DE202007001989U1

DE202007001989U1 - Schmierölkreislauf einer Brennkraftmaschine und Ölmodul dafür

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Publication number: DE202007001989U1
Application number: DE200720001989
Authority: DE
Original assignee: Ing Walter Hengst GmbH and Co KG
Current assignee: Hengst SE and Co KG
Priority date: 2007-02-10
Filing date: 2007-02-10
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2017-02-11

Abstract

Schmierölkreislauf einer Brennkraftmaschine,
mit einem Ölsumpf,
einer Ölpumpe,
und im Öl-Hauptstrom angeordneten Komponenten,
sowie mit Abzweigen, die als Öl-Nebenstrom vom Öl-Hauptstrom zu im Öl-Nebenstrom angeordneten Komponenten führen,
wobei im Öl-Hauptstrom ein Ölfilter und im Öl-Nebenstrom eine Öl-Zentrifuge vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abzweig vom Öl-Hauptstrom in den zur Öl-Zentrifuge (9) führenden Öl-Nebenstrom in Strömungsrichtung des Öls vor den im Öl-Hauptstrom angeordneten Komponenten und vor anderen Abzweigen zu anderen Öl-Nebenströmen angeordnet ist.

Description

Die Neuerung betrifft einen Schmierölkreislauf einer Brennkraftmaschine.
Aus der Praxis ist es bekannt, dass der Schmierölkreislauf einer Brennkraftmaschine beispielsweise im Automobilmotorenbau durch eine Ölpumpe versorgt wird, wobei die Ölpumpe das Öl aus einem Ölsumpf ansaugt und im Hauptstrom zu verschiedenen Komponenten wie z. B. zu einem Ölkühler oder zu einem Ölfilter und dann zu den einzelnen Schmierstellen fördert. Hierzu sind entsprechende Hauptkanäle in verschiedenen Bauteilen der Brennkraftmaschine bzw. angeschlossene Aggregate vorgesehen.
Weiterhin ist es bekannt, aus dem Öl-Hauptkanal Abzweige zu verschiedenen Öl-Nebenkanälen vorzusehen, so dass im Nebenstrom weitere Komponenten angeströmt oder durchströmt werden können. Beispielsweise kann ein Öldrucksensor in einem Öl-Nebenkanal vorgesehen sein, oder es kann eine Ölzentrifuge vorgesehen sein, so dass eine zusätzliche Reinigung des Öls mittels dieser Zentrifuge im Nebenstrom erfolgt. Dabei ist die Zentrifuge üblicherweise derart angeschlossen, dass sie lediglich bei einem bestimmten Mindestöldruck mit Öl versorgt wird, so dass bei Unterschreitung dieses Mindestöldruckes sichergestellt ist, dass sämtliches von der Ölpumpe gefördertes Öl im Hauptstrom verbleibt und zu den Schmierstellen gelangt.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Schmierölkreislauf dahingehend zu verbessern, dass die Brennkraftmaschine möglichst ökologisch und ökonomisch betrieben werden kann.
Weiterhin liegt der Neuerung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend ausgestaltetes Ölmodul oder Ölpumpenmodul anzugeben, welches einen derartigen Betrieb einer Brennkraftmaschine ermöglicht, mit welcher es verbunden ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Schmierölkreislauf mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch ein Ölpumpenmodul mit den Merkmalen des Anspruches 4, und durch ein Ölmodul mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.
Die Neuerung schlägt mit anderen Worten vor, anders als bei den bisher bekannten technischen Lösungen die Nebenstromabzweigung, die zur Zentrifuge führt, im Ölhauptstrom insofern unmittelbar stromabwärts von der Ölpumpe vorzusehen, als sie vor den im Öl-Hauptstrom angeordneten Komponenten und vor anderen Abzweigen zu anderen Öl-Nebenströmen angeordnet ist. Dadurch kann auf einfache Weise ermöglicht werden, der Zentrifuge im Überschuss Öl zuzuführen, beispielsweise Öl, welches noch nicht durch ein aus der Praxis bekanntes, den maximalen Öldruck begrenzendes Absteuerventil in den Ölsumpf zurückgeführt ist.
Vorteilhaft kann die Zentrifuge parallel zum Absteuerventil vom Ölhauptstrom abgezweigt werden. Wenn die Zentrifuge und ihr Öl-Nebenkanal stromaufwärts von dem in einem eigenen Öl-Nebenkanal angeordneten Absteuerventil vom Öl-Hauptkanal abzweigt, also in Strömungsrichtung des Öls vor dem Absteuerventil, kann die Zentrifuge nämlich vorteilhaft geschont werden: da die Zentrifuge nicht in ein- und demselben Öl-Nebenkanal dem Absteuerventil vorgeschaltet ist, wird nicht sämtliches überschüssiges Öl, welches durch das Absteuerventil in den Ölsumpf zurückfließt, zuvor auch durch die Zentrifuge geführt.
Vorteilhaft ist in dem Ölnebenstrom, in dem die Zentrifuge vorgesehen ist, vor der Ölzentrifuge eine Druckbegrenzungseinheit vorgesehen, beispielsweise ein Druckbegrenzungsventil oder eine Drossel, so dass die Ölpumpenleistung der Ölpumpe um den Betrag des Verbrauchers „Zentrifuge" reduziert werden kann. Somit kann die Schmierölpumpe hinsichtlich Leistung und Größe wirtschaftlicher hergestellt werden. Auch die Leistung der Brennkraftmaschine selbst kann anderen Verbrauchern zugeführt werden bzw. wird der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert, da weniger Leistung der Brennkraftmaschine für den Betrieb der Zentrifuge aufgewendet werden muss.
Insbesondere wenn die Zentrifuge hinter einem Druckbegrenzungsventil angeordnet ist, ist die Absteuermenge des Öls am Druckbegrenzungsventil deutlich größer als die Abgabemenge an einem Mindestdruckventil, was in an sich bekannter Weise vor der Zentrifuge angeordnet sein kann, wenn deren Nebenstrom hinter dem Ölfilter aus dem Ölhauptstrom abgezweigt ist. Dieser zusätzliche, nun verfügbare Volumenstrom kann als zusätzliche Antriebsleistung für die Zentrifuge genutzt werden, so dass die Zentrifuge eine höhere Drehzahl erreichen kann und damit eine verbesserte Filterleistung erbringen kann.
Vorteilhaft kann ein relevanter Teil des vorschlagsgemäßen Schmierölkreislaufs zu einem so genannten Ölpumpenmodul zusammengefasst sein, welches die Ölpumpe und die Öl-Zentrifuge enthält. Die Zusammenfassung der Ölpumpe und der Öl-Zentrifuge zu einem Modul ermöglicht eine optimale Abstimmung dieser beiden Bauteile aufeinander.
Ein derartiges Ölpumpenmodul kann an weitere Kanäle und Komponenten des Schmierölkreislaufs angeschlossen werden, oder vorzugsweise an ein weiteres Modul angeschlossen werden, welches die weiteren Kanäle und Komponenten des Schmierölkreislaufs enthält. So kann mit wenigen Bauteilen, dementsprechend wenigen separaten Verbindungsrohrleitungen oder Verbindungsschlauchleitungen und dementsprechend wenigen potentiellen Leckagestellen, sowie mit möglichst kleinen baulichen Abmessungen und geringem Platzbedarf ein möglichst großer Anteil von Komponenten des Schmierölkreislaufs zusammengefasst werden.
Alternativ kann die Systemgrenze des Schmierölkreislaufs auch anders gezogen werden, indem ausgehend von dem vorbeschriebenen Modulaufbau ein Ölmodul geschaffen wird, welches die Öl-Zentrifuge einschließt und an eine separate Ölpumpe anschließbar ist, so dass vorteilhaft eine handelsübliche, unveränderte Ölpumpe verwendet werden kann, die lediglich an ein vorschlagsgemäß ausgestaltetes Ölmodul angeschlossen wird.
Ausführungsbeispiele der Neuerung werden nachfolgend anhand der rein schematischen Darstellungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schmierölkreislaufes in Art eines Blockschaltbildes,
2 in einer Darstellung ähnlich der 1 ein zweites Ausführungsbeispiel, mit gegenüber 1 unterschiedlichen Systemgrenzen, und
3 in einer Darstellung ähnlich den 1 und 2 einen Schmierölkreislauf nach dem Stand der Technik.
3 zeigt einen Schmierölkreislauf eines Fahrzeug-Verbrennungsmotors. Dabei ist eine Ölpumpe 1 vorgesehen, welche das Öl aus einer schematisch angedeuteten Ölwanne W ansaugt. In der Ölwanne W befindet sich der Ölsumpf S. Das Öl gelangt aus der Ölwanne W in die Ölpumpe 1, von welcher es durch einen Öl-Hauptkanal H zu den einzelnen, bei 14 angedeuteten Schmierstellen gefördert wird. Da die geförderte Ölmenge mit der Drehzahl des Motors ansteigt, ist ein Öldruckregelventil 2 vorgesehen, welches durch zu hohen Öldruck resultierende Schäden verhindert. Mittels dieses Öldruckregelventils 2 wird beispielsweise ein Öldruck von etwa 5 bar in dem Öl-Hauptkanal H eingestellt. Das überschüssige Öl gelangt drucklos zurück in die Ölwanne W. Zusätzlich ist aus Sicherheitsgründen ein Absteuerventil 3 vorgesehen, welches beispielsweise bei einem Öldruck von 10 bar anspricht, öffnet, und den dann überschüssigen Ölanteil in die Ölwanne W drucklos abfließen lässt.
Von der Ölpumpe 1 gelangt das Öl zunächst durch ein Rücklaufsperrventil 4, welches verhindert, dass bei Motorstillstand die Ölkanäle des Motors leer laufen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nach einem erneuten Motorstart eine möglichst schnelle Versorgung sämtlicher Schmierstellen ermöglicht wird.
Hinter dem Rücklaufsperrventil 4 ist ein Ölkühler 5 vorgesehen, der beispielsweise über Kühlluft oder über die Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors das Öl auf dessen Betriebstemperatur abkühlt. Zusätzlich ist im Bereich dieses Ölkühlers ein Ölkühlerumgehungsventil 6 vorgesehen, um bei hochviskosem Öl, wie beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen, die Ölversorgung des Motors zu gewährleisten.
Hinter dem Ölkühler 5 ist ein Ölfilter 10 im Öl-Hauptkanal H vorgesehen und vor diesem Ölfilter 10 zweigt ein Öl-Nebenkanal N von dem Öl-Hauptkanal H ab und führt zu einer Zentrifuge 9, der ein Mindestdruckventil 7 im Öl-Nebenkanal N vorgeschaltet ist. Dieses Mindestdruckventil 7 stellt sicher, dass die Zentrifuge 9 nur dann betrieben wird, wenn im Öl-Hauptkanal H ein ausreichender Motorenöldruck herrscht. Eine Druckbegrenzungseinheit 8 stellt zudem in dem Öl-Nebenkanal N, zwischen dem Mindestdruckventil 7 und der Zentrifuge 9 angeordnet, sicher, dass die Zentrifuge vor einer Überdrehzahl geschützt ist und damit vor einer möglichen Zerstörung.
Das Schmieröl tritt aus der Zentrifuge drucklos aus und gelangt in die Ölwanne W, dort in den Ölsumpf S. Im Ölfilter 10 wird das Öl von Schmutzpartikeln in an sich bekannter Weise gereinigt. Um bei hochviskosem Öl oder auch bei einem verstopften Filter eine Mindestversorgung der Schmierstellen 14 mit Schmieröl zu gewährleisten, ist ein Ölfilterumgehungsventil 11 in einer Bypassleitung vorgesehen.
Um bei einem Filterservice das im Gehäuse des Ölfilters 10 verbleibende Öl ablaufen zu lassen, ist ein Ablasssystem 12 im Gehäuse des Ölfilters 10 vorgesehen. Dieses Ablasssystem 12 umfasst ein Ventil, welches beim Öffnen beispielsweise eines Gehäusedeckels des Ölfilters 10 öffnet und das Öl aus dem Gehäuse des Ölfilters 10 drucklos in die Ölwanne W ablaufen lässt.
Ein weiterer Öl-Nebenkanal N ist vorgesehen, um eine Messstelle 13 mit Öl zu beschicken, so dass an der Messstelle 13 beispielsweise der Öldruck und die Öltemperatur gemessen werden können.
In Strömungsrichtung des Öls hinter der Messstelle 13 sind an den Ölhauptkanal H die Schmierstellen 14 angeschlossen, die nun mit dem erforderlichen Schmieröl versorgt werden.
1 zeigt ein ähnliches Schaubild eines Schmierölkreislaufs, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen wie in 3 versehen sind.
in Abwandlung der 3 ist bei dem Schmierölkreislauf nach 1 vorgesehen, dass die Zentrifuge 9 möglichst nahe hinter der Ölpumpe 1 vorgesehen ist, und zwar in einem Öl-Nebenkanal N, in dem auch das Öldruckregelventil 2 vorgesehen ist.
Bei dieser Anordnung geht der vorliegende Vorschlag davon aus, dass die Fördermengenauslegung der Ölpumpe 1 vom Schmierölversorgungsbedarf des Verbrennungsmotors sowohl hinsichtlich Ölmenge als auch hinsichtlich Öldruck bestimmt wird. Für die Auslegung der Ölpumpen-Fördermenge ist üblicherweise der sogenannte Heißleerlauf relevant, bei dem eine Öltemperatur von beispielsweise 135°C angenommen wird und bei dem für eine betriebssichere Ölversorgung des Verbrennungsmotors ein Mindestöldruck von etwa 1,2 bar gewährleistet sein muss. Mit steigender Motordrehzahl ist dann ein zunehmender Betriebsdruck des Öls erforderlich, um den Ölstrom gegen entgegengerichtete Kräfte fördern zu können, beispielsweise gegen Kurbeltriebsfliehkräfte, und um einen öldruckabhängigen Motordurchsatz, insbesondere auch die Reibungswärme der Lager des Kurbeltriebs abführen zu können.
Der Öldruckbedarf des Motors beträgt im Leerlauf 1,2 bar und steigt etwa linear mit zunehmender Drehzahl auf etwa 5,1 bar bei einer Motorendrehzahl von 2.300, bei einem beispielhaft herangezogenen handelsüblichen Motor. Die Ölfördermenge einer Ölpumpe, beispielsweise einer praxisüblichen Außenzahnradölpumpe, nimmt proportional mit ihrer Drehzahl zu. Der Motoröldurchsatz wird im Gegensatz dazu jedoch vom nahezu drehzahlabhängigen Motordurchflusswiderstand bestimmt. Er ist öldruckproportional und hängt im wesentlichen von der Betriebstemperatur ab, wobei die Ölviskosität ebenso maßgeblich ist wie die temperaturabhängig unterschiedlichen Lagerspiele des Verbrennungsmotors.
Daher ergibt sich eine Situation, bei der beispielsweise von einer Schmierölversorgung mittels einer Außenzahnradölpumpe mit Bypass-Regelung ausgegangen wird. Bei dem vorerwähnten Heißleerlauf mit einer Drehzahl von 601/min und einer Öltemperatur von 135°C sowie einem Öldruck von 1,2 bar, nimmt der bei zunehmender Drehzahl mit der Ölfördermenge der Ölpumpe ansteigende Öldruck zunächst drehzahlproportional zu, um dann bei einer beispielhaft angenommenen Öltemperatur von 100°C und einer Motordrehzahl von 2.301/min mit einer Ölfördermenge von 50 l/min. einen Abregeldruck von 5,1 bar zu erreichen, bei welchem das Öldruckregelventil 2 ansprechen würde. Während nun bei weiterer Zunahme der Motordrehzahl der Durchsatz an Motoröl druckbedingt konstant bei 50 l/min verbleibt, wird der darüber hinaus weiter ansteigende Öldurchsatz durch die Ölpumpe 1 über das geöffnete Öldruckregelventil 2 in die Ölwanne W abgeleitet. Aufgrund der großen Temperaturabhängigkeit des Motoröldurchsatzes reduziert sich bei der Öldruckbegrenzung auf 5,1 bar der Motoröl-Durchsatz bei einer Öltemperatur von 70°C auf 45 l/min, und bei 30°C auf etwa 34 l/min.
Dementsprechend ändert sich der Fördermengenüberschuss am Bypassventil der Ölpumpe: Beispielsweise ergibt sich bei einer Motorendrehzahl von 2301/min und einer Öltemperatur von 100°C eine Abregelmenge von 60 l/min und bei einer Öltemperatur von 30°C eine Abregelmenge von 76 l/min.
Durch die Anordnung der Zentrifuge 9 hinter dem Druckregelventil 2 besteht die Möglichkeit, das Mindestdruckventil 7, wie es beim Stand der Technik gemäß 3 vorgesehen ist, entfallen zu lassen, so dass der Schmierölkreislauf kostengünstiger ausgestaltet werden kann. Die Versorgung der Zentrifuge 9 findet nur durch die Absteuermenge des Druckregelventils 2 statt. Dementsprechend wird die Zentrifuge 9 nur betrieben, wenn ein ausreichender Öldruck im Schmierölkreislauf vorhanden ist.
Durch den Antrieb und die Versorgung der Zentrifuge 9 mit dem durch das Öldruckregelventil 2 abgesteuerten Schmieröl aus der Druckbegrenzungseinheit 8, kann die erforderliche Pumpenleistung der Ölpumpe 1 um den Betrag reduziert werden, der ansonsten auf den Verbraucher „Zentrifuge" 9 entfallen würde. Somit kann die Ölpumpe 1 hinsichtlich ihrer erforderlichen Leistung und auch hinsichtlich ihrer baulichen Größe an die neuen Randbedingungen angepasst werden und insgesamt kleiner und preisgünstiger ausgestaltet werden. Die von dem Verbrennungsmotor an die Antriebsorgane abgegebene Leistung wird sich um den Betrag erhöhen, um den die Antriebsleistung der Ölpumpe reduziert wird, bzw. wird sich dementsprechend der Kraftstoffverbrauch des Motors reduzieren.
Die Absteuermenge an der Druckbegrenzungseinheit 8 ist deutlich größer als die Abgabemenge am Mindestdruckventil 7 eines herkömmlichen Schmierölkreislaufes, beispielsweise gemäß 3. Dieser zusätzliche Volumenstrom kann dementsprechend für eine Erhöhung der Antriebsleistung der Zentrifuge 9 genutzt werden, so dass diese eine größere Drehzahl erreichen und eine verbesserte Filterleistung erbringen kann.
2 zeigt bei einem Schmierölkreislauf, wie er der 1 entspricht, dass durch die Verlagerung der Zentrifuge 9 näher an die Ölpumpe 1 neue Systemgrenzen geschaffen werden können: So ist beispielsweise eine strichpunktierte erste Systemgrenze, als „Systemgrenze 1" gekennzeichnet, um den Bereich der Ölpumpe 1 herum vorgesehen, wo zu einem gemeinsamen Modul die Ölpumpe 1 und die Zentrifuge 9 samt dem vorgeschalteten Öldruckregelventil 2 und der Druckbegrenzungseinheit 8 zusammengefaßt sind. Die Komponenten innerhalb dieser Systemgrenze 1 können demzufolge baulich zu einem gemeinsam handhabbaren Bauelement bzw. Modul zusammengefasst werden, wobei dieses Modul als Ölpumpenmodul bezeichnet werden kann und ein Gehäuse umfasst, in dem die einzelnen Komponenten angeordnet sind, so dass zwischen diesen einzelnen Komponenten des Ölpumpenmoduls keine Verrohrungen, Verschlauchungen od. dgl. erforderlich sind, sondern vielmehr innerhalb des Modulgehäuses verlaufende Kanäle vorgesehen sind, welche die einzelnen Komponenten miteinander verbinden, so dass die Montage eines derartigen Moduls am Verbrennungsmotor durch die Reduzierung erforderlicher Schnittstellen vereinfacht wird und gleichermaßen auch mögliche Leckagestellen durch den Entfall von Verbindungsleitungen in Form von Schlauchleitungen oder Rohrleitungen, die jeweils separat an verschiedenen Komponenten anschließen würden, verbessert wird.
Ein zweites Modul ist im Rahmen der ebenfalls strichpunktierten „Systemgrenze 2" angedeutet, wobei es sich hierbei um ein so genanntes Ölmodul handelt, welches verschiedene Komponenten rund um den Ölfilter 10 in einem gemeinsamen Gehäuse zusammenfasst, ebenfalls mit den vorerwähnten Vorteilen, die ein derartiges Modul bietet.
Abweichend von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können auch die Komponenten des Ölpumpenmoduls, bis auf die Ölpumpe 1 selbst, in ein erweitertes Ölmodul integriert werden, so dass ein derartiges Modul vorgefertigt werden könnte und lediglich an die Ölpumpe 1 angeschlossen werden müsste.

Claims

Schmierölkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Ölsumpf, einer Ölpumpe, und im Öl-Hauptstrom angeordneten Komponenten, sowie mit Abzweigen, die als Öl-Nebenstrom vom Öl-Hauptstrom zu im Öl-Nebenstrom angeordneten Komponenten führen, wobei im Öl-Hauptstrom ein Ölfilter und im Öl-Nebenstrom eine Öl-Zentrifuge vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzweig vom Öl-Hauptstrom in den zur Öl-Zentrifuge (9) führenden Öl-Nebenstrom in Strömungsrichtung des Öls vor den im Öl-Hauptstrom angeordneten Komponenten und vor anderen Abzweigen zu anderen Öl-Nebenströmen angeordnet ist.
Schmierölkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Abzweig für ein den Öldruck begrenzendes Absteuerventil (3) vorgesehen ist.
Schmierölkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Öl-Nebenstrom stromaufwärts vor der Öl-Zentrifuge (9) eine Druckbegrenzungseinheit (8) angeordnet ist.
Ölpumpenmodul einer Brennkraftmaschine, mit einer Ölpumpe (1), und einer Öl-Zentrifuge (9), die an einen Öl-Nebenkanal (N) angeschlossen ist, wobei der Abzweig von einem Öl-Hauptkanal (H) in den zur Zentrifuge (9) führenden Öl-Nebenkanal (N) stromaufwärts vor im Öl-Hauptstrom angeordneten Komponenten und vor anderen Abzweigen zu anderen Öl-Nebenströmen angeordnet ist.
Ölpumpenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Öl-Nebenkanal (N) stromaufwärts vor der Öl-Zentrifuge (9) eine Druckbegrenzungseinheit angeordnet ist.
Ölmodul einer Brennkraftmaschine, mit einem an einen Öl-Hauptkanal (H) angeschlossenen Ölfilter (10), und einer Öl-Zentrifuge (9), die an einen Öl-Nebenkanal (N) angeschlossen ist, wobei der Abzweig vom Öl-Hauptkanal (H) in den zur Zentrifuge (9) führenden Öl-Nebenkanal (N) stromaufwärts vor im Öl-Hauptstrom angeordneten Komponenten und vor anderen Abzweigen zu anderen Öl-Nebenströmen angeordnet ist.
Ölmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Öl-Nebenkanal (N) stromaufwärts vor der Öl-Zentrifuge (9) eine Druckbegrenzungseinheit (8) angeordnet ist.