DE3638437A1 - Kuehl- und schmierkreislauf einer oelgekuehlten brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Bezüglich der Anordnung des Ölkreislaufes ölgekühlter Brenn­ kraftmaschinen ist der Stand der Technik durch folgende Anmeldungen ermittelt.

Es ist die DE-OS 35 09 095 bekannt, die den Schmierölkreis­ lauf vom Kühlölkreislauf abzweigt. Es ist die DE-PS 6 48 930 bekannt, die getrennte Kreisläufe für Schmierung und Kühlung vorsieht unter Vermeidung einer gemeinsamen Ölwanne. Die erste Anmeldung strebt ein hohes Temperaturniveau des Schmieröls, letztere ein solches für das Kühlöl an.

Es ist außerdem die DE-PS 6 58 055 sowie die DE-OS 26 49 562 bekannt. Diese Anmeldungen schlagen vor, den Kühlkreislauf vom Schmierkreislauf abzuzweigen und das Öl bis zu diesem Abzweig für beide Kreisläufe gemeinsam zu fördern. Zur Trennung der Druckniveaus beider Kreisläufe soll ein Über­ druckventil angebracht werden.

Außer der genannten DE-PS 6 48 930 die eine völlige Tren­ nung beider Ölkreisläufe anstrebt, sehen die übrigen Anmel­ dungen auch über die gemeinsame Ölwanne hinaus gemeinsame Strecken der Ölführung für den Schmier- und Kühlölkreislauf vor.

Bezüglich der weiteren Führung des Öls über Wärmetauscher liegen folgende Anregungen vor:

Es ist bekannt (z. B. DE-OS 26 49 562, auch GB 1 94 907), das Kühlöl gesteuert von einem Überdruckventil entweder über einen Wärmetauscher oder über einen Bypass direkt zur Ölwanne zurückzuführen. DE-OS 35 09 095 schlägt vor, das Kühlöl gesteuert von einem Thermostatventil über Bypass oder Wärmetauscher zu leiten wobei ein zweiter Wärmetau­ scher zur Beheizung des Fahrgastraumes hinter oder vor diesem Thermostatventil angebracht sein kann.

In einem Kreislaufsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 nimmt das Öl je nach seinem Aufenthaltsort in diesem System verschiedene Aufgaben und Funktionen wahr. Es dient als Schmieröl für die Reibflächen bewegter Teile, es nimmt Küh­ lungsfunktionen für die erwärmten Teile der Brennkraftma­ schine an, das Öl gibt Wärme ab über die vorgesehenen Wär­ metauscher entweder an die atmosphärische Umgebungsluft oder an die Fahrgastkabine, das Öl mischt sich in der gemeinsamen Ölwanne und gleicht die verschiedenen Tempera­ turniveaus von Schmier- und Kühlöl aus.

Die optimale Steuerung des Ölflusses ist erreicht, wenn die Funktions- und Aufgabenwechsel des Öles in Zusammenhang mit den Bedürfnissen der Brennkraftmaschine reguliert sind. Die wesentlichen Bestimmungen dafür sind in den Ölwegen fest­ gelegt.

Die Anmeldung strebt eine möglichst einfache und betriebs­ sichere Anordnung des Ölkreislaufes von ölgekühlten Brenn­ kraftmaschinen mit gemeinsamem Ölsammelbehälter an, wobei das Öl entsprechend seiner jeweiligen Funktion im Kreislauf als Schmier- oder Kühlöl oder als zu kühlendes Öl den Be­ dürfnissen der Brennkraftmaschine optimal angepaßt ist und eine optimale Nutzung der Abwärme in Abstimmung mit den Anforderungen der Brennkraftmaschine erbringt.

Die Identität von Kühl- und Schmiermedium in Form des Öls ermöglicht den Wegfall eines eigenen Kühlmediums, etwa das des Wassers. Es ist jedoch unter dem Aspekt möglichst einfacher betriebssicherer und kostensparender Anordnungen zu empfehlen beide Kreisläufe außerhalb des Ölsammelbehäl­ ters zu trennen und keine gemeinsamen Ölwege vorzusehen.

Der Schmierkreislauf verlangt höheren Druck für das umlau­ fende Öl, als dies für den Kühlkreislauf notwendig ist. Der Schmierkreislauf verlangt zusätzlich, um Abriebpartikel im Öl zu vermeiden, eine Filtrierung seines Öls, während das Öl des Kühlkreislaufes, insoweit es nicht mit Reibflächen bewegter Teile der Brennkraftmaschine in Berührung steht, ungefiltert oder nur über ein Grobfilter im Ansaug geleitet durch die Kühlräume geschickt werden kann. Es ist deshalb vorteilhaft, die Schmierung und Kühlung auf vollkommen getrennten Wegen durchzuführen, wobei es sinnvoll ist, eine gemeinsame Ölwanne vorzusehen damit unter gegebenen Umstän­ den die gesamte Wärmekapazität des Öles dem Wärmetauscher für die Kabinenheizung zur Verfügung steht.

Vorschläge, die nun entgegen diesen Feststellungen eine gemeinsame Fördermöglichkeit für das Kühl- und Schmieröl vorschlagen, sind in sich widersprüchlich, wenn sie alsbald den zusammengelegten Kreislauf von Kühlöl und Schmieröl doch wieder zu trennen beabsichtigen. DE-OS 26 49 562 z.B. benutzt ein kompliziertes Filter, um nach dem Durchgang des Öles durch das Filter gefiltertes und ungefiltertes Öl zu erhalten. Die Filtrierung des gesamten Öles würde den Gegen­ druck gegen die fördernde Pumpe erhöhen.

Das in Gefolge der Konstruktion gemeinsamer Ölwege notwen­ dige Überdruckventil, das den Öldruck des Schmierkreislaufes und die Durchsatzmenge des Kühlöls regulieren soll, emp­ fiehlt sich nicht als Regelteil zur Abstimmung so zentraler Funktionsmechanismen, wie dies der Kühl- und Schmierkreis­ lauf einer Brennkraftmaschine darstellt. Es ist nicht möglich, im Schmier- und Kühlkreislauf auf diese Weise aus­ geglichenen Druck und Durchflußmenge zu realisieren. Allein beim Öffnen und Schließen des Überdruckventils ergeben sich notwendig Druckschwankungen, die zeitlich fortwirken und sich fortpflanzen können und beide Kreisläufe erheblich in Mitleidenschaft ziehen können. Ein auf längere Sicht notwen­ diges Nachstellen oder neues Einjustieren des Überdruckven­ tils widerspricht einem sicheren Dauerbetrieb einer Brenn­ kraftmaschine in diesem zentralen Bereich.

Zudem erfordert die Nachschaltung eines Überdruckventils, daß die gesamte umlaufende Ölmenge auf das hohe Druckniveau des Schmieröles gebracht wird, wobei das Kühlöl im Druck wieder abgesenkt wird, ohne daß diese Erhöhung und Absen­ kung des Druckes technisch Sinn ergeben würde.

Es wird deshalb eine Entkoppelung der beiden Kreisläufe an­ gestrebt und eine Anordnung nach Anspruch 1 vorgeschlagen.

Dabei versteht die Anmeldung unter dem Ölweg für die Schmie­ rung und innere Kühlung jenen Weg des Öls, der direkt mit den Reibflächen der bewegten Teile der Brennkraftmaschine wie Lagerstellen, Kolbenreibflächen, innere Zylinderwände und Ventilführung in Berührung steht, während unter dem Ölweg für die äußere Kühlung jener Weg des Öls gemeint ist, der ohne direkte Berührung dieser Reibflächen die an die den Brennraum umgebenden Wände abgegebene Wärme aufnimmt und abführt. Dabei sind Ölspritzer zur Kolbenkühlung - soweit vorgesehen - an den Schmierölkreislauf anzuschließen.

Getrennte Anzeiger können nun für beide Kreisläufe unabhän­ gig deren Funktionieren in bezug auf Öldruck und Öltempera­ tur feststellen.

Da die Kühlwirkung von Öl geringer ist als die von Wasser, empfiehlt es sich für ölgekühlte Brennkraftmaschinen, von den Vorteilen eines wärmedichteren Brennverfahrens auszu­ gehen, d. h. eines Brennverfahrens, das relativ mehr Wärme im Arbeitsgas behält und weniger Wärme an das die Brennkam­ mer umgebende Material abgibt. Es kann dabei eine Vergröße­ rung der Kühlölräume oder die Installation von Zusatzpumpen für größere umlaufende Ölmengen, wie in DE-OS 35 09 095 oder in DE-OS 28 25 870 angeregt, vermieden werden.

Der reduzierte Kühlbedarf einer solchen auf Ölkühlung hin optimierten Brennkraftmaschine kann etwa durch ein duother­ misches Brennverfahren erreicht werden, das vorsieht, um eine zentrale Brennzone einen Mantel kühlerer Luft zu legen (DE-PS 22 41 355); des weiteren sind Kolben mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und mit reduzierten Wärmeübergangsmög­ lichkeiten zur Zylinderwand vorzusehen (DE-OS 32 10 771), deren Kolbenoberteil aus Eisenguß gefertigt sind; eine zum Kolbengleitschuh und zur Zylinderwand hin orientierte Spritzkühlung (DE-PS 25 43 478) ermöglicht eine Reduktion der äußeren Kühlung.

Bei einer solchermaßen ausgeführten Brennkraftmaschine kann die äußere Kühlung den Zylinderstegbereich mit einer Boh­ rung ausreichend versorgen, und die Kühlräume der äußeren Kühlung können auf den Abdeckbereich des Kolbenoberteiles eines zweiteiligen Kolbens (DE-OS 32 10 771) in seinem oberen Kolbenumkehrpunkt beschränkt werden, wobei es von Vorteil ist, diese Kühlräume im Zylinderkopf fortzusetzen.

Da somit die Menge des umlaufenden Öles gering gehalten werden kann, ist eine sehr schnelle Erwärmung der Brenn­ kraftmaschine und des Öles erreicht, so daß es sich erüb­ rigt, etwa zur schnelleren Erwärmung des Schmieröles den Schmierölkreislauf dem Kühlkreislauf nachzuschalten.

Erfahrungsgemäß hat sich herausgestellt, daß sich bei sol­ chen wärmedichten Brennkraftmaschinen bzgl. der Kühlung ein Gleichgewicht des Kühlbedarfs von innerer und äußerer Kühlung einstellt so daß nach einem weiteren Anspruch vor­ liegender Anmeldung das Öl mit Hilfe einer Zweikreis- (Tandem-)Pumpe für beide Kreisläufe gefördert werden kann. Dies bedeutet, daß, obwohl jetzt nur mehr eine Ölpumpe für beide Ölwege notwendig ist, dennoch keine Vermischung des Öls der jeweiligen Ölwege zugelassen ist.

Für den weiteren Kreislauf nach Erfüllung der Schmierungs­ und Kühlungsfunktion des Öles sind nun die Wege für das zu kühlende und rückzuführende Öl von Wichtigkeit. Denn nicht nur die Aufnahme der Wärme durch das Öl ist für den Betrieb der Brennkraftmaschine von Belang, sondern auch die Organi­ sation der Abgabe der Wärme des Öls und die Rückführungs­ temperatur in den Ölsammelbehälter ist für den Betrieb der Brennkraftmaschine wichtig.

Folgende Wege sollten dabei für das Öl möglich sein: Es muß ein direkter kurzschließender Rückfluß möglich sein, vor allem für den kalten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, oder auch das Betreiben der Brennkraftmaschine unter sehr kalten atmosphärischen Temperaturen. Das Öl hat hierbei auch nach der Kühlungs- und Schmierfunktion keine so hohen Temperaturen erreicht, daß eine Betriebsnotwendigkeit be­ stünde, dieses herabzukühlen. Im Gegenteil ist es für den Betrieb der Brennkraftmaschine von Vorteil, mit Öl versorgt zu werden, das mit einer bestimmten Temperatur umläuft. Die­ ser kurzschließende Rückfluß wird für das innere Schmier­ und Kühlöl für Brennkraftmaschinen mit reduziertem Kühlbe­ darf in allen Betriebszuständen angestrebt. Das innere Schmier- und Kühlöl wird also direkt von den zu schmierenden und kühlenden Teilen zurück zum Ölsammelbehälter geführt. Für das äußere Kühlöl soll es eine wahlweise Regelung über eine Kurzschlußleitung (Bypass) direkt zum Ölsammelbehälter und eine Weiterleitungsmöglichkeit über Wärmetauscher geben.

Wärmetauscher können z. B. bei dem Einbau der Brennkraftma­ schine in ein Fahrzeug aus einem atmosphärischen Wärmetau­ scher und einem zweiten Wärmetauscher zum Beheizen einer Kabine vorgesehen sein.

Dabei soll eine Regelung so funktionieren, daß der Rückfluß des Kühlöles nicht nur ausschließlich über den Bypass oder über einen der Wärmetauscher erfolgt, sondern daß der Rück­ fluß des Kühlöles gleichzeitig, parallel über die Wärmetau­ scher und über den Bypass erfolgen kann. Die so über Bypass und Wärmetauscher rückfließenden Teilmengen des Kühlöles können in jedem möglichen Verhältnis zueinander liegen. Die damit verbundene variable Kühlmöglichkeit erlaubt die Rege­ lung nach bestimmten Parametern z. B. der Rückflußwärme des zu kühlenden Öles.

Zur Regelung der drei möglichen Wege und der Teilmengen, die diese Wege durchlaufen wird ein Regelteil vorgeschla­ gen welches einen Thermostat, ein Überdruckventil und ein Verteilerventil integriert.

Weitere Vorschläge sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Es folgt ein mögliches Ausführungsbeispiel:

Funktionsbeschreibungsölkreislauf

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen ölgekühlten Motor der ein Gehäuse (1) ohne innere Kühlkerne besitzt, d. h., daß lediglich der Bereich (2) des Zylinderrohres außen von Öl umspült wird, der innen nicht vom Spritzöl (wegen Kolbenabdeckung) erreicht wird. Dieser Kühlraum setzt sich im Kopf (3) in gleicher Weise (4) fort. Alle übrigen Wege des Ölkreislaufes bestehen entweder aus Boh­ rungen (innerhalb des Motors) oder aus Leitungen (außer­ halb).

Eine Zahnradpumpe in Tandem-Ausführung (5) ist außen am Mo­ torgehäuse (1) angebracht. Angetrieben wird das mittlere Rad in der gezeigten Drehrichtung von einem Zahnriemen (6), der über die im Kopf (3) gelagerte Nockenwelle zur antrei­ benden Kurbelwelle (7) läuft. Bei dem gezeigten Pumpenprin­ zip sind zwei Saugräume (8 und 9) und zwei Druckräume (10 und 11) vorhanden. Die Pumpe saugt das Öl aus der Ölwanne (12) über eine mit einem Grobfilter (38) versehene Sauglei­ tung (13) an, welche zu den Saugräumen (8 und 9) der Pumpe führt. Das auf den Druckseiten geförderte Öl wird aufge­ teilt in zwei Kreisläufe:

• a) Schmier- und Spritzölkreislauf: Vom Druckraum (11) fließt das Öl über die Bohrung (14) abgesichert durch ein im Kurbelgehäuse mündendes Überdruckventil (15) über ein Filter (16) und eine Bohrung (17) in einen längsge­ bohrten Ölkanal (18), von dem die einzelnen Verbraucher abzweigen. Bohrung (19) führt zum Kurbelwellengrundlager und das Öl wird von da aus durch die Kurbelwelle auch dem Kurbelzapfenlager zugeführt. Auf der Rückseite der Lagerschale (20) fließt das Öl über eine Nut zu einem Spritzloch für einen Ölstrahl (21) zur Kühlung des Kol­ bens und Schmierung des Kolbenbolzens. Die Stichbohrung (22) verbindet den Ölkanal (18) mit dem Ölkanal (23) im Kopf, von dem die Schmierbohrung (24) für die Nockenlager abzweigt. Das aus diesem austretende Schmieröl dient der Schmierung der Stößel und der Kühlung der Ventilführung (26), die aus gut wärmeleitendem Material besteht und mit einem als Kühlfläche dienenden großen Bund ausge­ stattet ist, der gleichzeitig als Federteller dient. Hierbei ist der Ölsammelraum (25) so ausgestattet, daß das Öl die Führung (26) optimal umspülen kann. Über die Bohrung (27) wird dann das Öl zurück in die Ölwanne ge­ führt.
• b) Kühlölkreislauf: Über die mit Druckraum (10) verbundene Bohrung (28) gelangt das Kühlöl zu den Kühlräumen (2) und (4). Von da führt eine Bohrung (29) durch den Ven­ tilsteg zu einem Sammelkanal (30). Von da wird das Öl über einen Regler (31), in dem Thermostat, Verteilerven­ til (39) und Überdruckventil (33) vereint sind, je nach Erfordernis über einen Bypass (34) oder Ölkühler (35, 40) zurück in die Ölwanne geleitet, wo es sich mit dem Schmieröl vermischt. Das Bild zeigt den Ölfluß bei kaltem Öl. Bei Erwärmung dehnt sich ein Dehnstoffelement (32), und ein Schieber (37) verschließt den Bypass (34) und öffnet den Weg über den Kühler (35). Wird dabei der Druck im Kühlsystem (in Leitung (36)) zu hoch, z. B. durch hohen Widerstand im Ölkühler durch kaltes Öl, dann fließt ein Teil des Öls weiterhin durch den Bypass (34) über das Überdruckventil (33) solange bis sich der Wi­ derstand abgebaut hat. Wird das Verteilerventil (39) in Pfeilrichtung auf die strichpunktierte Stellung zu ge­ dreht, kann wahlweise 0-100% des ankommenden Öls über einen weiteren Wärmetauscher (40), z. B. zum Beheizen der Führerkabine, geleitet werden. Hierbei bleibt der Kreislauf weiterhin durch Überdruckventil und Ther­ mostat geschützt.

Claims (17)

1. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine mit gemeinsamen Ölsammelbehälter, wobei das rücklaufende Kühlöl Wärmetauschern zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ölweg für die Schmierung und innere Kühlung von bewegten Teilen und deren Reibflächen existiert und ein zweiter Ölweg für die äußere Kühlung von Zylindern und Ventilstegen vorge­ sehen ist, ansonsten beide Ölwege getrennt und verbin­ dungslos voneinander verlaufen und beide Ölwege eine ei­ gene Ölpumpvorrichtung besitzen.

2. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölpumpvorrichtung aus zwei Pumpen besteht, die unab­ hängig voneinander sind.

3. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ölwege mit theoretisch gleich großen Ölmengen beaufschlagt werden.

4. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölpumpvorrichtung zum Befördern des Öls beider Ölwege als Zweikreis-(Tandem-)Pumpe mit gemeinsamem Ansaug ausgeführt ist.

5. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Ölwege ge­ trennte Anzeiger für Druck bzw. Temperatur des Öles ange­ bracht sind zum Feststellen des unregelmäßigen Arbeitens der Ölwege.

6. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ölwege unter unterschiedenem Druck stehen und daß dieser unter­ schiedene Druck durch unterschiedene Querschnitte der Ölwege hervorgerufen wird.

7. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öldruck bei betriebswarmem Motor und Nenndrehzahl im Ölweg für die Schmierung und innere Kühlung ein 8- bis 12-faches des Öldrucks des Ölweges für die äußere Kühlung beträgt.

8. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ölzuflußwege innerhalb der Brennkraftmaschine Bohrungen im Material sind und nur der Ansaug für die Ölpumpvorrichtung und die Ölwege außerhalb des Gehäuses der Brennkraftmaschine zu den Wärmetauscher(n) Leitungen sind.

9. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölpumpvorrich­ tung an das Gehäuse der Brennkraftmaschine leitungslos angeflanscht ist.

10. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölpumpvorrich­ tung ein Überdruckventil und ein Filter integriert.

11. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ölfilter nur im Ölweg für die Schmierung und innere Kühlung vorgesehen ist.

12. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die innere Kolbenkühlung und -schmierung vorgesehenen Ölspritzer am Ölweg für die Schmierung und innere Kühlung angeschlossen sind.

13. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Ölmenge des Ölweges für die Schmierung und innere Kühlung 40 bis 60% für die Schmierung und innere Kühlung des Kolbens und der inneren Zylinderwand durch Ölspritzer verwendet werden.

14. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach einem oder mehreren der vorgenannten An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ölweg für die Schmierung und innere Kühlung eine Kühlung der Ven­ tilführung verbunden ist, indem die Ventilführung aus gut wärmeleitendem Material besteht und mit einem als Kühlfläche dienenden großen Bund ausgestattet ist, der funktionell auch als Federteller dient und von rücklau­ fendem Schmieröl umflossen ist.

15. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine, wobei das rücklaufende Kühlöl Wärmetauschern zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Rückflusses des Öls einem Regelteil unter­ liegt, das einen Thermostat, ein Überdruckventil und ein Verteilerventil integriert.

16. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß das integrierende Regelteil den Rückfluß über ein bis drei Wege freigibt, die einzeln, parallel oder in Reihe benutzt werden können.

17. Kühl- und Schmierkreislauf einer ölgekühlten Brennkraft­ maschine nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Weg einen direkten Rückfluß über den Bypass bildet, der zweite Weg über einen Kabinenheizer und der dritte Weg über einen atmosphärischen Wärmetau­ scher führt.