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Brennkraftmaschine mit Schmierölkreislauf
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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Schmierölkreislauf
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 2 617
948 als bekannt hervorgeht.
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Die bekannte Schmieröltemperierung ist vorgesehen, um auch unter ungünstigen
Bedingungen sicherzustellen, daß die Betriebstemperatur des Schmieröls überhaupt
erreicht wird. Als Wärmeübertragungsmedium zur konvektiven Wärmeübertragung vom
Abgas auf das Schmieröl ist Umgebungsluft vorgesehen, die mittels eines Gebläses
wärmeaufnehmend von einem abgasseitigen Wärmetauscher zu einem ölseitigen Wärmetauscher
gefördert wird, an dem es die aufgenommene Wärme an das öl wieder abgibt. Der Aufwand
für eine solche Wärmeausnutzung ist erheblich und steht - sofern nicht besondere
zwingende Umst. nde vorliegen - in keinem vertretbaren Verhältnis zu dem erzielbaren
Nutzen. Es werden vor allen Dingen Kosten-, Platz-und Gewichtsprobleme geschaffen.
Nur dann, wenn aufgrund besonderer
Einsatzbedingungen die Gefahr
besteht, daß die Betriebstemperatur des Schmiermittels nicht erreicht wird, erscheint
der aufgezeigte Aufwand gerechtfertigt.
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An sich wäre eine Schmierölaufheizung auch zur Abkürzung der Warmlaufphase
der Brennkraftmaschine und zur Reduzierung der Leerlaufverluste während der Warmlaufphase
wünschenswert.
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Für einen solchen Zweck wäre jedoch der geschilderte Aufwand nicht
vertretbar, weil die erzielbaren Vorteile durch die Gestehungskosten und durch das
Gewicht der für das Temperieren des Schmieröles erforderlichen Teile überkompensiert
werden. Das ständige Mitführen von Gewicht verursacht einen gewissen Kraftstoffmehrverbrauch,
der auf die Fahrzeuglebensdauer gesehen mehr ausmacht als die Kraftstoffersparnis
bei der Abkürzung der Warmlaufphase.
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Zwar ist es bekannt, zur Schmieröltemperierung dieses durch mehrere
im Bereich des Abgaskanales innerhalb des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine
angeordnete enge Bohrungen hindurchzufördern und so einen unmittelbaren Wärmeübergang
vom Abgas auf das Schmieröl zu bewerkstelligen (vgl. DE-AS B 21 151 Ia/46c1 vom
19.11.53). Ein solcher unmittelbarer Wärmeübergang wirft jedoch Probleme der Regulierung
bzw.
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der Verkokung der ölkanäle im Bereich des Wärmeaustausches während
derjenigen - zeitlich überwiegenden - Betriebsphasen auf, in denen wegen Erreichens
der Betriebstemperatur eine Schmieröltemperierung entbehrlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die zugrunde gelegte Brennkraftmaschine
mit Schmieröltemperierung dahingehend zu verbessern, daß die Kosten und das Gewicht
der dafür erforderlichen
Teile möglichst gering sind und daß im
übrigen nicht die Gefahr einer ölüberheizung oder ölverkokung besteht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Die für diesen Anwendungszweck vorgeschlagenen Wärmerohre
sind an sich bekannt.
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Hierunter soll ein evakuierter hermetisch dicht verschlossener aus
gut wärmeleitendem Material, z. B. aus Kupfer oder Aluminium gebildeter Hohlraum
vorzugsweise in Rohr-oder Plattenform verstanden sein, der mit einem verdampfbaren
und kondensierbaren Wärmeträgermedium zu einem Bruchteil gefüllt und im übrigen
evakuiert oder mit einem Inertgas aufgefüllt ist. Das Wärmerohr ist im Innern teilweise
mit einer Kapillarstruktur zum Rücktransport des kondensierten Wärmeträgermediums
von der wärmeabgebenden zur wärmeaufnehmenden Stelle versehen; dies kann z. B. in
Form einer Auskleidung des Rohres mit einem Siebgewebe oder durch eine Rillenstruktur
der inneren Oberfläche des Wärmerohres geschehen. Die Auswahl des Wärmeträgermediums
richtet sich nach dem Temperaturniveau, bei dem Wärme übertragen werden soll. Als
Füllung sind für die vorliegenden Zwecke bei spielsweise Kältemittel wie Ammoniak-,
Freon, Aceton oder ein Gemisch aus Alkohol mit mehr oder weniger Wasser geeignet.
An der heißen Stelle des Wärmerohres, an der Wärmeenergie zugeführt wird, verdampft
das eingegebene Medium und breitet sich rasch im Innern des Wärmerohres aus. An
wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres schlägt sich das verdampfte Medium nieder
und kondensiert unter Abgabe seiner Wärme an die Wandung des Wärmerohres. Das Kondensat
kriecht durch Kapillarwirkung zu den Wärmezufuhrstellen des Wärmerohres zurück.
Die an der Kondensatseite vom
Medium an die Wandung des Wärme rohres
abgegebene Wärmemenge wird auf der Außenseite durch Strahlung, durch Konvektion
oder durch Wärmeleitung abgeführt. Da an den wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden
Stellen des Wärmerohres eine Zustandsänderung des Wärmeträgermediums stattfindet,
wird im wesentlichen die für die Zustandsänderung erforderliche Umwandlungsenergie
in Wärmeform übertragen. Da die Umwandlungsenergien bezogen auf die Masse des Wärmeträgermediums
wesentlich größer sind als die durch Aufheizung eines Mediums speicherbaren Energiemengen,
kann durch den Transport relativ kleiner Mengen an Wärmeträgermedium eine große
Wärmemenge auch über größere Entfernungen hinweg übertragen werden. Durch Aufprägen
eines bestimmten Druckes auf das Innere des Wärme rohres kann im übrigen auch dafür
gesorgt werden, daß die Wärmeübertragung nur bis zu einer ganz bestimmten Temperatur
stattfindet. Durch eine geeignete Auswahl des Siedepunktes des Wärmeträgermediums
und des Wärmerohrdruckes kann beispielsweise sichergestellt werden, daß oberhalb
der Betriebstemperatur des Schmieröles das Wärmeträgermedium vollständig verdampft
ist und somit der für eine Wärmeübertragung erforderliche Kreislauf zwischen dampfförmiger
und flüssiger Phase unterbrochen ist; eine weitere Schmierölaufheizung ist dann
selbsttätig abgestopt.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung können
der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
entnommen werden; dabei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer
Brennkraftmaschine mit einer Schmieröltemperierung nach der Erfindung u n d Fig.
2 eine Vorderansicht der Brennkraftmaschine nach Fig. 1.
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Die in den Figuren dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist u. a. eine
ölwanne 2 mit einem ölsumpf 3, eine ölpumpe 4 mit einem ölvorlauf 5 und einem ölrücklauf
6 sowie eine Abgasleitung 7 auf. Parallel zu der Abgas leitung verläuft eine durch
eine Steuerklappe 9 zu- bzw. abschaltbare Bypaßleitung 8,-die weiter hinten wieder
in die normale Abgasleitung 7 einmündet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist im Bereich des blsumpfes ein Temperaturfühler 1o vorgesehen, der auf ein Stellglied
11 der Steuerklappe einwirkt, was durch die strichlierte Linie angedeutet sein soll.
Die Zusammenwirkung von Temperaturfühler und Steuerklappe ist dergestalt, daß bei
kaltem Schmieröl die Steuerklappe in die in vollen Linien dargestellte Schwenklage
verbracht wird, in der die Bypaßleitung geöffnet ist. Bei Erreichen der Betriebs
temperatur des Schmieröles wird die strichpunktiert dargestellte die Bypaßleitung
verschließende Schwenklage der Steuerklappe eingeschwenkt. Zwischen dem ölsumpf
und der Bypaßleitung erstreckt sich ein Wärmerohr 12, welches der- Schmierölanwärmung
durch Ausnutzung der Abgaswärme dient. Mit seinem wärme aufnehmenden durch Rippen
in der Oberfläche erweiterten Teil 14 erstreckt sich das Wärmerohr in eine Erweiterung
der Bypaßleitung. Der wärmeabgebende Teil 15 des Wärmerohres steckt im ölsumpf 3
der
Brennkraftmaschine. Der dazwischenliegende Abschnitt des Wärmerohres
12 ist gegen Wärmeverluste -mit einer Wärmeisolierung 17 versehen. Zur Begünstigung
des Kondensatrückflusses in den wärmeaufnehmenden Teil 14 ist dieser in der in den
Figuren gezeigten betriebsbereiten Einbaulage der Brennkraftmaschine - vgl. die
Relativlage zur Schwerkraftrichtung 16 - tiefer angeordnet als der wärmeabgebende
Teil 15.
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Das sich durch Schwerkrafteinfluß und durch Kapillarwirkung im wärmeaufnehmenden
Teil 14 des Wärmerohres 12 sammelnde Kondensat wird aufgrund der Abgaswärme verdampft;
in diesem Zustand gelangt das Wärmeträgermedium in den wärmeabgebenden Teil innerhalb
des blsumpfes, wo es aufgrund von Wärmeentzug kondensiert und dadurch das Schmieröl
aufheizt. Solange noch ein Wärmegefälle zur Kondensation von verdampftem Wärmeträgermedium
ölseitig vorhanden ist, findet eine ölaufheizung statt. Da nach einem Kaltstart
der Brennkraftmaschine Abgaswärme sehr rasch zur Verfügung steht, kann diese Wärmequelle
zur Beschleunigung der Warmlaufphase ausgenützt werden. Wegen der Zirkulation des
Schmieröls in der gesamten Brennkraftmaschine wird die rückgewonnene Wärme rasch
auf die gesamte Brennkraftmaschine verteilt, so daß auch das Kühlwasser der Brennkraftmaschine
dadurch rascher seine Betriebstemperatur erreicht. Aufgrund der Verkürzung der Warmlaufphase
werden die Emissionsmengen an Abgasschadstoffen und der in der Warmlaufphase unvermeidliche
Mehrverbrauch an Kraftstoff reduziert. Eine Kraftstoffeinsparung ergibt sich aber
auch dadurch, daß die Reibverluste der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase
nicht nur an sich verbessert sondern - soweit ungünstige Clviskositäten unvermeidbar
sind - in ihrem zeitlichen Einfluß abgekürzt
wird. Sobald das
Schmieröl seine Betriebstemperatur erreicht hat, geht das für eine Kondensation
des Wärmeträgermediums erforderliche Temperaturgefälle zwischen der Innen- und der
Außenseite des Wärmerohres verloren. Das Wärmeträgermedium liegt dann vollständig
in der Dampfphase vor; der Kreislauf zwischen der Dampfphase und der flüssigen Phase
ist unterbrochen und eine Wärmeübertragung nicht oder nur noch in einem vernachlässigbaren
Ausmaß möglich. Um das Wärmerohr wärmeaufnahmeseitig vor einer Oberhitzung zu schützen,
ist der mittels der Steuerklappe 9 schaltbare Bypaß 8 vorgesehen, so daß eine Abgasbeaufschlagung
des wärmeaufnehmenden Teiles abschaltbar ist.
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Zur Stabilisi.erung der Schmieröltemperatur nach oben weist das dargestellte
Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine auch noch weitere Wärmerohre 13 auf,
deren wärmeaufnehmender Teil sich innerhalb des ölsumpfes erstreckt und deren wärmeabgebender
Teil von Umgebungsluft beaufschlagbar ist. Überhitzungn des Schmieröles können insbesondere
bei hochgezüchteten Brennkraftmaschinen mit hoher Literleistung während des Betriebes
bei voller Last auftreten. Für derartige Zwekke sind die kühlend wirksamen Wärmerohre
13 vorgesehen.
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