DE102019112369A1

DE102019112369A1 - Brennkraftmaschine mit einem Schmiermittelkreislauf

Info

Publication number: DE102019112369A1
Application number: DE102019112369.0A
Authority: DE
Inventors: Sven Dressler; Carsten Trinkaus
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-11-19

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Schmiermittelkreislauf in den ein Wärmespeicher einbindbar ist, wobei nach einem Anhalten der Brennkraftmaschine ein Schmiermittel in dem Wärmespeicher einlagerbar ist und nach einem Start der Brennkraftmaschine Lagerstellen der Brennkraftmaschine mit dem, in dem Wärmespeicher eingelagerten Schmiermittel beaufschlagbar sind und mit einer Vorrichtung zum Einbringen von Wasser nach einem Start der Brennkraftmaschine in zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine, wobei das Wasser aus einem Wassertank entnehmbar ist und wobei der Wärmespeicher ein separates Gehäuse aufweist, das thermisch isoliert an die Brennkraftmaschine angeordnet und der Wassertank in dem Gehäuse angeordnet ist.Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine werden nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die Reibungsverluste in den Lagerstellen minimiert und das Wasser vor Einfrieren geschützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Schmiermittelkreislauf mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2005 052 632 A1 hingewiesen, aus der eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Kraftmaschine bekannt ist. Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum Erwärmen einer Kraftmaschine mit einem Schmierölkreislauf aus, die eine Schmierölwanne, eine elektrische Schmiermittelpumpe und einen Ölwärmespeicher umfasst, wobei dem Ölwärmespeicher Schmieröl in Abhängigkeit von Betriebsparametern über Steuerventile zugeführt und/oder entnommen wird. In der Offenlegungsschrift wird vorgeschlagen, dass der Ölwärmespeicher mindestens eine elektrisch angetriebene Ölpumpe, einen Ölfilter, mindestens ein Steuerventil und gegebenenfalls eine Ölzustandssensorik eine Baueinheit für den Anbau an oder für den Einbau in die Kraftmaschine bilden.
Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2013/071976 A1 ein Wärmespeicher, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug bekannt, mit einem in dem Motorölkreislauf einbindbaren, bei laufendem Motor von dem Motoröl durchströmten und bei abgeschaltetem Motor von dem Kreislauf abgekoppelten Wärmespeicherbehälter, wobei als Wärmespeicherbehälter die Ölwanne des Motors, insbesondere in ihrem unteren Teil, vorgesehen und wärmeisolierenden Behälterwänden versehen ist und insbesondere ein Element zur Erhöhung der Wärmekapazität des Wärmespeichers vorgesehen ist.
Weiter ist es bekannt, dass das Einspritzen von Wasser in die Brennräume einer Brennkraftmaschine diverse Vorteile mit sich bringen kann. Zum einen können der Kraftstoffverbrauch und zum anderen die Erzeugung unerwünschter Nebenprodukte, wie beispielsweise NO_x (Stickstoffdioxid) verhindert werden. Das benötigte Wasser wird hierfür aus einem beispielsweise heckseitig positionierten Wasserspeicher bezogen. Die Positionierung des Behälters wird bewusst motorfern gewählt, da das Wasser ansonsten verdampft und der Druck in den Leitungen stark ansteigt.
Das Wasser im Wasserbehälter kann jedoch bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt in nachteiliger Weise gefrieren, sodass die Zufuhr zum Wassereinspritzsystem unterbrochen wird oder im schlimmsten Fall Schäden durch die Volumenausdehnung entstehen. Hierbei können Pumpen- und Einspritzsysteme im schlimmsten Fall sogar zerstört werden. Mögliche Lösungen sind das Beimischen von Äthanol und das elektrische Beheizen des Wassers. Nachteilig dabei sind jedoch die höheren Kosten durch das Äthanol, die aufwändigere Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der höhere Kraftstoffverbrauch durch die elektrische Beheizung.
Eine elegantere Lösung bietet hierbei beispielsweise die US-Offenlegungsschrift US 2018 051658 A , in der das Erwärmen des Wassers mit Hilfe der Abwärme vom Motor, von verbauter Leistungselektronik und/oder von beheizbaren Kühlkreisen vorgeschlagen wird.
Nachteilig hierbei ist weiterhin, dass nach längerem Stillstand des Fahrzeuges bei niedrigen Außentemperaturen das Gefrieren des Wassers nicht verhindert werden kann.
Mit diesem Problem befasst sich auch die internationale Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2018/162139 A1 . In dieser Patentanmeldung wird eine Vorrichtung zum Beimischen eines Fluids, insbesondere Wasser, einer Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einem ersten Fluidbehälter, aus dem das Fluid entnehmbar und der Verbrennungsluft zuführbar ist. Weiter ist ein zweiter Fluidbehälter vorgesehen, der mit dem ersten Fluidbehälter über eine Leitung fluidführend verbunden ist, wobei in der Leitung eine erste Fluidpumpe angeordnet ist. Hierbei ist der erste Fluidbehälter von einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine über einen ersten Wärmetauscher und/oder elektrisch beheizbar. In bevorzugter Weise ist der zweite Fluidbehälter über einen zweiten Wärmetauscher elektrisch beheizbar.
In nachteiliger Weise weist auch diese Offenbarung die oben genannten Nachteile auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der das Wasser für die zusätzliche Einspritzung zum Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine vor einem Einfrieren geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Nutzen der Wärmespeicherung in einem Wärmespeicher für das Schmiermittel einer Brennkraftmaschine doppelt zu verwenden. Dies soll durch die Platzierung eines Wasserspeichers in dem Wärmespeicher für das Schmiermittel erreicht werden. Wichtig ist es, dabei eine geeignete thermische Isolierung zwischen dem Wasser und dem Schmiermittelkreislauf zu verwenden. Der resultierende Vorteil ist, dass die Temperatur des Wassers länger über dem Gefrierpunkt gehalten wird und bereits kurz nach einem Start der Brennkraftmaschine zum Einspritzen in die Brennkraftmaschine zur Verfügung steht, sobald das Wasser in den kurzen Leitungen zur Brennkraftmaschine hin aufgetaut ist. Dies erfolgt, bedingt durch die nahe Lage zur Brennkraftmaschine zu dem Wasserspeicher sehr schnell. Dadurch steht dem Kunden schon ab dem Start der Brennkraftmaschine die volle Leistung der Brennkraftmaschine zur Verfügung und stöchiometrischer Betrieb (λ=1) mit Wasseranteil für niedrige Schadstoffemissionen wird ebenfalls sofort realisiert.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 gewährleistet, dass der erste Wassertank sehr schnell auftaut, sodass sofort nach einem Start der Brennkraftmaschine Wasser für die Wassereinspritzung zur Verfügung steht, wobei der zweite, der größere Wassertank mehr Zeit bekommt, um auftauen zu können.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den zweiten Wassertank an einer beliebigen Stelle in einem Kraftfahrzeug anzuordnen.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante, die verhindert, dass die Wasserleitung ebenfalls nicht einfrieren kann.
Besonders bevorzugt weist der erste Wassertank gemäß Patentanspruch 5 zwischen 5 % und 50 % eines Volumens des zweiten Wassertanks auf.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergeben sich somit folgende Vorteile:

- volle Leistung der Brennkraftmaschine ab Start der Brennkraftmaschine abrufbar,
- Verringerung unerwünschter Abgasschadstoffe durch λ=1-Betrieb (stöchiometrisch), wie beispielsweise die Reduzierung von Stickoxiden (NO_x),
- es ist keine zusätzliche Elektronik nötig,
- die Erfindung führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und somit der CO₂-Emissionen.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer einzigen Figur näher erläutert.

1 zeigt eine Aufsicht auf ein halbtransparentes Kraftfahrzeug, dem überlagert die Erfindung dargestellt ist.

1 zeigt eine Aufsicht auf ein halbtransparent dargestelltes Kraftfahrzeug 9, dem überlagert die Erfindung dargestellt ist. Die Erfindung zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit symbolhaft durch Kreise dargestellte sechs, nicht bezifferten Zylindern. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Schmiermittelkreislauf 2 auf, in dem ein Wärmespeicher 3 einbindbar ist. Nach einem Ausschalten der Brennkraftmaschine 1 ist ein warmes, bzw. heißes Schmiermittel in dem Wärmespeicher 3 einlagerbar und nach einem Start der Brennkraftmaschine 1 sind Lagerstellen der Brennkraftmaschine 1 mit dem in dem Wärmespeicher 3 eingelagerten warmen, bzw. heißem Schmiermittel beaufschlagbar. Derartige Wärmespeicher-Systeme sind beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt.
Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 eine Vorrichtung zum Einbringen von Wasser nach einem Start der Brennkraftmaschine 1 in zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine 1 auf, wobei das Wasser, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem ersten Wassertank 4 entnehmbar ist. Auch derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und dem Fachmann geläufig und werden deshalb hier nicht näher erläutert.
Der Wärmespeicher 3 weist ein separates Gehäuse 5 auf, das thermisch isoliert an die Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist, wobei der erste Wassertank 4 erfindungsgemäß in dem Gehäuse 5 angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist der Wärmespeicher 3 somit eine Doppelfunktion auf, nämlich das Warmhalten des Schmiermittels während eines Stillstandes der Brennkraftmaschine und das Verhindern des Einfrierens des Wassers für die Wassereinspritzung.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Wassertank 4 in einen ersten Wassertank 4 und einen zweiten, größeren Wassertank 4' aufgeteilt, wobei der erste Wassertank 4 und der zweite Wassertank 4' über eine Wasserleitung 6 wasserführend miteinander verbunden sind. Das Wassersystem bildet somit einen kleinen Wasserkreislauf und einen großen Wasserkreislauf.
Im kleinen Wasserkreislauf wird mittels einer Pumpe 8, die nahe an den ersten Wassertank 4, vorzugsweise ebenfalls in dem Gehäuse 5 angeordnet ist, das Wasser aus dem ersten Wassertank 4 in Richtung der Wassereinspritzvorrichtung gefördert. Überflüssiges Wasser wird zurück in die Leitung 6 gefördert.
Bei Bedarf kann in diesem Ausführungsbeispiel aus dem zweiten Wassertank 4' Wasser mittels der Pumpe 8 durch die Wasserleitung 6 in Richtung des ersten Wassertanks 4 gepumpt werden Dies bildet dann in Verbindung mit dem kleinen Wasserkreislauf den großen Wasserkreislauf.
Weiter ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der zweite Wassertank 4' außerhalb des separaten Gehäuses 5 angeordnet, wodurch eine beliebige Platzierung des zweiten Wassertanks 4' im Kraftfahrzeug 9 erfolgen kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Wasserleitung 6 beheizbar, damit ein Einfrieren des Wassers bei einer Förderung aus dem zweiten Wassertank 4' in den ersten Wassertank 4 vermieden ist.
Somit ergeben sich folgende Vorteile aufgrund der Erfindung:

- Es ist eine volle Leistung der Brennkraftmaschine ab Start der Brennkraftmaschine darstellbar,
- sie führt zu einer Verringerung ungewünschter Abgase durch λ=1-Betrieb, wie beispielsweise NO_x,
- es ist keine zusätzliche Elektronik nötig,
- sie führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen.

Bezugszeichenliste

1.: Brennkraftmaschine
2.: Schmiermittelkreislauf
3.: Wärmespeicher
4.: erster Wassertank
4': zweiter Wassertank
5.: Gehäuse
6.: Wasserleitung
7.: Fahrzeug
8.: Pumpe
9.: Kraftfahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005052632 A1 [0002]
WO 2013/071976 A1 [0003]
US 2018051658 A [0006]
WO 2018/162139 A1 [0008]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem Schmiermittelkreislauf (2) in den ein Wärmespeicher (3) einbindbar ist, wobei nach einem Anhalten der Brennkraftmaschine (1) ein Schmiermittel in dem Wärmespeicher (3) einlagerbar ist und nach einem Start der Brennkraftmaschine (1) Lagerstellen der Brennkraftmaschine (1) mit dem, in dem Wärmespeicher (3) eingelagerten Schmiermittel beaufschlagbar sind und mit einer Vorrichtung zum Einbringen von Wasser nach einem Start der Brennkraftmaschine (1) in zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1), wobei das Wasser aus einem ersten Wassertank (4) entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) ein separates Gehäuse (5) aufweist, das thermisch isoliert an die Brennkraftmaschine (1) angeordnet und der erste Wassertank (4) in dem Gehäuse (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wassertank (4) in den ersten Wassertank (4) und einen zweiten, größeren Wassertank (4') aufgeteilt ist, wobei der erste Wassertank (4) und der zweite Wassertank (4') über eine Wasserleitung (6) Wasser führend miteinander verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wassertank (4') außerhalb des separaten Gehäuses (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung (6) beheizbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des erstes Wassertanks (4) zwischen 5% und 50% eines Volumens des zweiten Wassertanks (4') aufweist.