise vier mal höher als die Menge des Öls, das sich im Ölsumpf befindet und hat deshalb eine ähnliche Wärmeaufnahmekapazität, wobei durch Isolation des Gehäuses des Ölsumpfs sowie der zu schmierenden, rotierenden oder oszillierenden Bauteile ein Wärmeverlust verringert werden kann, so dass eine verbesserte Aufheizung und somit ein verringerter Kraftstoffverbrauch oder Energieverbrauch ermöglicht und eine Reibungleistungsreduzierung erreicht werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein hochisolierter Wärmespeicher insbesondere mit einer mindestens 5mm dicken Wärmespeicherisolierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von unter 0.01 W/(m K) umfasst sein, der insbesondere zwischen einem Ölsaugrohr und einer Ölpumpe oder zwischen einer Ölpumpe und einer Wärmequelle, oder zwischen einer Wärmequelle und einer Schmierstelle angeordnet ist, wobei bevorzugt ein Temperaturverlust von Öl mit einer Temperatur von 100°C auf 80°C bei 25°C Umgebungstemperatur in mehr als 6 Stunden erfolgt.
  • Auf das Schmiersystem mit dem Wärmespeicher aufsetzend kann in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung das Schmiersystem ein Umleitungsventil umfassen, so dass der Wärmespeicher bei Erreichen einer zweiten oberen Ölgrenztemperatur außerhalb des Wärmespeichers von mindestens 90°C mit Öl gefüllt wird und bei einem Kaltstart der zu schmierenden Bauteile unter einer vorgegebenen ersten unteren Ölgrenztemperatur von höchstens 50°C außerhalb des Wärmespeichers das gespeicherte Öl im Wärmespeicher an das Schmiersystem abgegeben kann.
  • Der Einsatz von Wärmespeichern in Schmiersystemen ist seit mehreren Jahren bekannt. Diese werden oftmals dazu eingesetzt, den Fahrgastinnenraum bevorzugt zu erwärmen und Abgase zu reduzieren, insbesondere bei Kaltstart unter 0°C, wie es bereits in der Veröffentlichung SAE 922244 dargestellt wurde. Die Nachteile von derartigen Wärmespeichern sind vergleichbar mit denen der vorgenannten zweiteiligen Ölsümpfe bzw. Ölspeicher, wobei die Treibstoffeinsparung nur gering ausfällt, wie Untersuchungen bei Umgebungstemperaturen von 24°C gezeigt haben. Auch die Erläuterung, warum derartige Wärmespeicher nur einen geringen Beitrag zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs leisten können, sind dieselben wie bei einem zwei- oder mehrteiligen Ölsumpf, da die eingebrachte Wärme in den Zylinderköpfen und im Motorblock in der Kaltstartphase schnell wieder abgegeben wird, und somit hohe Wärmeverluste auftreten, da das Öl eine erhöhte Viskosität aufweist und die Reibung erhöht ist. Hierdurch ergab sich, dass das Schmieröl nur langsam erwärmt werden konnte. Der vorgeschlagene Wärmespeicher kann dies allerdings mit den vorgeschalteten Ausführungsformen vorteilhaft überwinden, wobei überschüssige Wärme im Wärmespeicher, der von einem Kühlsystem oder durch einen Kühler oder durch einen Ölkühler abgegeben werden kann, und durch die verbesserte Wärmeisolierung die Wärme direkt zur gesenkten Viskosität und zur Reibungsreduktion beiträgt und somit zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt.
  • Auf das Schmiersystem mit dem Wärmespeicher aufsetzend kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Wärmespeicher eine separate Kammer, bevorzugt eine Umfassungskammer um eine innere Ölspeicherkammer aufweisen, die mit einem Phasenwechselmaterial, insbesondere mit einem Zuckeralkohol, wie Erythrit, Threit oder ein Paraffin oder ähnliches oder einem Salz, bevorzugt ein Hydrat, Nitrat, Hydroxyd oder Chlorid wie Bariumhydroxyd, Magnesiumchloridhexahydrat, Magnesiumnitrathexahydra gefüllt sein. Die latente Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials sollte wesentlich größer als die Wärme, die der Wärmespeicher aufgrund der Temperaturdifferenz der ersten unteren und ersten oberen Ölgrenztemperatur speichern kann, sein. Hierbei sollte insbesondere die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials niedriger als die erste obere Ölgrenztemperatur sein, und bevorzugt – sofern die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials größer 100°C ist – das Phasenwechselmaterial Erythritol mit einer Schmelztemperatur von ca. 120°C sein, so dass im Kaltstart eine höchst mögliche Temperatur im Wärmespeicher vorliegt.
  • Wie bereits weiter oben erwähnt, sind Latentwärmespeicher bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Sie benutzen in diversen Ausführungen Salz, dass eine Schmelztemperatur von 60°C bis 80°C aufweist, wie z.B. Bariumhydroxid oder Sodiumsilikate, wobei derartige Salze materialaggressiv sind und Korrosionsschäden verursachen, die zu Undichtigkeiten im Kühlsystem oder im Schmiersystem führen können. Aus diesem Grund wurde eine Serienproduktion derartiger Latentwärmespeicher eingestellt. Ein weiterer Nachteil der vorbekannten Latentwärmespeicher mit Phasenwechselmaterial war, dass die Schmelztemperatur typischerweise zwischen 60°C und 80°C liegt, die deutlich zu gering ist für eine optimale Temperatur zur Ölschmierung, die bei bevorzugt 120°C liegt. Somit konnte auch der Einsatz derartiger Latentspeicher mit Phasenwechselmaterial auf Salzbasis keine nachhaltig verbesserte Schmiereigenschaft im Kaltstartbereich ermöglichen. Eine Verwendung von Phasenwechselmaterial mit Phasenwechseltemperaturen über 80°C, insbesondere Erythritol als Latentwärmespeichermedium, überwindet diese Probleme, da es Temperaturen insbesondere im idealen Schmierbereich von Motoröl aufnehmen und speichern kann.
  • Auf das Schmiersystem mit dem Wärmespeicher aufsetzend kann in einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung der Wärmespeicher zylindrisch ausgeführt und einen Freikolben aus wärmeisolierendem Material umfassen, der den Wärmespeicher in zwei Kammern aufteilt. Hierdurch wird beim Füllen des Wärmespeichers mit Öl oberhalb einer ersten oberen Ölgrenztemperatur von mindestens 90°C in die erste Kammer ein Ölvolumen aus der zweiten Kammer in das Schmiersystem zurückgeschoben und beim Entleeren des Öls aus der ersten Kammer in einer Kaltstartphase unter der vorgegebenen, unteren ersten Ölgrenztemperatur von höchstens 50°C in das Schmiersystem wird die zweite Kammer mit Öl gefüllt. Somit wird der Ölstand in dem Ölspeicher nur unwesentlich beeinflusst und der Wärmespeicher ist bedarfsweise als Wärmequelle, insbesondere als Heizeinrichtung und als Wärmesenke, insbesondere Kühleinrichtung nutzbar.
  • Ein weiteres Problem von Wärmespeichern ist es, dass während der Kaltstartphase rücklaufendes abgekühltes Öl sich mit dem gespeicherten erwärmten Öl mischt, so dass sich eine Mischtemperatur einstellt, die niedriger ist als die vorherige Temperatur im Wärmespeicher, bevor ein Austausch mit der Umgebung stattfand. Durch das Absenken der Temperatur verschlechtert sich die Schmiereigenschaft und damit die Reibung im Schmiersystem. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass im Wärmespeicher ein Freikolben vorgesehen ist, wobei der Wärmespeicher bevorzugt eine zylindrische Form aufweist, die den Speicher in zwei Unterkammern unterteilt, die durch Schaltventile miteinander verbunden sind, so dass das vorgewärmte Öl sich nicht mit dem zu setzenden kalten Öl vermischen kann. Durch den Freikolben wird das Ölvolumen konstant gehalten, so dass sich dies nicht nachteilig auf die Druckverhältnisse und das Ölvolumen im Schmierkreislauf auswirkt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können das Schmiersystem, Ölspeicher, Strukturumgebung und Wärmequelle von einer Verbrennungskraftmaschine umfasst sein, insbesondere von einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
  • Alternativ oder zusätzlich zur vorstehenden Weiterbildung können das Schmiersystem, Ölspeicher und Strukturumgebung von einem Getriebe umfasst sein, insbesondere einem Kraftfahrzeuggetriebe und die Wärmequelle kann durch eine Verbrennungskraftmaschine und/oder eine elektrische Batterie und/oder einen Inverter bereitgestellt werden. So kann ein Schmiermedium in einem Getriebe oder einer Kraftübertragungsmechanik durch eine Abwärme eines Verbrennungsmotors erwärmt werden, oder beispielsweise beim Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug durch eine Erwärmungseigenschaft einer Batterie bzw. Akkumulators oder eines elektrischen Verbrauchers, die bei Energieabgabe oder -aufnahme warm werden. Auch ist denkbar, dass eine Brennstoffzelle, z.B. im Falle eines Wasserstoffantriebes, eine Wärmequelle zur Erwärmung des Schmiersystems für die Antriebsmechanik/Getriebes zur Verfügung stellt.
  • Elektrische Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, die aus einer Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor angetrieben werden, sind mit dem Problem konfrontiert, dass sie zum einen keine intrinsische Wärmequelle wie einen Verbrennungsmotor aufweisen, und dennoch die Schmiereigenschaft insbesondere bei Temperaturen unterhalb 30°C deutlich nachlassen und damit Reibung erhöht und der Energieverbrauch gesteigert wird. Zur schnellen Aufheizung des Schmieröls kann Abwärme genutzt werden, die beispielsweise durch einen Inverter, eine Brennstoffzelle oder eine elektrische Batterie erzeugt wird, oder es kann Abwärme eines elektrischen Aggregats verwendet werden, um eine optimale Schmiertemperatur zu erreichen, insbesondere für ein Getriebe. Es kann beispielsweise ein Kühlkreislauf vorgesehen werden, der Getriebe, Inverter und Batterie miteinander verbindet, um das Getriebe schneller zu erwärmen bzw. durch einen Kühlmittel-Ölwärmetauscher Getriebeöl zu erwärmen und den Inverter bzw. die Brennstoffzelle bzw. die Batterie zu kühlen, wodurch eine verbesserte Effizienz, erhöhte Reichweite und niedriger Verbrauch erreicht werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung nach den beiden obigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Wärmespeicher Motoröl und Getriebeöl in einer Baueinheit, und insbesondere zumindest eine Kammer für Motoröl und eine Kammer für Getriebeöl umfassen.
  • Durch einen kombinierten Wärmespeicher für Motoröl und Getriebeöl, der insbesondere separate Kammern für beide Ölschmiersysteme umfasst, kann ein einheitliches Tankvolumen bereitgestellt werden, wobei der Speicher eine einzige hochwertige Isolation aufweist und nur wenig Bauraum benötigt. So kann beispielsweise ein hochwertig isolierter Tank, der eine Vakuumisolation aufweist oder der mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist, bereitgestellt werden, der insbesondere zwei Kammern für die beiden getrennten Schmiervorrichtungen aufweist. Durch Integration in eine einzige Baueinheit kann das Gesamtvolumen deutlich reduziert werden, insbesondere bei kritischen Platzproblemen, wie sie in einem Kraftfahrzeug auftreten. Des Weiteren können Bauteilkosten eingespart und eine hochwertige Isolation für die gesamte Baueinheit verwendet werden, was deutlich geringere Kosten und minimierte Problemen bei der Entwicklung derartiger Schmiersysteme mit sich bringt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Wärmequelle im Falle einer Verbrennungskraftmaschine einen Abgaswärmetauscher umfassen, oder die Wärmequelle insbesondere im Falle der Anwendung bei einem Getriebe einen Kühlmittelwärmetauscher und/oder einem Abgaswärmetauscher einer Verbrennungskraftmaschine umfassen. Im Falle einer Kombination von Kühlmittelwärmetauscher und Abgaswärmetauscher kann der Abgaswärmetauscher stromabwärts des Kühlmittelwärmetauschers angeordnet sein. Im Kühlmittelkreislauf kann ein Kühlmittelventil angeordnet sein, welches bei Unterschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere unterhalb einer Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostats zur Aktivierung eines Hauptwasserkühlers, insbesondere höchstens 10°C unter der Kühlkreislaufthermostattemperatur, geschlossen ist und bei Überschreiten der Kühlmittelgrenztemperatur geöffnet wird. Insbesondere unterhalb der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostats kann das Kühlmittelventil geöffnet werden, bevorzugt unterhalb 5°C unter der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostattemperatur.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das Getriebe ein manuelles Schaltgetriebe oder ein Automatikschaltgetriebe sein, welches keine Ölpumpe aufweist, wobei im Ölspeicher ein Kühlmittelwärmetauscher angeordnet ist, so dass das Getriebeöl vom Motorkühlmittel aufgewärmt wird. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Kühlmittelwärmetauscher kühlmittelseitig mit einem Kühlmittelventil versehen ist, welches bei Unterschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere unterhalb der Öffnungstemperatur eines Kühlkreislaufthermostats zur Aktivierung des Hauptwasserkühlers, insbesondere 10°C oder mehr unterhalb der Kühlkreislaufthermostattemperatur, geschlossen wird und bei Überschreiten der Kühlmittelgrenztemperatur geöffnet wird, insbesondere unterhalb der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostats geöffnet wird, insbesondere unterhalb 5°C unter der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostattemperatur geöffnet wird.
  • Ein Schaltgetriebe, bzw. ein Automatikschaltgetriebe eines Fahrzeugs kann durch eine verbesserte Schmierwirkung deutlich den Kraftstoffverbrauch senken. Bevorzugt kann das Öl zur Schmierung des Schaltgetriebes durch einen Kühlkreislauf erwärmt werden, wobei insbesondere bei hohen Belastungen die Öltemperatur schnell erwärmt werden kann, bzw. eine erhöhte Temperatur durch eine hohe Last im Schaltgetriebe durch den Kühlkreislauf gekühlt werden kann. Daneben ist denkbar, dass das Getriebeöl und das Kühlmittel durch einen Abgaswärmetauscher erwärmt werden kann, wie es beispielsweise in der SAE 2011-01-1171 beschrieben ist. Wird allerdings unmittelbar ein Kühlmittelwärmetauscher zur Erwärmung des Getriebeöls eingesetzt, so hat dies den Nachteil, dass sich das Kühlmittel langsamer erwärmt als das Getriebeöl und dadurch Reibung und Wärmeverluste des Motors insbesondere in der Kaltstartphase verschlechtert werden, so dass der Treibstoffverbrauch höher ist, als die Vorteile, die durch den Austausch von Wärme zwischen Kühlmittelkreislauf und Getriebeöl erreicht werden. So hat beispielsweise die SAE 2011-01-1171 Untersuchung gezeigt, dass die Kühlmitteltemperatur geringer steigt als das Schmieröl innerhalb eines Automatikgetriebes. Um dies zu überwinden, kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich zu der verbesserten Isolation des Schmiersystems der Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Getriebeöl unterbrochen wird, wenn die Kühlmitteltemperatur geringer ist als die Schalttemperatur eines Kühlkreislaufthermostats, wodurch ein externer Wasserkühler zugeschaltet wird, und wenn der Kühlmittelfluss durch den Kühlmittelgetriebeölwärmetauscher erst dann geöffnet wird, wenn die Kühlkreislaufthermostattemperatur überschritten ist und somit das Kühlmittel deutlich erwärmt ist, insbesondere erst dann, wenn ein Wärmeaustausch vom Kühlmittel zum Öl stattfinden kann, d.h. wenn die Temperatur vom Kühlkreislauf nur geringfügig unter der Temperatur des Kühlkreislaufthermostates liegt. Somit ist sichergestellt, dass ein Wärmeübergang bzw. eine Erwärmung des Schmieröls durch den Kühlkreislauf erst dann stattfindet, wenn der Kühlkreislauf entsprechend warm geworden ist, bzw. eine Kühlung des Ölkreislaufs erst dann stattfindet, wenn das Fahrzeug in einer Warmlaufphase angelangt ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann im Falle einer Getriebeschmiervorrichtung das Getriebe ein Handschaltgetriebe sein und die Ölpumpenfunktion kann durch die Verdrängungswirkung eines Zahnradpaares, insbesondere eines Getriebeendantriebs, erbracht werden. Hierbei kann vorteilhaft eine Öldruckleitung auf der Seite angeordnet sein, auf der sich die beiden Zahnflanken aufeinander zu bewegen und eine Ölrücklaufleitung kann auf der Seite angeordnet sein, auf der sich die beiden Zahnflanken voneinander weg bewegen.
  • Vergleichbar mit Automatikgetrieben sind auch Schaltgetriebe deutlich effizienter und verbrauchsärmer, wenn die Öltemperatur der Getriebe erhöht ist. Allerdings weisen typische Schaltgetriebe keine separate Ölpumpe auf, wie sie beispielsweise in Automatikgetrieben vorhanden sind, so dass das Öl in einem Schaltgetriebe nicht durch einen Wärmetauscher gepumpt werden kann und ein effektiver Schmierkreislauf in Schaltgetrieben nicht vorhanden ist. Zum einen können zusätzliche elektrische Ölpumpen vorgesehen sein, um einen Ölkreislauf und insbesondere einen Wärmeeintrag durch eine Wärmequelle für die Getriebeschmierung zur Verfügung zu stellen, jedoch benötigt dies zusätzlichen Bauraum, zusätzliche Kosten und verbraucht erhöhte elektrische Energie, die einen Teil der Treibstoffreduzierung durch die verbesserte Schmierung wieder auffrisst. Aus diesem Grund kann entsprechend der vorteilhaften Weiterentwicklung zum einen ein Schmierkreislauf für ein Schaltgetriebe vorgeschlagen werden, bei dem ein Wärmetauscher mit einem Kühlsystem vorgesehen ist, der das Öl im Ölsumpf des manuellen Schaltgetriebes schneller erwärmt. Um eine Ölpumpenwirkung herzustellen, kann ein Ölsaugrohr, das Öl zum externen Öltauscher führt, in der Nähe eines Getriebeendzahnrades angeordnet sein, wobei die Zahnräder sich zueinander bewegen und dadurch einen Druck erzeugen können, der für die Ölpumpenwirkung genutzt werden kann. Die Rückleitung vom Ölwärmetauscher kann an einem entgegengesetzten Ende des Getriebeendantriebs vorgesehen sein, wo Zahnräder sich voneinander weg bewegen, wobei sie einen Unterdruck erzeugen und eine Ölansaugwirkung bereitgestellt werden kann. Hierdurch lässt sich ohne zusätzlichen Aufwand eine Ölpumpenwirkung zum Betrieb eines Schmierkreislaufs zur Verfügung stellen, wobei durch eine externe Wärmequelle und eine verbesserte Isolation des Schmiersystems ein niedrigerer Verbrauch erreicht werden kann.
  • Blow-by-Gase sind Gase, die vom Zylinder in das Kurbelwellengehäuse gelangen können und die nicht direkt in die Umwelt abgegeben werden dürfen, um entsprechende Abgasnormen zu erfüllen. Diese Gase werden in der Regel in die Motorzuluft zurückgeleitet, und nicht in die Umwelt abgegeben, ohne vorher durch einen Katalysator gereinigt zu werden. Der am meisten bekannte Einsatz hierbei entspricht der sogenannten PCV, der positive crankcase ventilation. Dabei wird eine Kurbelwellenabgasöffnung mit der Luftzufuhr des Motors gekoppelt und ein Blow-by-Gasventil wird vorgesehen, dass das Kurbelwellengehäuse mit einer Frischluftzufuhr, typischerweise mit einem Luftfilter verbindet. Ein Nachteil dieser Konstruktion liegt darin, dass Frischluft in das Kurbelwellengehäuse eindringt und die Frischluft in den meisten Fällen kälter als die Kurbelwellentemperatur ist und demzufolge die Kurbelwelle entsprechend abkühlt, so dass das die Viskosität des Schmieröl steigt und insbesondere in der Kaltstartphase eine höhere Reibung und damit ein erhöhter Kraftstoffverbrauch auftritt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Wärmequelle eine Verbindungsleitung der Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse oder einem Motorblock umfassen, wobei das Kurbelgehäuse keine Verbindungsleitung zwischen Umgebungsluft und Kurbelgehäuse aufweist, so dass keine Abkühlung des Kurbelgehäuses durch die Umgebungsluft erfolgen kann. Somit wird das vorstehende Problem gelöst, wobei die Abgasbzw. Blow-by-Gasleitung des Kurbelwellengehäuses mit einer Wärmequelle, insbesondere einem Wärmetauscher verbunden ist, und verhindert wird, dass Frischluft in das Kurbelwellengehäuse eintritt, so dass die Ölschmiertemperatur nicht herabgesetzt werden kann.
  • In vielen modernen Verbrennungskraftmaschinen insbesondere mit Turboaufladung sind Kolbenspritzkühlungsvorrichtungen vorgesehen, bei dem ein Ölkühlstrahl Öl aus dem Kurbelgehäuse oder durch eine Öffnung der Ölleitung im Pleuel auf die Unterseite des Zylinderkolbens mit hohem Druck spritzt, wenn hohe Drehzahlen oder hohe Lastphasen auftreten, um einen Verkoken des Motoröls, das sich hinter dem Kolbenring befindet, zu verhindern. In vielen Fällen wird die Kolbenspritzkühlung in Abhängigkeit von einem Motoröldruck gesteuert, so dass beispielsweise bei niedrigen Öldrücken wie kleiner 2 Bar kein Öl durch die Spritzdüsen austritt und die mechanische Leistung, die von der Ölpumpe zur Verfügung gestellt wird, dadurch nicht verringert wird. Nachteilig hieran ist, während einer Warmlaufphase der Öldruck an den Kolbenspritzdüsen relativ gering ist und aufgrund der niedrigen Motordrehzahlen somit keine Kolbenspritzkühlung erfolgt. Wenn allerdings Öl durch die Kolbenspritzdüsen austreten würde, würde eine schnellere Erwärmung des Öls stattfinden können, die in Kombination mit einer verbesserten Isolierung, bei der die Ölgalerie und das Kurbelwellengehäuse bzw. die Kurbelwelle isoliert sind, zu einer deutlich verbesserten Ölerwärmung führen würde. Da die Öffnungen der Kühldüsen relativ gering sind, kann nur ein geringer Anteil des gesamtes Ölflusses durch Kolbenspritzdüsen treten, normalerweise weniger als 30 % während eine Kolbenspritzkühlung aktiv ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Wärmequelle eine Kolbenspritzkühlung einer Verbrennungskraftmaschine umfassen, wobei ein Ölvolumenstrom, der durch Kolbenspritzdüsen an die Unterseite der Kolben der Verbrennungskraftmaschine gespritzt wird, den größten Ölvolumenstrom im Motorschmiersystem darstellt, zumindest aber 30 % des von der Ölpumpe geförderten Ölvolumenstromes darstellt. Hierbei kann – sofern ein Katalysator vorgesehen ist – der Kolbenspritzdüsenölvolumenstrom reduziert werden, sobald die Katalysatortemperatur unter einem Light-off Temperaturgrenzwert, d.h. Anspringgrenzwerttemperatur des Katalysators liegt und der Kolbenspritzdüsenölvolumenstrom kann reduziert, insbesondere auf Null gesetzt werden, sobald ein vordefinierbarer Grenzöldruck unterschritten wird. Durch eine Erhöhung der Austrittsdüsenquerschnitte, die größer als normalerweise ausfallen, wobei ein Ölfluss durch den Kolbenspritzdüsenaustritt, der größer als 30 % des gesamten Ölflusses der Motorölpumpe beträgt, kann bei einer Steuerung der Ölflussmenge durch die Kolbenspritzdüsen unabhängig von der Motordrehzahl ein effizienter Wärmeeintrag in das Motoröl befördert werden. Wenn während der Kaltstartphase die Ölspritzdüsen offen sind, kann das Öl sich schneller erwärmen, wenn es auf die Unterseite der Kolben gespritzt wird, die den wärmsten Bereich des Motors darstellen und so eine deutlich verbesserte Schmierung in der Kaltstartphase ermöglichen.
  • In vielen Fällen wird bei einem Verbrennungsmotor Abwärme durch die Zylinderwände hindurch zu einer Wassermantelkühlung geführt, wobei die Wärme durch einen Wasserkühler eines Kühlmittelkreislaufs abgegeben wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Wärmequelle zumindest einen Teil einer Ölleitung, insbesondere einer nicht isolierten Ölleitung, zwischen einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine und einem Kühlmittelkanal umfassen. Insbesondere kann die Ölleitung zwischen einer Zylinderlaufbahn der Verbrennungskraftmaschine und einem Kühlmittelkanal im oberen Bereich der Zylinderlaufbahn angeordnet sein, wobei der Abstand zwischen dem unteren Ende der Ölleitung und dem oberen Ende der Zylinderlaufbahn, die mit der Dichtung des Zylinderkopfs abgedichtet ist, maximal 50 % des Kolbenhubes beträgt.
  • Gemäß der obigen Weiterbildung kann zumindest ein Teil der Ölleitung, die zwischen Brennraum und Kühlmittelkanal angeordnet ist, einseitig von innen zur Seite des Kühlmittelkanals hin isoliert sein. Die Wärmeleitfähigkeit der einseitigen Isolierung kann deutlich geringer als die Wärmeleitfähigkeit der Strukturumgebung sein und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) betragen. Die Ölleitung kann insbesondere parallel zur Zylindermittelachse verlaufen.
  • Werden Ölführungskanäle zwischen der Zylinderinnenwand und der Wassermantelkühlung angeordnet, so können diverse Vorteile erreicht werden:
    • – Sofern das Öl eine höhere Temperatur als das Kühlmittel hat, wird die Zylinderwandtemperatur erhöht, was den Verbrennungsprozess deutlich erhöht und Wärmeverluste durch die Zylinderwand reduziert.
    • – Das Öl wirkt als Isolation, was die Zylinderwandtemperatur erhöht.
    • – Das durchgeführte Schmieröl wird deutlich stärker erwärmt, was die Reibung verringert und den Kraftstoffverbrauch reduziert.
  • In Kombination beispielsweise mit einer Kolbenspritzkühlung und einer Isolation der Ölgalerien und der Kurbelwelle und insbesondere durch Anordnung eines Wärmespeichers, kann beispielsweise auf einen Abgasölwärmetauscher verzichtet werden, der unfallgefährdet ist und beispielsweise im Fall einer Beschädigung Feuer auslösen kann, wobei die Gefahr einer Leckage innerhalb eines Abgasölwärmespeichers gebannt ist.
  • Sofern die Ölkanäle parallel zur Mittelachse des Zylinders angeordnet sind, können sie relativ einfach gefertigt, z.B. nachträglich gebohrt werden und es müssen keine komplexen Gussformen für die Zylindermäntel für umlaufende, waagerechte Kanäle zur Mittelachse bereitgestellt werden, die das Risiko tragen, dass durch Rückstände von Formsand empfindliche Teile des Ventiltriebs wie die Lager oder Magnetventile von Nockenwellenversteller beschädigt werden können. Des weiteren kann durch einen parallelen Verlauf der Ölkanäle eine effektive Erwärmung erreicht werden, da das Öl vom kälteren, unteren Ende zum heißen, oberen Endbereich fließen und somit einen Temperaturgradienten durchlaufen und entsprechend heiß erwärmt werden kann. Durch eine halbseitige Isolation der Ölführungskanäle gegenüber der Wassermantelkühlung kann die Effizienz der vorgeschlagenen Maßnahmen deutlich erhöht werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann ein Wärmespeicher für das Getriebeöl umfasst sein, der bevorzugt eine Kammer mit einem Phasenwechselmaterial aufweist, und der einen Kühlmittelwärmetauscher zur Erwärmung des Getriebeöls mit Kühlmittel in einer Einheit baulich integriert.
  • Der Wärmetauscher benötigt einen großen Bauraum, wobei in einer Kaltstartphase heißes Fluid, welches in dem Tank gespeichert ist, mit Rücklaufluid gemischt wird, so dass die Gesamttemperatur innerhalb des Wärmespeichers herabgesetzt wird, da das heiße Öl von kaltem Schmieröl ersetzt wird. Aus diesem Grund sind in zahlreichen Wärmespeichern komplexe Ölführungskanäle vorgesehen, um die Bewegung des Motoröls zu steuern, wie beispielsweise in der DE 87108302 A beschrieben wird.
  • Auf das Getriebeschmiersystem mit dem Wärmespeicher aufsetzend kann in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung der mit dem Wärmespeicher baulich integrierte Kühlmittelwärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgeführt sein, wobei jeweils die beiden äußeren ersten Platten Kühlmittel führen und zwischen der jeweils nächsten, zweiten Platte nach innen Getriebeöl geführt wird und zwischen der jeweils nächsten, dritten Platte nach innen ein Phasenwechselmaterial angeordnet ist, und zwischen der jeweils nächsten, vierten Platte nach innen Motoröl geführt wird, wobei des Weiteren bevorzugt zwischen einer jeweils nächsten, fünften Platte nach innen ein Phasenwechselmaterial angeordnet ist, und weiterhin zwischen jeweils einer nächsten, sechsten Platte nach innen Getriebeöl geführt wird, und weiterhin zwischen einer jeweils nächsten, siebten Platte nach innen Kühlmittel geführt wird, wobei sich die Reihenfolge weiterer Lagen wie vorstehend angegeben beliebig fortsetzen kann.
  • Durch eine Verwendung einer einfachen Plattenwärmetauschertechnologie, bei denen verschiedene Fluide wie Motoröl, Getriebeöl, Kühlmittel, Phasenwechselmaterial in verschiedenen Schichten geführt werden, wobei das heißeste Fluid durch Phasenwechselmaterial flankiert ist, und dieses wiederum von Getriebeöl flankiert ist und dieses wiederum von Kühlfluid flankiert ist und der Fluss all dieser Fluide derart gesteuert wird, dass das Getriebeöl nicht mehr fließt, wenn eine Motoröltemperatur unter einem vorbestimmten Motorölgrenzwert fällt und das Kühlmittelfluid nicht mehr fließt, wenn eine Kühltemperatur unter einem vorbestimmten Kühltemperaturgrenzwert fällt, kann eine verbesserte Aufheizung der verschiedenen Schmieröle und geringere Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch erreicht werden.
  • Auf das Getriebeschmiersystem mit dem Wärmespeicher aufsetzend können in einer vorteilhaften Weiterbildung ein oder mehrere Ventile, insbesondere ein Kühlmittelventil und/oder ein Getriebeölventil zur Steuerung des Fluidstroms durch die verschiedenen Kanäle des Wärmespeichers vorgesehen sein, so dass eine Kühlmittelzufuhr unterbrochen wird, wenn die Kühlmitteltemperatur kleiner ist als eine erste Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere 90°C und wenn die Getriebeöltemperatur höher ist als die Kühlmitteltemperatur, und dass die Getriebeölzufuhr unterbrochen wird, wenn einer Motoröltemperatur unter einer ersten Motorölgrenztemperatur, insbesondere kleiner 120°C, liegt.
  • Auf das Getriebeschmiersystem mit dem Wärmespeicher aufsetzend kann in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung die Getriebeölzufuhr zum Wärmespeicher geöffnet werden, sobald die Motoröltemperatur eine zweite Wärmetauscher-Motorölgrenztemperatur, insbesondere grösser als 120°C, erreicht wird. Des Weiteren kann die Getriebeölzufuhr zum Wärmespeicher geschlossen werden, sobald die Motoröltemperatur eine untere dritte Wärmetauscher-Motorölgrenztemperatur, insbesondere kleiner als 90°C, erreicht hat. Daneben kann bevorzugt eine Kühlwasserzufuhr zum integrierten Wärmespeicher geöffnet werden, sobald die Getriebeöltemperatur niedriger als die Kühlmitteltemperatur ist und die Kühlwasserzufuhr zum integrierten Wärmespeicher kann geschlossen werden, sobald die Getriebeöltemperatur grösser ist als die Kühlmitteltemperatur.
  • Abgasölwärmetauscher sind relativ kostspielig und komplex, da sie hohe Temperaturen und hohe Drücke und der Gefahr von Leckagen bzw. von Feuerentzündung entgegenwirken müssen. Es müssen aufwendige Maßnahmen zur Verhinderung von Korrosionen und Verschmutzung durch die Abgase ergriffen und eine Ansammlung von Wasser, das gefrieren kann, sofern die Außentemperatur weniger als 0°C beträgt, müssen getroffen werden. Durch eine einteilige Ausführung eines Abgasölwärmetauschers von Motoröl und Getriebeöl in einer einzigen Baueinheit, wobei eine Abgasbypassleitung mit Abgasbypassventil angeordnet wird, so dass eine Durchleitung von Abgasen durch den Abgasölwärmetauscher schaltbar ist, sofern die Motoröltemperatur oder die Getriebeöltemperatur ein Maximum erreicht, kann eine optimale Steuerung der Aufheizung insbesondere bei hohen Lasten und der Kaltstartphase erreicht werden. Hierdurch kann wiederum eine verbesserte Schmierung und diverse weitere Vorteile der Erfindung erreicht werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann ein Abgas-/Ölwärmetauscher für Motoröl und Getriebeöl einteilig ausgeführt sein. Dabei kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Wärmetauscher im Gegenstromprinzip durchströmt wird, insbesondere Motoröl und Getriebeöl im Gegenstrom den Wärmetauscher durchströmen, und bevorzugt der Bereich des Getriebeölabgaswärmetauschers abgasseitig stromabwärts vom Bereich des Motorölabgaswärmetauschers angeordnet ist. Der Abgas-/Ölwärmetauscher kann abgasseitig mit einer Abgasbypassleitung und zumindest einem Abgasbypassventil versehen sein, so dass ein Abgasstrom durch den Bereich des Motorölabgaswärmetauschers bei Überschreiten einer vordefinierbaren ersten Wärmetauscher-Motorölgrenztemperatur, insbesondere von 120°C, unterbrochen wird. Der Abgasstrom kann durch den Bereich des Getriebeöl-Abgaswärmetauschers bei Überschreiten einer vordefinierbaren ersten Wärmetauscher-Getriebeölgrenztemperatur, insbesondere von 90°C, unterbrochen werden.
  • Durch die Integration von Getriebe- und Motorölwärmetauscher in einer Baueinheit mit einem Gehäuse mit einer schaltbaren Abgasbypassleitung kann eine Erwärmung/Kühlung des Öls durch Beeinflussung des Abgasstroms gesteuert werden. So kann der Abgasstrom über die Bypassleitung geleitet werden, wenn das Motoröl oder das Getriebeöl eine Grenztemperatur erreicht hat.
  • Gewöhnliches Kühlmittel hat den Nachteil, dass bei maximalen Temperaturen in der Verbrennungskammer die Gefahr besteht, dass das Kühlmittel zu kochen beginnt, so dass die Brennraumwandtemperaturen begrenzt werden müssen, um zu verhindern, dass einzelne Bauteile thermisch überlastet werden und um ein lokales Überhitzen oder einen Schaden des Motors zu verhindern. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs ein Phasenwechselmaterial umfassen, dass eine Schmelztemperatur über 0°C und einer Siedetemperatur von mindestens 120°C aufweist, bei dem die Dichte mit steigender Temperatur, insbesondere beim Phasenübergang von fest zu flüssig, steigt. Der mit diesem Phasenwechselmaterial gefüllte Kühlmittelkreislauf kann in der zu kühlenden Verbrennungskraftmaschine derart integriert sein, dass keine zu anderen Bauteile führende Verbindungsleitungen vorhanden sind. Dabei kann ein erster Kühlmittelkreislauf mit dem Phasenwechselmaterial von einem zweiten Kühlmittelkreis umgeben sein und durch diesen gekühlt werden, wobei der zweite Kühlmittelkreis mit Kühlmittel mit einer Schmelztemperatur von zumindest unterhalb –30°C gefüllt ist, und der zweite Kühlmittelkreislauf kann außerhalb der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Bauteile, insbesondere einen Kühler, aufweisen.
  • Phasenwechselmaterial kann eine höhere Siedetemperatur als Wasser bereitstellen, so dass der Einsatz eines solches Materials im Kühlmittelsystem eine höhere Spitzentemperatur in dem Verbrennungsraum ermöglicht. Allerdings weist Phasenwechselmaterial eine niedrige spezifische Wärmekapazität und eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit oder beides auf, so dass große Kühler, Pumpen und Verbindungsleitungen im Kühlkreislauf benötigt werden. Des Weiteren kann kein Phasenwechselmaterial verwendet werden, das bei Umgebungstemperaturen zwischen –40°C und 0°C einen festen Aggregatszustand annimmt, da im festen Zustand bei hohen Lasten keine Abwärme zum Kühler transportiert werden kann. Hierzu ist zunächst notwendig, dass das Phasenwechselmaterial schmilzt, was schwer zu erreichen ist, insbesondere in den Teilen des Kühlsystems, die sich außerhalb der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise im Kühler, befinden. Daher wird nach vorgenannter Ausführungsform vorgeschlagen, dass ein Phasenwechselmaterial mit einer Schmelztemperatur zwischen 40°C und 120°C verwendet wird, was nur innerhalb eines inneren Kühlkreislaufs eingesetzt wird, so dass das Phasenwechselmaterial in einer Kaltstartphase sehr schnell an seinen Schmelzpunkt gelangt und flüssig wird und während der Kaltstartphase bereits Wärme abtransportieren kann. Der innere Kühlkreislauf ist mit einem äußeren Kühlkreislauf durch einen Wärmetauscher verbunden, wobei in dem äußeren Kühlkreislauf beispielsweise konventionelles Kühlmittel mit einer Schmelztemperatur von unter –30°C eingesetzt werden kann. Hierdurch kann der Vorteil einer erhöhten Innenraumtemperatur erreicht und trotzdem eine stabile und effiziente Kühlung bei einem Schmiersystem mit verbesserter Isolation eingesetzt werden.
  • Ein Kühlsystem mit getrennten Kühlkreisläufen zur verbesserten Erwärmung, wobei das Kühlmittel durch einen Zylinderkopf und durch einen Zylinderblock separat verlaufen, ist beispielsweise aus dem JSAE Review 23 (2002) S. 507-511 bekannt. Während einer Warmlaufphase kann beispielsweise der Kühlmittelkreislauf durch den Zylinderblock oder Motorblock unterbrochen sein, wobei bei höheren Temperaturen das Kühlmittel durch den Zylinderkopf parallel durch den Zylinderblock fließt und von dort zum Wasserkühler gelangt. Allerdings beinhaltet dies den Nachteil, dass sich das Kühlmittel während einer Kaltstartphase im Zylinderblock nicht bewegt und damit lokale Überhitzungen auftreten können, insbesondere unter hoher Motorlast während des Kaltstarts. Des Weiteren wird das Kühlmittel aufgrund von Konvektionen dahingehend nachteilig bewegt, dass es bei einem kombinierten Durchströmen von Zylinderkopf zum Zylinderblock von oben nach unten strömt und damit in Gegenrichtung zur Konvektion, d.h. zum Wärmefluss, der von unten nach oben wirkt, was den Strömungswiderstand auf die Motorpumpe erhöht und eine zusätzliche mechanische Last und einen zusätzlichen elektrischen Verbrauch der Wasserpumpe bedingt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können ein Zylinderkopfkühlmittelkanal und ein Zylinderblockkühlmittelkanal des Kühlkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine baulich getrennt ausgeführt sein, um eine Beschleunigung der Kühlmittelaufheizung zu erreichen. Dabei strömt während einer Aufwärmphase unterhalb einer ersten Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere unter 90°C, ein Kühlmittel zuerst durch den Zylinderkopf zur Aufheizung und von dort durch einen Zylinder-/Motorblock, wo das warme Kühlmittel eine Zylinderwand aufheizt, um Wandwärmeverluste zu reduzieren, und dort wird es einer Kühlmittelpumpe zugeführt. Bei Erreichen der ersten Kühlmittelgrenztemperatur kann im Zylinderkopf ein erstes Kühlmittelstromrichtungsthermostat geöffnet werden und zumindest ein Teilvolumenstrom des Kühlmittels kann an einen Kühler geleitet werden. Bei Erreichen einer zweiten Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere über 100°C, kann ein zweites Kühlmittelstromrichtungsthermostat, insbesondere ein 3-Wegethermostat am bisherigen Ausgang des Zylinder-/Motorblockes eine Verbindung zum Eingang der Kühlmittelpumpe schließen und eine Verbindung zum Ausgang der Kühlmittelpumpe herstellen, so dass das Kühlmittel im Zylinder-/Motorblock in entgegengesetzter Richtung wie das Kühlmittel im Zylinderkopf strömt, und ein vereinigter Kühlmittelstrom von Zylinderkopf und Zylinder-/Motorblock durch den Kühler geleitet wird.
  • Demzufolge wird in der vorgeschlagenen Ausführungsform das Kühlmittel zunächst durch den Zylinderkopf geführt, wobei am Ende des Zylinderkopfs das Kühlmittel zurück in den Motorblock geführt wird, so dass der Zylinderblock durch das bereits im Zylinderkopf erwärmte Kühlmittel ebenfalls erwärmt wird und somit eine Verbesserung des Verbrennungsprozesses stattfindet, da der Zylinderkopf sich typischerweise wesentlich schneller erwärmt und wärmer ist als der Zylinderblock – auch aufgrund dessen, dass die Wassermantelkühlung im Zylinderkopf wesentlich weniger Raum einnimmt und heiße Abgase ebenfalls durch den Zylinderkopf geführt werden – so dass die größte Abwärme dort entsteht. In einem weiteren Schritt kann das Kühlmittel sich schneller erwärmen. Wenn das Kühlmittel warm genug ist, kann ein Kühlmittelthermostat die Kühlmittelflussrichtung derart verändern, dass Kühlmittel durch einen Wasserkühler fließt und wenn der Motorblock warm genug wird, kann das Kühlmittel parallel durch den Motorblock und den Zylinderkopf fließen, so dass eine maximale Kühlung durch die Wasserkühler erfolgen kann. Somit wird eine ausreichende Kühlung und eine schnelle Erwärmung bzw. eine gleichmäßige Erwärmung des Motorblocks erreicht, so dass das Schmieröl schneller erwärmt wird und in der Kaltstartphase bessere Motoreigenschaften erreicht werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Schmiervorrichtung wird vorgeschlagen, dass der Kolben einer Verbrennungskraftmaschine auf der Innenseite zumindest eines Kolbenschaftes durch eine Isolierung isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung 5% oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit des Kolbenschaftes ist und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist, wobei bevorzugt die Innenseite des Kolbenbodens nicht isoliert ist. Somit wird eine Isolierung eines zu schmierenden oszillierenden Bauteils vorgeschlagen, so dass der in der Kaltstartphase einer kalten Zylinderseitenwand zuweisende Kolbenschaft isoliert, allerdings der sich schnell erwärmende Kolbenboden nicht isoliert ist. Somit kann ein zusätzlicher Wärmeeintrag in das Öl bereitgestellt und eine Isolierung zur Verhinderung einer Abkühlung gegenüber dem kalten Zylinderblock erreicht werden. Insbesondere bei einer Kolbenspritzkühlung, bei der eine hohe Menge von Öl mit dem Kolbenboden in Berührung kommt, ist ein derartig isolierter Kolben zur schnellen Erwärmung vorteilhaft.
  • ZEICHNUNGEN
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schmiervorrichtung;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schmiervorrichtung;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmespeichers für eine erfindungsgemäße Schmiervorrichtung;
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schmiervorrichtung;
  • 5 ein Ausführungsbeispiel einer Ölschmierleitungsführung im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine für eine erfindungsgemäße Ölschmiervorrichtung;
  • 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schmiervorrichtung;
  • 7 Ausführungsbeispiele eines Kühlmittelkreislaufs zum Einsatz einer erfindungsgemäßen Schmiervorrichtung;
  • 8 Ausführungsbeispiele eines teilisolierten Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schmiervorrichtung.
  • In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel 100 einer erfindungsgemäßen Schmiervorrichtung für eine funktionale Strukturumgebung 11, insbesondere für Schmierstellen wie Ölgalerie, Kurbelwelle, Lager oder einer metallischen Strukturumgebung 63 wie Getriebeteile mit Metallumgebung und Gehäuse. Ein derartiges Schmiersystem kann beispielsweise in einem Fahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine, einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden. Beispielhaft kann ein Kurbelwellengehäuse betrachtet werden, bei dem Kurbelwelle, Lagerschale, Pleuel und Gehäuse eine metallische Umgebung bilden, deren hoher spezifischer Wärmeleitwert Öl bei niedrigen Umgebungstemperaturen Wärme entzieht. Eine Innenisolation dieser Bereiche, insbesondere Bereiche mit Kontakt zur Außenluft kann ein Erwärmen des Öls beschleunigen.
  • In 1 ist Schmieröl in einem Ölspeicher 1 gelagert, das über einen Ölsieb 2 und eine elektrisch gesteuerte Pumpe 4 angesaugt wird. Zur Vermeidung eines Überdrucks ist ein Überdruckventil 5 nach dem Pumpenausgang angeordnet, das in einem Falle eines Überdrucks im Ölschmierkreislauf ein Zurücklaufen des Öls über die Pumpe 4 in den Ölspeicher 1 ermöglicht. Das Öl wird durch einen weiteren Ölfilter 6 und über eine Wärmequelle 7, in diesem Fall einen Abgas-Ölwärmetauscher geleitet, der eine Zuführleitung für thermische Energie 8 und eine Abführleitung 9 des Restenergiestroms aufweist. Dies kann beispielsweise ein Zuführungsrohr und ein Abführungsrohr zwischen einer Brennkraftmaschine und einem Katalysator sein. Alternativ kann die Wärmequelle 7 auch ein Wärmetauscher zwischen Ölschmiersystem und Kühlmittelkreislauf sein, wodurch in einer Kaltstartphase das Schmieröl stärker aufgewärmt werden kann. Nach der Wärmequelle 7 schließt sich zumindest eine Verbindungsleitung mit Schmierstellen 11 oder Ölgalerieleitung 10 an, die die zu schmierenden Stellen mit Schmieröl versorgt und die eine innere thermische Isolierung 13 aufweist, worin ein ölführender Innenteil 12 der Ölgalerie 10 geführt ist. Somit ist der Außendurchmesser D wesentlich geringer als der Innendurchmesser d, da die Isolierung nach innen gerichtet ist und den Querschnitt verjüngt, so dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen verbessert und die Abgabe von Wärmeenergie an die Metallumgebung oder Strukturumgebung 11, 63 verringert wird. Zusätzlich können Gehäuseinnenwände, oszillierende Bauteile oder sonstige Metallbereiche, mit denen Schmieröl in Kontakt kommen kann, mit einer Isolierschicht versehen sein. Nach Durchführung des durch die Wärmequelle 7 erwärmten Öls durch eine isolierte Umgebung an die zu schmierenden Stellen wird das Öl in den Ölspeicher 1 zurückgeführt, wo es für den erneuten Kreislauf zur Verfügung steht. Durch eine thermische Isolierung von Ölgalerie 10, Schmierstellen 11 und Strukturumgebung 63 nach der Wärmequelle 7 wird die Abgabe von thermischer Energie an die Metallumgebung, wie z.B. Zylinderkopf oder Zylinderblock deutlich verringert, so dass bei einer Erwärmung in einer Kaltstarphase eine niedrige Viskosität und damit gute Schmiereigenschaften erreicht werden können, was in einem verringerten Kraftstoffverbrauch und verbesserten Emissionswerten der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Im Falle eines Getriebes kann die Strukturumgebung 11, 63 Ölspeicher und Getriebewanne mit Getriebegehäuse sein und bewirkt eine verbesserte Leichtgängigkeit der Kraftübertragung. Zusätzlich kann der Ölspeicher 1 thermisch isoliert sein und weitere Teile, wie beispielsweise die zu schmierenden rotierenden oder oszillierenden Bauteile sowie deren umgebendes Gehäuse isoliert sein. Vorteilhafterweise sind die nach der Ölpumpe 4 angeordneten Bereiche größtenteils thermisch isoliert, insbesondere der unter Druck stehende Ölkreislaufbereich und die Bereiche, in denen die Wärmezufuhr durch die Wärmequelle erfolgt.
  • Aufbauend auf dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt 2 eine Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Schmiersystems, das auf der Struktur des Schmiersystems 100 der 1 aufbaut, und vergleichbar eingesetzt werden kann. Zusätzlich zu der in der 1 dargestellten Konfiguration ist in der Ölsaugleitung 3 zwischen Ölspeicher 1 und Ölpumpe 4 ein thermisch isolierter Wärmespeicher 14 angeordnet, der zum Ölsaugrohr 3 parallel geschaltet ist, und der über einen Drei-Zwei-Schaltventil 15 in die Ölsaugrohrleitung 3 eingeschaltet werden kann. Im thermisch isolierten Wärmespeicher 14 kann Öl in einem erwärmten Zustand zwischengespeichert werden, um die Wärme und damit verbunden herabgesetzte Viskosität aufrecht zu erhalten, so dass eine verbesserte Aufheizung in der wärmeisolierten Strukturumgebung, wie Schmierstellen 11 und metallische Umgebung 63 wie Gehäuse, Bauteile etc. ermöglich wird. Es kann beispielsweise während eines Kaltstarts Öl aus einem Wärmespeicher 14 entnommen werden, das eine Restwärme aufweist und damit eine niedrigere Viskosität als das im Ölspeicher 1 befindliche Öl, das die Umgebungstemperatur aufnimmt. Solch ein Wärmespeicher 14 kann hochisoliert beispielsweise vakuumisoliert ausgeführt sein, und vermischt sich beim Ablauf von Öl mit frisch zulaufendem kaltem Öl, wobei die Mischtemperatur des Öls im Wärmespeicher 14 sinkt.
  • Um einen Wärmespeicher beispielsweise, wie den in 2 dargestellten weiterhin zu verbessern, kann wie in 3 dargestellt ein thermisch hoch isolierter Wärmespeicher 14 verwendet werden, der einen Freilaufkolben 19 umfasst und den zylindrisch ausgeführten Wärmespeicher 14 in zwei verschieblich große Kammern 16a und 16b aufteilt. In der Kammer 16b kann beispielsweise kaltes Öl nachfließen und in der Kammer 16a warmes Öl gespeichert sein. Bei der Entnahme vom warmen Öl 16a bewegt sich der thermisch isolierte Freilaufkolben nach links und kaltes Öl kann in die Kammer 16b nachströmen, so dass die Druckverhältnisse im Wärmespeicher 14 konstant bleiben. Durch ein Vier-Drei-Wegeventil 20 können verschiedenen Betriebsarten für den wärmeisolierten Ölspeicher 14 eingestellt werden. So ist eine Entnahmeposition in linker Position, in mittlerer Position eine Verbindung der beiden Kammern und eine rechte Aufladeposition, in der Kammer 16a mit Öl aus einer Wärmequelle 7 befüllt und Öl aus Kammer 16b zurück in den Ölspeicher 1 entlassen werden kann, einstellbar. Die beiden Kammern sind zur Verhinderung von Überdruck mit vorgespannten Rückschlagventilen 22, 23 verbunden, so dass ein Überdruck in einer Kammer in der anderen Kammer abgebaut werden kann. Die Isolierung 17 kann sehr aufwendig ausgeführt werden, so dass ein Temperaturverlust beispielsweise von 100 auf 80°C bei 25°C Umgebungstemperatur innerhalb von mehr als 6 Stunden erfolgen. Somit ist sichergestellt, dass zumindest bei einem kurzfristigen Abstellen eines Fahrzeugs von weniger als 24 Stunden eine genügend warme Menge Schmieröl zur Verfügung steht, um schon in der Kaltstarphase eine optimale Schmierung zu gewährleisten.
  • In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel 100 eines Schmiersystems für eine Verbrennungskraftmaschine dargestellt, das grundsätzlich dem Aufbau der in 1 dargestellten Schmiervorrichtung 100 umfasst. Zusätzlich zu der Ausführungsform der 1 ist zwischen dem Ölfilter 6 und der Wärmequelle 7, die als Abgasölwärmetauscher ausgeführt ist, ein weiterer Wärmetauscher 24 als Kühlmittelwärmtauscher vorgesehen, der mit einem Kühlkreislauf 61 über einen Zwei-Zwei-Wegeventil 25 schaltbar verbunden ist. Ein Wärmeeintrag kann zum einen über den Kühlkreislauf 61 als auch über den Abgaswärmekreislauf in die Wärmequelle 7 erfolgen. Über eine Ansaugleitung 26 gelangt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Zylinderkopf 27 eines Motorblocks 36, worauf das Abgas über einen Katalysator 28 in eine Abgasleitung 55 geführt wird. In der Abgasleitung 55 ist ein Drei-Zwei-Abgasbypassventil 29 angeordnet, bei dem der Abgasstrom zum einen über den Abgasmotorölwärmetauscher 7 geleitet werden kann oder zum anderen über eine Abgasbypassleitung 30 direkt an den Auspuff 31 zugeführt werden kann, insbesondere wenn eine Mindesttemperatur des Öls erreicht ist. Somit kann über die beiden Schaltventile, das Kühlmittelventil 25, das stromabwärts Richtung Ölspeicher 1 im Ölkreislauf angeordnet ist und über den Abgasölwärmetauscher 7, der stromaufwärts in Richtung Ölgalerie 10 und zu schmierende Bauteile 63 und Schmierstellen 11 angeordnet ist, einen Wärmeeintrag in das Motoröl erfolgen, so dass durch die hoch isolierten Ölgalerie in die Strukturumgebung 11, 63 erwärmtes und dadurch hochviskoses Öl an die zu schmierenden Stellen verteilt werden kann, bevor das Öl in den Ölspeicher 1 zurückgeführt wird.
  • In der 5a ist schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 41 mit Motorblock 36 und Bauteile wie Zylinder mit Kurbelwelle 67, Pleuel 64 und Kolben 66 sowie Zylinderblock und Zylinderkopf 27 mit Einlass- und Auslassventilen dargestellt. Der Motorblock 36 weist eine Zylindermittelachse 58 auf, wobei der Zylinderkopf 27 einen Zylinderkopfflansch 35, einen Brennraum 34 und der Motorblock eine Zylinderlaufbahn 38 aufweist, in dem der Pleuel 64 die Kurbelwelle 67 mit dem Kolben 66 verbindet. Der Zylindermantel weist eine Wassermantelkühlung 65 mit Kanälen 37 für Kühlflüssigkeit auf, die beispielsweise in der 5b als Kühlmittelkanal 37 dargestellt sind.
  • In den 5b und 5c sind nur zwei Ausführungsbeispiele von Ölführungsleitung eines Schmiersystems 32 dargestellt, die im oberen Bereich des Brennraums 34 und zwar in der Höhe des halben Zylinderhubs 33 zwischen Zylinderaußen- und Zylinderinnenwand 62 und dem Kühlmittelkanal 37 der Wassermantelkühlung 65 verlaufen. Im oberen Bereich des halben Zylinderhubs im Zylinder befindet sich der Brennraum 34, der das schnellst erhitzende Komponente in der Verbrennungskraftmaschine 41 darstellt, so dass Schmieröl dort besonders effektiv erwärmt werden kann, und dies als Wärmequelle 7 zur verbesserten Schmierung insbesondere während einer Kaltlaufphase dienen kann. Dabei zeigt 5b nicht isolierte Ölleitungen 32, die Wärme der Zylinderwand aufnehmen können und den Brennraum 34 thermisch gegenüber dem Kühlmittelkanal 37 isolierten. In der 5c wird eine weitere Ausführungsform dargestellt, die eine einseitig isolierte Ölleitung 32, 56 darstellt, wobei die Ölführungsleitung gegenüber dem Kühlmittelkanal 37 halbseitig isoliert ist und somit schneller erwärmt werden kann und eine bessere Isolierung von Zylinderwand 62 gegenüber dem Kühlmittelkanal 37 bietet, während Wärme der Zylinderinnenwand 62 in das Öl eingetragen werden kann.
  • 6 zeigt aufbauend auf der Ausführungsform der 1 eine weitere Schmiervorrichtung 100, das zusätzlich zu den in 1 dargestellten Komponenten einen hochisolierten Druckwärmespeicher 14 im druckführenden Bereich der Ölschmierleitung nach der Wärmquelle 7 umfasst, der vor der wärmeisolierten Strukturumgebung 11, 63 mit Ölgalerie 12 angeordnet ist. Erwärmtes Öl kann in den Wärmespeicher 14 durch das Drei-Zwei-Wegeventil 15 schaltbar aufgenommen werden, und bei Bedarf z.B. in der Kaltstartphase wieder entlassen werden. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Wärmespeicher 14 im Druckbereich des Ölschmiersystems 100 angeordnet, so dass insbesondere bei der Anfahrt nach einem nur kurzfristigen Stillstand von max. ein bis zwei Tagen hochviskoses warmes Öl zur Schmierung verfügbar ist, das nicht erst durch eine Wärmequelle 7 erwärmt werden muss. Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Wärmespeicher 14 muss der in 6 dargestellte Wärmespeicher 14 für hohe Drücke ausgelegt sein und kann somit ein verändertes bauliches Design aufweisen.
  • Die 7 zeigt einen Kühlmittelkreislauf 61 in dem Kühlmittel durch eine Verbrennungskraftmaschine 41 entlang zweier Kühlmittelkanäle 37 durch einen Zylinderkopf 27 und durch einen Motorblock/Zylinderblock 36 geführt werden kann. Die Wärme des Kühlkreislaufs kann über einen Kühler 45 an einen zweiten Kühlmittelkreislauf 57 bzw. an einen Luftstrom abgegeben werden. Eine Kühlmittelpumpe 39 zwingt das Kühlmittel zum Umlaufen im Kühlmittelkreislauf 57 und zwei Schaltventile, nämlich das Zwei-Zwei-Kühlmittelstromrichtungsthermostat 44 und das Drei-Zwei-Kühlmittelstromrichtungsthermostat 40 bestimmen Richtung und Art des Kühlmittelverlaufs durch Zylinderkopf 27 und Motorblock 36.
  • In der 7a ist dargestellt, dass beispielsweise in einer Kaltstartphase das Kühlmittel über die Kühlmittelpumpe 39 zunächst durch den Zylinderkopf 27 und bei gesperrtem Kühlmittelstromrichtungsthermostat 44 durch den Motorblock 36 zurückfließt, so dass ein geschlossener Kreislauf gebildet ist, in dem keine externe Kühlung erfolgt und der Kühlmittelstrom antiparallel durch die Kühlmittelkanäle 37 des Zylinderkopfs 27 und Motorblocks 36 fließt.
  • 7b zeigt eine zweite Schaltmöglichkeit für einen Teillastbereich, in der zum einen das Kühlmittel durch den Zylinderkopf 27 fließt und hiernach abgezweigt antiparallel durch den Motorblock 36 zurück zur Kühlmittelpumpe 39 sowie teilweise über einen -Wasserkühler 45 fließt, wodurch Zylinderkopf 27 gut gekühlt und Motorblock 36 geringer gekühlt werden kann.
  • In der 7c ist eine dritte Schaltvariante für einen Volllastbetrieb dargestellt, wobei das erste Kühlmittelrichtungsthermostat 44 offen und das zweite Kühlmittelrichtungsthermostat 40 ebenfalls offen sind, so dass der Kühlmittelstrom parallel durch Zylinderkopf 27 und Motorblock 36 fließen kann, so dass eine maximale Kühlleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Die in den drei Schaltvarianten in 7a, 7b und 7c dargestellten Konfigurationen können bei unterschiedlichen Belastungs- oder Kalt- und Warmstartphasen einer Verbrennungskraftmaschine geschaltet sein, wobei 7a bei einer kalten Warmlaufphase zur schnellen Erwärmung dienen kann. 7b in einer mittleren Betriebsphase eine geringer Kühlwirkung und 7c ein Kühlkreislauf mit einer maximalen Kühlwirkung darstellt, so dass das Öl einer Schmiervorrichtung in allen Lastfällen schnell erwärmt werden kann und eine niedrige Viskosität und optimale Schmierwirkung erreichen kann.
  • Schließlich zeigt 8 einen Kolben 66 einer Verbrennungskraftmaschine 41, der ringförmig auf der Innenseite des Kolbenschaftes 102 eine Isolierung 13 aufweist, die den Kolbenschaft 102 thermisch gegenüber der Zylinderinnenwand 62 isoliert. Die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung 13 beträgt 5 % oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit des Kolbenschaftes 102. Im Gegensatz zum Kolbenschaft 102 ist die Innenseite des Kolbenbodens 103 nicht isoliert. Hierdurch kann in einer Kaltstartphase der Kolbenboden 103 schnell erwärmen, wobei beispielsweise bei Verwendung einer Kolbenspritzkühlung Öl, das auf die Unterseite des Kolbens gespritzt wird, sehr schnell erwärmt werden kann.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die isolierten Ölleitungen in einem Ölversorgungsbereich angeordnet sind, die hinter der Ölpumpe, d.h. im druckführenden Leitungsbereich angeordnet sind. Diese Leitung hat zumindest an einigen Bereichen einen größeren Umfang als der Innendurchmesser der Leitung, so dass ein verbessertes Oberflächenvolumenverhältnis erreicht werden kann. Die Isolierung kann vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik bestehen und kann innen- oder außenwändig angeordnet sein. Die Wärmeleitfähigkeit der isolierten Bereiche der Verbindungsleitung liegt bei 5 % oder weniger als die der umgebenden Metallstruktur oder der Ölgalerie, wobei insbesondere Stahl oder Grauguss eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 50 W/mK aufweist und somit die Isolation eine Wärmeleitfähigkeit von 2.5 W/mK, bevorzugt 1 W/mK oder weniger aufweisen sollte.
  • Die zu isolierenden weiteren Bereiche neben Zuführleitungen und den Schmierstellen sind insbesondere Getriebegehäuse oder bei einem Verbrennungsmotor das Kurbelwellengehäuse, die Ölwanne und die Ölgalerie. Zur thermischen Isolation von rotierenden oder oszillierenden Bauteile sind insbesondere Kurbelwelle, Kurbelwellenlager und Kurbelwellengehäuse, Nockenwellen und – Lager und Getriebewelle und Zahnräder berücksichtigen – wobei bevorzugt die Bereiche zu isolieren sind, die mit Öl im Funktionsgebrauch regelmäßig benetzt werden. Es ist vorteilhaft, wenn keine Frischluft in das Kurbelwellengehäuse gelangt, so dass dieses zur kalten Außenluft abgeschlossen ist, und allenfalls Blow-by-Gase austreten, aber keine kalte Frischluft in das Kurbelwellengehäuse eindringen kann, um eine erhöhte oder beschleunigte Erwärmung zu ermöglichen.
  • Durch die Zusammenfassung von zwei Wärmetauschern von Motoröl und Getriebeöl und/oder zwei Wärmespeichern für Motoröl oder Getriebeöl lassen sich in einer Baueinheit eine höherwertige Isolation und eine erhöhte Bauteilqualität gegenüber Leckage oder Korrosion erreichen, wobei kritischer Bauraum eingespart werden kann. Wird im Kühlkreislauf ein Phasenwechselmaterial eingesetzt, so bietet es sich an, einen zweiten umhüllenden Kühlkreislauf vorzusehen, wobei der erste Kühlkreislauf mit erhöhter Temperaturen gefahren werden kann, und der zweite Kühlkreislauf dazu dient, den inneren Kühlkreislauf zu kühlen, wobei ein Einfrieren oder einen soliden Zustand des Phasenwechselmaterials verhindert werden kann, so dass eine Betriebsfähigkeit auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen erreicht werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009013943 A [0006]
    • EP 2010053643 [0006]
    • JP 2001323808 A [0007]
    • DE 102009013943 [0014]
    • DE 87108302 A [0051]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Will, F.: “A novel exhaust heat recovery system to reduce fuel consumption”, F2010A073, FISITA conference Budapest (International Federation of Automotive Engineers Society), Ungarn 2010 [0008]
    • Will, F., Boretti, A.,: “A new Method to warm up Lubricating Oil to improve Fuel Economy”, SAE 2011-01-0318, 2011 (Society of Automotive Engineers) [0008]
    • JSAE 235-20125071 [0019]
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    • SAE 922244 [0026]
    • SAE 2011-01-1171 [0038]
    • SAE 2011-01-1171 [0038]
    • JSAE Review 23 (2002) S. 507-511 [0061]

Claims (26)

  1. Vorrichtung zur Aufheizung eines Schmiersystems (100) von rotierenden oder oszillierenden Bauteilen, mit zumindest einem Ölsaugrohr (2), das in einem Ölspeicher (1) angeordnet ist, einer Ölpumpe (4), einer Wärmequelle (7) und weiteren Verbindungsleitungen, die in einem Metallgehäuse baulich integriert sind, insbesondere einer Ölgalerie zur Verteilung von Schmieröl an die Bauteile, wobei bevorzugt der äußere Umfang der Verbindungsleitungen mindestens doppelt so groß wie der innere Umfang der Verbindungsleitung ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Verbindungsleitung (10) innerhalb der Ölgalerie stromaufwärts der Wärmequelle inwandig durch eine Innenisolierung (13) isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Innenisolierung (13) 5% oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsleitungen bzw. der übrigen Ölgalerie und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) beträgt und die Wärmequelle (7) abgeschaltet oder zumindest in ihrer Wärmeabgabe reduziert wird, wenn eine erste obere Ölgrenztemperatur erreicht wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Schmiersystems, insbesondere ein Kurbelgehäuse oder ein Getriebegehäuse, durch eine Innenisolierung (13) isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Innenisolierung (13) 5% oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit einer Strukturumgebung (11, 63), insbesondere die Wärmeleitfähigkeit einer Schmierstelle, eines Gehäuses, der zu schmierenden Bauteile, einer Metallumgebung, ist und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölspeicher (1) durch eine Innenisolierung (13) isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Innenisolierung (13) 5% oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit des Ölspeichers (1) ist und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist, oder dass der Ölspeicher (1) komplett oder zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gefertigt ist, welches eine Wärmeleitfähigkeit von bevorzugt höchstens kleiner als 1 W/(m K) hat.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der zu schmierenden, rotierenden oder oszillierenden Bauteile durch eine Außenisolierung (13) isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Außenisolierung (13) 5% oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit der zu schmierenden, rotierenden oder oszillierenden Bauteile ist, und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochisolierter Wärmespeicher (14), insbesondere mit einer mindestens 5mm dicken Wärmespeicherisolierung (17) mit einer Wärmeleitfähigkeit von unter 0.01 W/(m K) umfasst ist, der insbesondere zwischen einem Ölsaugrohr (3) und einer Ölpumpe (4) oder zwischen einer Ölpumpe (4) und einer Wärmequelle (7), oder zwischen einer Wärmequelle (7) und einer Schmierstelle (11) angeordnet ist, wobei bevorzugt ein Temperaturverlust von Öl mit einer Temperatur von 100°C auf 80°C bei 25 °C Umgebungstemperatur in mehr als 6 Stunden erfolgt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiersystem (100) ein Umleitungsventil (15) umfasst, so dass der Wärmespeicher (14) bei Erreichen einer zweiten oberen Ölgrenztemperatur außerhalb des Wärmespeichers (14) von mindestens 90°C mit Öl gefüllt wird und bei einem Kaltstart der zu schmierenden Bauteile unter einer vorgegebenen ersten unteren Ölgrenztemperatur von höchstens 50°C außerhalb des Wärmespeichers (14) das gespeicherte Öl im Wärmespeicher (14) an das Schmiersystem (100) abgegeben wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (14) eine separate Kammer, bevorzugt eine Umfassungskammer um eine innere Ölspeicherkammer aufweist, die mit einem Phasenwechselmaterial (46), insbesondere mit einem Zuckeralkohol, wie Erythrit, Threit oder ein Paraffin oder ähnliches oder einem Salz, bevorzugt ein Hydrat, Nitrat, Hydroxyd oder Chlorid wie Bariumhydroxyd, Magnesiumchloridhexahydrat, Magnesiumnitrathexahydra gefüllt ist, deren latente Schmelzwärme wesentlich größer ist als die Wärme, die der Wärmespeicher aufgrund der Temperaturdifferenz der ersten unteren und ersten oberen Ölgrenztemperatur speichern kann, wobei insbesondere die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials (46) niedriger ist als die erste obere Ölgrenztemperatur, und bevorzugt – sofern die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials (46) größer 100°C ist – das Phasenwechselmaterial (46) Erythritol mit einer Schmelztemperatur von ca. 120°C ist, so dass im Kaltstart eine höchst mögliche Temperatur im Wärmespeicher (14) vorliegt.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (14) zylindrisch ausgeführt ist und einen Freikolben (19) aus wärmeisolierendem Material umfasst, der den Wärmespeicher (14) in zwei Kammern (16a, 16b) aufteilt, wodurch beim Füllen des Wärmespeichers (14) mit Öl oberhalb einer ersten oberen Ölgrenztemperatur von mindestens 90°C in die erste Kammer (16a) ein Ölvolumen aus der zweiten Kammer (16b) in das Schmiersystem (100) zurückgeschoben wird und beim Entleeren des Öls aus der ersten Kammer (16a) in einer Kaltstartphase unter der vorgegebenen unteren ersten Ölgrenztemperatur von höchstens 50°C in das Schmiersystem (100) die zweite Kammer (16b) mit Öl gefüllt wird, so dass der Ölstand in dem Ölspeicher (1) nur unwesentlich beeinflusst wird, und der Wärmespeicher (14) bedarfsweise als Wärmequelle, insbesondere als Heizeinrichtung und als Wärmesenke, insbesondere Kühleinrichtung nutzbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiersystem (100), Ölspeicher (1), Strukturumgebung (11, 63) und Wärmequelle (7) von einer Verbrennungskraftmaschine (41) umfasst sind, insbesondere von einer Verbrennungskraftmaschine (41) eines Kraftfahrzeuges.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiersystem (100), Ölspeicher (1) und Strukturumgebung (11, 63) von einem Getriebe umfasst sind, insbesondere einem Kraftfahrzeuggetriebe und dass die Wärmequelle (7) durch eine Verbrennungskraftmaschine (41) und/oder eine elektrischen Batterie und/oder einen Inverter bereitgestellt wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (7) Motoröl und Getriebeöl in einer Baueinheit umfasst, und insbesondere zumindest eine Kammer für Motoröl und eine Kammer für Getriebeöl umfasst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (7) im Falle einer Verbrennungskraftmaschine (41) einen Abgaswärmetauscher (60) umfasst, oder die Wärmequelle (7) insbesondere im Falle der Anwendung bei einem Getriebe einen Kühlmittelwärmetauscher (24) und/oder einen Abgaswärmetauscher (60) umfasst, wobei bei Kombination von Kühlmittelwärmetauscher (24) und Abgaswärmetauscher (60) der Abgaswärmetauscher (60) stromabwärts des Kühlmittelwärmetauschers (24) angeordnet ist und im Kühlmittelkreislauf (57) ein Kühlmittelventil (25) angeordnet ist, welches bei Unterschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere unterhalb einer Kühlkreislaufthermostattemperatur zur Aktivierung eines Hauptwasserkühlers, insbesondere höchstens 10°C unter der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostats, geschlossen ist und bei Überschreiten der Kühlmittelgrenztemperatur geöffnet wird, insbesondere unterhalb der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostats geöffnet wird, insbesondere unterhalb 5°C unter der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostattemperatur geöffnet wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Schaltgetriebe ist, welches keine Ölpumpe (4) aufweist, wobei im Ölspeicher (1) ein Kühlmittelwärmetauscher (24) angeordnet ist, so dass das Getriebeöl vom Motorkühlmittel aufgewärmt wird, und dass der Kühlmittelwärmetauscher (24) kühlmittelseitig mit einem Kühlmittelventil (25) versehen ist, welches bei Unterschreiten einer Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere unterhalb der Öffnungstemperatur eines Kühlkreislaufthermostats zur Aktivierung des Hauptwasserkühlers, insbesondere 10°C oder mehr unterhalb der Kühlkreislaufthermostattemperatur, geschlossen wird und bei Überschreiten der Kühlmittelgrenztemperatur geöffnet wird, insbesondere unterhalb der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostats geöffnet wird, insbesondere unterhalb 5°C unter der Öffnungstemperatur des Kühlkreislaufthermostattemperatur geöffnet wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Handschaltgetriebe ist und die Ölpumpenfunktion durch die Verdrängungswirkung eines Zahnradpaares, insbesondere eines Getriebeendantriebs, erbracht wird, wobei eine Öldruckleitung auf der Seite angeordnet ist, auf der sich die beiden Zahnflanken aufeinander zu bewegen und eine Ölrücklaufleitung auf der Seite angeordnet ist, auf der sich die beiden Zahnflanken voneinander weg bewegen.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (7) eine Verbindungsleitung der Abgasleitung (55) einer Verbrennungskraftmaschine (41) mit einer Strukturumgebung (11, 63), insbesondere einem Kurbelgehäuse oder einem Motorblock (36) einer Verbrennungskraftmaschine (41) umfasst, wobei das Kurbelgehäuse keine Verbindungsleitung zwischen Umgebungsluft und Kurbelgehäuse aufweist, so dass keine Abkühlung des Kurbelgehäuses durch die Umgebungsluft erfolgen kann.
  16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (7) eine Kolbenspritzkühlung umfasst, wobei ein Ölvolumenstrom, der durch die Kolbenspritzdüsen an die Kolben der Verbrennungskraftmaschine (41) gespritzt wird, den größten Ölvolumenstrom im Motorschmiersystem darstellt, zumindest aber 30% des von der Ölpumpe geförderten Ölvolumenstromes darstellt, wobei der Kolbenspritzdüsenölvolumenstrom reduziert wird, sobald eine Katalysatortemperatur unter einem Light-off Temperaturgrenzwert (Anspringgrenzwerttemperatur) liegt und der Kolbenspritzdüsenölvolumenstrom reduziert, insbesondere auf Null gesetzt wird, sobald ein vordefinierbarer Grenzöldruck unterschritten ist.
  17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (7) zumindest einen Teil einer Ölleitung (32), insbesondere einer nicht isolierten Ölleitung (32), zwischen einem Brennraum (34) und einem Kühlmittelkanal (37) umfasst, insbesondere eine Ölleitung (32) zwischen einer Zylinderlaufbahn (38) und einem Kühlmittelkanal (37) im oberen Bereich der Zylinderlaufbahn (38), wobei der Abstand zwischen dem unteren Ende der Ölleitung (32) und dem oberen Ende der Zylinderlaufbahn (38), die mit der Dichtung des Zylinderkopfs (27) abgedichtet ist, maximal 50% des Kolbenhubes (33) beträgt.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ölleitung (32), die zwischen Brennraum (34) und Kühlmittelkanal (37) angeordnet ist, einseitig von innen zur Seite des Kühlmittelkanals (37) hin isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der einseitigen Isolierung (56) deutlich geringer als die Wärmeleitfähigkeit der Strukturumgebung (11, 63) ist und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist, und dass die Ölleitung (32) insbesondere parallel zur Zylindermittelachse (58) verläuft.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeicher (14) für das Getriebeöl umfasst ist, der bevorzugt eine Kammer mit einem Phasenwechselmaterial (46) aufweist, und der einen Kühlmittelwärmetauscher (24) zur Erwärmung des Getriebeöls mit Kühlmittel in einer Einheit baulich integriert.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Wärmespeicher (14) baulich integrierte Kühlmittelwärmetauscher (24) als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, wobei die jeweils äußeren beiden ersten Platten Kühlmittel führen und zwischen der jeweils nächsten zweiten Platte nach innen Getriebeöl geführt wird und zwischen der jeweils nächsten dritten Platte nach innen ein Phasenwechselmaterial (46) angeordnet ist, und zwischen der jeweils nächsten vierten Platte nach innen Motoröl geführt wird, wobei des Weiteren bevorzugt zwischen einer jeweils nächsten fünften Platte nach innen ein Phasenwechselmaterial (46) angeordnet ist und bevorzugt weiterhin zwischen jeweils einer nächsten sechsten Platte nach innen Getriebeöl geführt wird und bevorzugt weiterhin zwischen einer jeweils nächsten siebten Platte nach innen Kühlmittel geführt wird, wobei sich die Reihenfolge weiterer Lagen wie vorstehend angegeben beliebig fortsetzen kann.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ventile, insbesondere ein Kühlmittelventil (25) und/oder ein Getriebeölventil zur Steuerung des Fluidstroms durch die verschiedenen Kanäle des Wärmespeichers (14) vorgesehen sind, so dass eine Kühlmittelzufuhr unterbrochen wird, wenn die Kühlmitteltemperatur kleiner ist als eine erste Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere 90°C und wenn die Getriebeöltemperatur höher ist als die Kühlmitteltemperatur, und dass die Getriebeölzufuhr unterbrochen wird, wenn eine Motoröltemperatur unter einer ersten Motorölgrenztemperatur, insbesondere kleiner 120°C, liegt.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeölzufuhr zum Wärmespeicher (14) geöffnet wird, sobald die Motoröltemperatur eine zweite Wärmetauscher-Motorölgrenztemperatur, insbesondere grösser als 120°C, erreicht hat und dass die Getriebeölzufuhr zum Wärmespeicher (14) geschlossen wird, sobald die Motoröltemperatur eine untere dritte Wärmetauscher-Motorölgrenztemperatur, insbesondere kleiner als 90°C, erreicht hat und dass bevorzugt eine Kühlwasserzufuhr zum integrierten Wärmespeicher (14) geöffnet wird, sobald die Getriebeöltemperatur niedriger als die Kühlmitteltemperatur ist und dass die Kühlwasserzufuhr zum integrierten Wärmespeicher (14) geschlossen wird, sobald die Getriebeöltemperatur grösser ist als die Kühlmitteltemperatur.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgas-/Ölwärmetauscher (60) für Motoröl und Getriebeöl einteilig ausgeführt ist und bevorzugt im Gegenstromprinzip durchströmt wird, und dass bevorzugt der Bereich des Getriebeölabgaswärmetauschers abgasseitig stromabwärts vom Bereich des Motorölabgaswärmetauschers angeordnet ist, wobei insbesondere der Abgas-/Ölwärmetauscher (60) abgasseitig mit einer Abgasbypassleitung (30) und zumindest einem Abgasbypassventil (29) versehen ist, so dass ein Abgasstrom durch den Bereich des Motorölabgaswärmetauschers bei Überschreiten einer vordefinierbaren ersten Wärmetauscher-Motorölgrenztemperatur, insbesondere von 120°C, unterbrochen wird und dass der Abgasstrom durch den Bereich des Getriebeöl-Abgaswärmetauschers bei Überschreiten einer vordefinierbaren ersten Wärmetauscher-Getriebeölgrenztemperatur, insbesondere von 90°C, unterbrochen wird.
  24. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs (61) ein Phasenwechselmaterial (46) umfasst, das eine Schmelztemperatur über 0°C und eine Siedetemperatur von mindestens 120°C aufweist, bei dem die Dichte mit steigender Temperatur, insbesondere beim Phasenübergang von fest zu flüssig, steigt, und dass der mit diesem Phasenwechselmaterial (46) gefüllte Kühlmittelkreislauf (61) in der zu kühlenden Verbrennungskraftmaschine (41) derart integriert ist, dass keine zu anderen Bauteile führenden Verbindungsleitungen vorhanden sind, wobei der erste Kühlmittelkreislauf (61) von einem zweiten Kühlmittelkreis (57) umgeben ist und durch diesen gekühlt wird, der mit Kühlmittel mit einer Schmelztemperatur von zumindest unterhalb –30°C gefüllt ist, und der außerhalb der Verbrennungskraftmaschine (41) angeordnete Bauteile, insbesondere einen Kühler (45) aufweist.
  25. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinderkopfkühlmittelkanal (42) und ein Zylinderblockkühlmittelkanal (43) des Kühlkreislaufs (61) einer Verbrennungskraftmaschine (41) baulich getrennt ausgeführt sind, um eine Beschleunigung der Kühlmittelaufheizung zu erreichen, wobei während einer Aufwärmphase unterhalb einer ersten Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere unter 90°C, ein Kühlmittel zuerst durch den Zylinderkopf (27) zur Aufheizung und von dort durch einen Zylinder-/Motorblock (36) strömt, wo das warme Kühlmittel eine Zylinderwand aufheizt, um Wandwärmeverluste zu reduzieren, und von dort einer Kühlmittelpumpe (39) zugeführt wird; und dass bei Erreichen der ersten Kühlmittelgrenztemperatur im Zylinderkopf (27) ein erstes Kühlmittelstromrichtungsthermostat (44) öffnet und zumindest einen Teilvolumenstrom des Kühlmittels an einen Kühler (45) leitet und bei Erreichen einer zweiten Kühlmittelgrenztemperatur, insbesondere über 100°C ein zweites Kühlmittelstromrichtungsthermostat (40), insbesondere ein 3-Wegethermostat am bisherigen Ausgang des Zylinder-/Motorblockes (36) eine Verbindung zum Eingang der Kühlmittelpumpe (39) schließt und eine Verbindung zum Ausgang der Kühlmittelpumpe (39) herstellt, so dass das Kühlmittel im Zylinder-/Motorblock (36) in entgegengesetzter Richtung wie das Kühlmittel im Zylinderkopf (27) strömt, und ein vereinigter Kühlmittelstrom von Zylinderkopf (27) und Zylinder-/Motorblock (36) durch den Kühler (45) geleitet wird.
  26. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (66) einer Verbrennungskraftmaschine (41) auf der Innenseite zumindest eines Kolbenschaftes (102) durch eine Isolierung (13) isoliert ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung 5% oder weniger als die Wärmeleitfähigkeit des Kolbenschaftes (102) ist und bevorzugt mindestens kleiner als 1 W/(m K) ist, wobei bevorzugt die Innenseite des Kolbenbodens (103) nicht isoliert ist.
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