DE19615738B4

DE19615738B4 - Verfahren zur Temperaturregelung eines Schmiermittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19615738B4
Application number: DE1996115738
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Gasthuber; Bernd-Eric Dipl.-Ing. Lübbing; Martin Dipl.-Ing. Schulz; Michael Dipl.-Ing. Wiesner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1996-04-20
Filing date: 1996-04-20
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2016-04-21
Also published as: IT1291874B1; ITRM970206A1; FR2747734B1; FR2747734A1; GB2312246A; GB9707535D0; DE19615738A1; GB2312246A8; GB2312246B

Abstract

Verfahren zur Temperaturregelung eines Schmiermittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine, einem im Schmiermittelkreislauf (1a, 10a) angeordneten Temperatursensor (3, 12), einer Regelungseinheit (2, 11), der das Ausgangssignal des Temperatursensors (3, 12) zugeführt wird, und einem im Schmiermittelkreislauf (1a) angeordneten Wärmetauscher (4), wobei;
a) dem Wärmetauscher ein von der Regelungseinheit (2, 11) gesteuerter Temperierfluidkreislauf zugeordnet ist,
b) ein Soll-Temperaturniveau des Schmiermittalkreislaufes unterhalb eines bei maximaler Motorlast höchstmöglichen Temperaturwertes gewählt wird,
c) der Wärmetauscher (4) und der zugehörige Temperierfluidkreislauf (5) in einer Kühlkreislauffunktion zur Kühlung des Schmiermittels verwendet wird, wenn die Schmiermitteltemperatur über die Soll-Temperatur steigt,
d) die dem Schmiermittelkreislauf entzogene Wärme gespeichert wird
e) die gespeicherte Wärme über den nunmehr als Heizkreislauf fungierenden Temperierfluidkreislauf (5) und den Wärmetauscher (4) dem Schmiermittelkreislauf (1a) wieder zugeführt wird, sobald die Schmiermitteltemperatur unter die Soll-Temperatur absinkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Schmiermittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine gemäß ausgewählten Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß ausgewählten Merkmalen des Anspruchs 2.

Bekanntermaßen gibt der Motor im Betrieb an reibungsbelasteten Stellen Reibungswärme an ein Schmiermittel eines Schmiermittelkreislaufes ab. Da dieser reibungswärmeabhängig vom Motorbetriebspunkt unterschiedlich hoch ist, d. h. bei Vollastbetrieb höher ist als bei Teillastbetrieb, schwankt dementsprechend die Temperatur des Schmiermittels im Schmiermittelkreislauf bei wechselnden Motorbetriebsbedingungen, wie sie insbesondere im Fall eines Kraftfahrzeugmotors auftreten, wenn keine gegenwirkenden Maßnahmen getroffen werden. Ein weiteres Problem sind Kaltstart-Betriebsbedingungen, bei welchen das Schmiermittel nicht die notwendigen physikalischen Eigenschaften aufweist und welche somit möglichst kurz gehalten werden sollen.

Aus der Offenlegungsschrift DE 39 24 494 A1 ist ein Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine bekannt, der in einen Schmierölkreislauf und einen Kühlölkreislauf aufgeteilt ist, wobei letzterer seinerseits in einen Zylinderkopf-Kühlölkreislauf und einen Zylinderrohr-Kühlölreislauf aufgeteilt ist. In den Kühlölkreislauf sind zumindest ein Kühler sowie ein Thermostatventil eingeschaltet, um das Öl des Kühlölkreislaufes vor Überhitzung zu schützen. Mittels einer Ölpumpe wird Öl aus einer gemeinsamen Ölwanne parallel dem Zylinderrohr-Kühlölkreislauf, dem Zylinderkopf-Kühlölkreislauf und dem Schmierölkreislauf zugeführt. Letzterer besitzt keine eigenen öltemperaturregelnden Elemente.

In der Patentschrift DE 28 17 743 C2 ist eine Einrichtung zur Regelung der Schmieröltemperatur einer Brennkraftmaschine beschrieben, die einen Ölbehälter umfasst, in welchem der Ölvorrat des Schmierölkreislaufes aufgenommen ist und in welchem ein das zurückfließende Ölaufnehmen der Ölauffangbehälter angeordnet ist, der ein kleineres Volumen als der Ölbehälter aufweist und über ein thermostatisch gesteuertes Ventil mit dem Ölbehälter verbindbar ist. Abhängig von der Stellung dieses Ventils steht eine Ölpumpe mit ihrer Saugstelle mit dem Ölbehälter und/oder mit dem Ölauffangbehälter in Verbindung. Dabei geht die Saugstelle von einer Zwischenkammer aus, die an der tiefsten Stelle des Ölauffangbehälters angeordnet ist und über je einen von einem in der Zwischenkammer angeordneten Thermostaten betätigtes Ventil bei niedriger Öltemperatur mit dem Ölauffangbehälter und bei Betriebstemperatur mit dem Ölbehälter verbunden ist. Weiter steht der Ölauffangbehälter durch mindestens einer Überlauföffnung und über ein bei sinkendem Ölvorrat im Ölauffangbehälter öffnendes Schwimmerventil mit dem Ölbehälter in Verbindung. Dies soll ein schnelles Aufheizen des Öles nach einem Kaltstart ermöglichen und andererseits eine Überhitzung des Öles vermeiden. Zur noch schnelleren Aufheizung des Öles ist vorzugsweise eine Heizvorrichtung vorgesehen, die denjenigen Bereich des Ölauffangbehälters umgibt, der in den Ölvorrat des Ölbehälters eintaucht und weitgehend unter dem Ölspiegel liegt. Die Heiz einrichtung ist in Form eines vom Abgas der Brennkraftmaschine durchströmbaren Wärmeübertragers ausgebildet.

In der Offenlegungsschrift DE 42 02 572 A1 ist eine Schmier- und/oder Kühlölversorgung für eine Brennkraftmaschine offenbart, die eine mit rücklaufendem Öl gespeiste Ölwanne, von der unterhalb ihres Ölspiegels zumindest eine mit einer Ölpumpe bestückte Ölförderleitung zu mit Öl zu versorgenden Stellen der Maschine abgeht, einen höher als die Ölwanne angeordneten Ölbehälter, von dessen Bodenbereich zur Ölwanne eine Verbindungsleitung mit einem Ventil führt, dass sie nur bei Unterschreitung eines vorgegebenen Ölpegels in der Ölwanne zum Öltransport in diese freigibt und einen oberhalb des Ölspiegels im Ölbehälter in diesen mündenden Ölzulauf mit einem Thermostatventil aufweist, dass den Zulauf nur bei oberhalb eines Mindestwertes liegenden Öltemperaturen zur Belieferung des Ölbehälters freigibt. Dabei verbindet das Thermostatventil einer mit aus der Maschine rücklaufendem ölgespeiste Rückführleitung bei Freigabe des Zulaufes mit diesem, andernfalls mit der Ölwanne.

Aus der Offenlegungsschrift DE 40 32 701 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Temperaturregelung eines Schmiermittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine bekannt, welches von einem Temperierfluidkreislauf Gebrauch macht, in welchem ein Temperatursensor eingesetzt ist. Einer Regelungseinheit wird das Ausgangssignal des Temperatursensors zugeführt. Der Schmiermittelkreislauf und der Temperierfluidkreislauf stehen über einen Wärmetauscher in Wechselwirkung. Der Temperierfluidkreislauf verfügt über einen Latentwärmespeicher. Die gespeicherte Wärme des Latentwärmespeichers wird über den Wärmetauscher den Schmiermittelkreislauf zugeführt, wenn die Schmiermitteltemperatur unterhalb einer Soll-Temperatur liegt.

Hinsichtlich weiterem Standes der Technik wird auf die Druckschriften GB 2 085 524 A DE 36 21 352 A1 DE 31 20 507 A1 sowie DE 31 39 621 A1 verwiesen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur Temperaturregelung eines Schmiermittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine zugrunde, bei welchem sich auch bei unterschiedlichen Lastzuständen der Brennkraftmaschine ein verbessertes Temperaturverhalten des Schmiermittels ergibt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß wird eine Soll-Temperatur der Regelung unterhalb des maximal möglichen Temperaturwertes ohne Regelung gewählt. Der Temperierfluidkreislauf nimmt für Temperaturen oberhalb der Solltemperatur Wärme auf. Die aufgenommene Wärme wird zwischengespeichert. Einem Abfall der Schmiermitteltemperatur kann durch Rückspeisung der gespeicherten Wärmemenge vom Temperierfluidkreislauf in das Schmiermittel gezielt und schnell entgegengewirkt werden. Hieraus erfolgt ein besonders energieoptimaler Betrieb des Verfahrens, da keine Wärme erzeugt werden muss, sondern die zwischengespeicherte Wärme nur zurückgeführt werden muss. Insbesondere in Verbindung mit einem Kaltstart kann so ohne externen Energieeinsatz eine schnelle Erwärmung des Schmiermittels erzielt werden.

Ein weiterer Vorschlag zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist für ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 gegeben. Entsprechend diesem Vorschlag der Erfindung wird – bei unveränderter Führung des Schmiermittels durch den Motor – die Menge des in Umlauf gebrachten Schmiermittels verändert. Bei Annahme einer konstanten Wärmezufuhr durch die Wärmequellen und konstanter Abfuhr durch Wärmebrücken kann durch die Menge des in Umlauf befindlichen Schmiermittels effizient, einfach und schnell die Schmiermitteltemperatur beeinflusst werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Betrieb eines Motors mit mittels eines Wärmertauschersystems temperierbarem Schmiermittelkreislauf und

2 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Betrieb eines Motors mit Schmiermittelkreislauf mit regelbarer Schmiermittelmenge.

Die 1 zeigt blockdiagrammatisch einen Verbrennungsmotor (1) eines Kraftfahrzeuges, der neben weiteren, herkömmlichen und hier nicht weiter interessierenden Komponenten einen Schmiermittelkreislauf (1a) und einen Kühlflüssigkeitskreislauf (1b) beinhaltet. Dem Motor ist eine Vorrichtung zum Betrieb desselben dergestalt zugeordnet, daß die Temperatur der Schmiermittel im Schmiermittelkreislauf (1a) unabhängig vom jeweiligen Motorbetriebspunkt im wesentlichen konstant gehalten wird, und zwar auf dem sich ohne Regelungsmaßnahme unter Volllastbedingungen ergebenden Niveau. Die Vorrichtung umfaßt eine Regelungseinheit (2), einen an geeigneter Stelle im Schmiermittelkreislauf (1a) positionierten Temperatursensor (3), dessen Ausgangssignal der Regelungseinheit (2) zugeführt ist, sowie einen Wärmetauscher (4), dem ein von der Regelungseinheit (2) gesteuerter Temperierfluidkreislauf (5) zugeordnet ist.
Der Wärmetauscher (4) dient zusammen mit dem Temperierfluidkreislauf (5), in welchem in von der Regelungseinheit (2) gesteuerter Weise ein Temperierfluid zirkuliert, zur Erwär mung der Schmiermittel im Schmiermittelkreislauf (1a) derart, daß deren Temperatur unabhängig von der Motorlast auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird. Der Wärmetauscher (4) ist zu diesem Zweck an geeigneter Stelle im Schmiermittelkreislauf (1a) positioniert. Die Regelungseinheit (2) erfaßt über eine entsprechende Sensorleitung (6) die vom Temperatursensor (3) gemessene Temperatur im Schmiermittelkreislauf (1a) und regelt diese Temperatur auf ein Niveau ein, welches der Schmiermitteltemperatur entspricht, die sich aufgrund der bei Motorvollast vorliegenden Reibungsverlustwärme ergibt. Hierzu unterläßt die Regelungseinheit (2) eine Beheizung des Wärmetauschers (4), solange der Motor nach Warmlaufen unter Vollastbedingungen läuft und daher das Soll-Temperaturniveau im Schmiermittelkreislauf (1a) vorliegt. Sobald ausgehend von einer Vollastbetriebsphase die Motorlast auf Teil- oder Nullast abfällt, würde sich ohne Regelungseingriff die Temperatur im Schmiermittelkreislauf aufgrund der geringer werdenden Reibungsverlustwärme verringern, was eine höhere Schmiermittelviskosität zur Folge hätte. Dem wirkt die Regelungseinheit (2) dadurch entgegen, daß sie den Temperierfluidkreislauf (5) aktiviert und den Wärmetauscher (4) gerade in dem Maße aufheizt, daß die Temperatur der solchermaßen erwärmten Schmiermittel im Schmiermittelkreislauf (1a) auf dem Niveau gehalten wird, das dem Vollastbetrieb entspricht. Die dazu von der Regelungseinheit (2) in den Temperierfluidkreislauf (5) einzuspeisende Wärmemenge (Q) wird hier zweckmäßigerweise von einem Kühlflüssigkeitswärmetauscher (7) zugeführt, mit dem die im Kühlflüssigkeitskreislauf (1b) des Motors (1) zirkulierende Kühlflüssigkeit gekühlt wird. In analoger Weise wie beim beschriebenen Übergang vom Vollastbetrieb auf Teillastbetrieb wird das Schmiermittel im Schmiermittelkreislauf (1a) während einer Kaltstartphase beheizt, so daß das Schmiermittel schneller ihr Soll-Temperaturniveau erreicht.
In einer nicht vom Wortlaut der Ansprüche umfassten Alternative zu der beschriebenen Wärmezufuhr mittels Wärmetauscher (4) und Temperierfluidkreislauf (5) kann das Schmiermittel im' Schmiermittelkreislauf (1a) bei Bedarf mittels einer elektrischen Heizeinrichtung oder unter Verwendung eines Latentwärmespeichers, die jeweils von der Regelungseinheit (2) geeignet angesteuert werden, beheizt, werden. Als weitere Alternative kann bei Bedarf vorgesehen sein, die Solltemperatur etwas unterhalb des bei maximaler Motorlast höchstmöglichen Temperaturwertes zu wählen und den Wärmetauscher (4) im Schmiermittelkreislauf (1a) samt zugehörigem Temperierfluidkreislauf (5) in einer Kühlkreislauffunktion zur Kühlung der Schmiermittel zu verwenden, wenn die Schmiermitteltemperatur über die Solltemperatur ansteigt. Die dadurch dem Schmiermittelkreislauf (1a) entzogene Wärme kann dann von der Regelungseinheit (2) gespeichert und über den nunmehr wieder als Heizkreislauf fungierenden Temperierfluidkreislauf (5) und den Wärmetauscher (4) dem Schmiermittelkreislauf (1a) wieder zugeführt werden, sobald die Schmiermitteltemperatur unter die Solltemperatur absinkt.
Eine zur aktiven Beheizung der Schmiermittel im Schmiermittelkreislauf nicht vom Wortlaut der Ansprüche umfasste alternative Maßnahme zur Konstantregelung der Schmiermitteltemperatur ist durch die in 2 blockdiagrammatisch dargestellte Vorrichtung realisiert. Bei dieser Vorrichtung beinhaltet ein zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs verwendeter Motor (10) wiederum neben weiteren, nicht gezeigten Komponenten einen Schmiermittelkreislauf (10a), dem eine Vorrichtung zur Regelung der im Schmiermittelkreislauf befindlichen Schmiermittelmenge in Abhängigkeit von der Motorlast zugeordnet ist. Zu diesem Zweck umfaßt die Vorrichtung einen Temperaturregler (11), der über einen im Schmiermittelkreislauf (10a) angeordneten Temperatursensor (12) die Temperatur im Schmiermittelkreislauf erfaßt. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Ausströmleitung (13) mit einem ansteuerbaren Ventil (14) und einer Förderpumpe (15) und entsprechend eine Zufuhrleitung (16) mit ebenfalls einem ansteuerbaren Ventil (17) und einer Förderpumpe (18) auf. Die beiden Ventile (14, 17) und die beiden Förderpumpen (15, 18) sind vom Temperaturregler (11) ansteuerbar. Die Ausströmleitung (13) mündet aus einem Auslaß (19) des Schmiermittelkreislaufs (10a) und führt zu einem Schmiermittelspeicher (20). Die Zufuhrleitung (16) führt umgekehrt vom Schmiermittelspeicher (20) zu einem Einlaß (21) in den Schmiermittelkreislauf (10a).
Mit der Anordnung von 2 läßt sich das Temperaturniveau im Schmiermittelkreislauf (10a) durch Regulierung der im Kreislauf (10a) befindlichen Schmiermittelmenge auf demjenigen Niveau im wesentlichen konstant halten, das sich bei Vollastbetrieb des Motors und voller Befüllung des Schmiermittelkreislaufs (10a) ergibt. Sobald sich die Motorlast ausgehend vom Vollastbetrieb auf Teil- oder Nullast verringert, steuert der Temperaturregler (11) die Ventile (14, 17) und Förderpumpen (15, 18) so an, daß die Zufuhrleitung (16) abgesperrt ist und Schmiermittel über die Ausströmleitung (13) aus dem Schmiermittelkreislauf (10a) abgezogen und in den Schmiermittelspeicher (20) geleitet wird. Da der in den Schmiermittelspeicher (20) eingeleitete Teil der gesamten Schmiermittelmenge nicht mehr zur Aufnahme von Motorreibungswärme im Schmiermittelkreislauf beiträgt, ergibt sich eine entsprechend stärkere Erwärmung der im Schmiermittelkreislauf (10a) verbliebenen Schmiermittelmenge. Durch geeignete Regulierung des Schmiermittelabzugs aus dem Schmiermittelkreislauf (10a) in Abhängigkeit von der Motorlast läßt sich folglich die Temperatur im Schmiermittelkreislauf (10a) im wesentlichen auf dem Soll-Temperaturniveau, das sich für Vollastbetrieb und maximaler Schmiermittelmenge im Schmiermittelkreislauf (10a) ergibt, konstant halten. Steigt anschließend die Motorlast wieder an, steuert der Temperaturregler (11) das Ventil (14) in der Ausströmleitung (13) in seine Schließstellung und schaltet die zugehörige Förderpumpe (15) ab, während er gleichzeitig das zuvor geschlossene Ventil (17) in der Zufuhrleitung (16) in seine geöffnete Stellung steuert und die zugehörige, zuvor abgeschaltete Förderpumpe (18) aktiviert. Dadurch wird Schmiermittel aus dem Schmiermittel speicher (20) in den Schmiermittelkreislauf (10a) zurückgespeist, wodurch sich die Schmiermittelmenge im Kreislauf (10a) wieder erhöht. Die Rückspeisung erfolgt in geregelter Weise gerade so, daß die aufgrund der ansteigenden Motorlast entstehende zusätzliche Reibungsverlustwärme die rückgespeiste Schmiermittelmenge erwärmt und folglich keinen Temperaturanstieg im Schmiermittelkreislauf (10a) verursacht. Die Schmiermitteltemperatur im Kreislauf (10a) läßt sich folglich auch bei wieder ansteigender Motorlast konstant auf dem vorgegebenen Soll-Temperaturniveau halten.
In beiden gezeigten Ausführungsbeispielen wird somit eine Temperatur-Konstantregelung der Schmiermittel innerhalb eines Schmiermittelkreislaufs eines Verbrennungsmotors erzielt, wodurch im gesamten Motorbetriebsbereich eine konstant geringe Schmiermittelviskosität gewährleistet wird, ohne daß es zu merklichen Temperaturschwankungen der Schmiermittel in Abhängigkeit von der Motorlast kommt. Es versteht sich, daß die Erfindung zum Betrieb jedweden Motors mit Schmiermittelkreislauf auch außerhalb der Fahrzeugtechnik geeignet ist.

Claims

Verfahren zur Temperaturregelung eines Schmiermittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine, einem im Schmiermittelkreislauf (1a, 10a) angeordneten Temperatursensor (3, 12), einer Regelungseinheit (2, 11), der das Ausgangssignal des Temperatursensors (3, 12) zugeführt wird, und einem im Schmiermittelkreislauf (1a) angeordneten Wärmetauscher (4), wobei; a) dem Wärmetauscher ein von der Regelungseinheit (2, 11) gesteuerter Temperierfluidkreislauf zugeordnet ist, b) ein Soll-Temperaturniveau des Schmiermittalkreislaufes unterhalb eines bei maximaler Motorlast höchstmöglichen Temperaturwertes gewählt wird, c) der Wärmetauscher (4) und der zugehörige Temperierfluidkreislauf (5) in einer Kühlkreislauffunktion zur Kühlung des Schmiermittels verwendet wird, wenn die Schmiermitteltemperatur über die Soll-Temperatur steigt, d) die dem Schmiermittelkreislauf entzogene Wärme gespeichert wird e) die gespeicherte Wärme über den nunmehr als Heizkreislauf fungierenden Temperierfluidkreislauf (5) und den Wärmetauscher (4) dem Schmiermittelkreislauf (1a) wieder zugeführt wird, sobald die Schmiermitteltemperatur unter die Soll-Temperatur absinkt.
Verfahren zur Temperaturregelung eines Schmiermittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine mit Schmiermittelkreislauf, einem im Schmiermittelkreislauf (1a, 10a) angeordneten Temperatursensor (3, 12), einer Regelungseinheit (2, 11), der das Ausgangssignal des Temperatursensors (3, 12) zugeführt wird, und einem im Schmiermittelkreislauf (1a) angeordneten Wärmetauscher (4), wobei a) mittels eines Temperaturreglers über einen im Schmiermittelkreislauf (10a) angeordneten Temperatursensor (12) die Temperatur im Schmiermittelkreislauf erfaßt wird, b) eine Ausströmleitung (13) mit einem Ventil (14) und einer Förderpumpe (15) aus einem Auslass (19) des Schmiermittelkreislaufs (10a) mündet und zu einem Schmiermittelspeicher (20) führt, c) eine Zuführleitung (16) mit einem Ventil (17) und einer Förderpumpe (18) vom Schmiermittelspeicher (20) zu einem Einlass (21) in den Schmiermittelkreislauf (10a) führt d) die beiden Ventile (14, 17) und die beiden Förderpumpen (15, 18) vom Temperaturregler (11) ansteuerbar sind, e) bei Volllast der Schmiermittelkreislauf voll befällt wird, f) bei Verringerung der Motorlast von Volllast auf Teil- oder Nulllast der Temperaturregler (11) die Ventile (14, 17) so ansteuert, dass die Zuführleitung (16) abgesperrt ist und Schmiermittel über die Ausströmleitung (13) aus dem Schmiermittelkreislauf abgezogen und in den Schmiermittelspeicher (20) geleitet wird, g) bei einem Anstieg der Motorlast der Temperaturregler (11) das Ventil (14) in der Ausströmleitung (13) in seine Schließstellung steuert und die Förderpumpe (15) abschaltet, während der Temperaturregler (11) das Ventil (17) in der Zuführleitung (16) in seine geöffnete Stellung steuert und die zugehörige Förderpumpe (18) aktiviert wird.