DE3715002A1 - Brennkraftmaschine, bei der oel zur schmierung und kuehlung eingesetzt ist, insbesondere fuer den fall, dass die oelkuehlung das einzige kuehlsystem der brennkraftmaschine darstellt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, bei der Öl zur Schmierung und Kühlung eingesetzt ist, insbesondere für den Fall, daß die Ölkühlung das einzige Kühlsystem der Brennkraftmaschine darstellt, mit einem durch einen Thermostaten und Kurzschlußleitung geregelten Wärmetauscher.

Bei Kaltstart, insbesondere bei extrem niedrigen Umge­ bungstemperaturen, weist das Öl innerhalb des Motors und des Wärmetauschers eine hohe Zähigkeit auf. Demzufolge sind die ölseitigen Kühlquerschnitte des Wärmetauschers durch das bei niedriger Temperatur sehr zähflüssige Öl derart verstopft (kalter Stopfen), daß die notwendige Zirkulation des Öls beim Anlaufen des Motors nicht gewähr­ leistet ist. Eine schnelle Erwärmung des Öls während der Kaltstartphase ist daher erstrebenswert, um Überhitzung der zu kühlenden Motorteile (z. B. Zylinder, Zylinderkopf) vorzubeugen.

Es ist bekannt, zunächst nach dem Start und während der Kaltstartphase das Öl in einer Kurzschlußleitung (Bypass) unter Umgehung des Ölkühlers umzuleiten, wobei es sich durch die Wärmeentwicklung des Motors schnell erwärmt. Dem Ölkühler wird wärenddessen keine Wärme zugeführt, und die darin befindliche Ölmenge bleibt kalt. Erst nach Erreichen einer bestimmten Temperatur öffnet ein Thermostat die Zufuhrleitung zum Ölkühler hin und schließt gleichzeitig die Kurzschlußleitung zu.

Bei Motoren mit Luft- oder Wasserkühlung ist hauptsächlich die sogenannte Reibungswärme durch das Schmieröl abzufüh­ ren, was über eine separate Regelung der Temperatur des Kühlmediums geschieht. Kritisch sind die Verhältnisse für den Fall, wenn die Ölkühlung das einzige Kühlsystem des Motors darstellt. Das Öl wird vorwiegend durch die von den zu kühlenden Motorteilen abgegebene Wärme erhitzt, wodurch die Temperatur im Kurzschlußkreislauf relativ schnell steigt. Um eine Überhitzung des Öls und damit der Motor­ teile zu vermeiden, öffnet der Thermostat den Ölweg zum Kühler, der sehr schnell mit seinem noch kalten Ölinhalt die volle Kühlung der Brennkraftmaschine übernehmen muß. Ist der Kühler außerdem "weggebaut" (d. h. nicht in den sich allgemein aufheizenden Verbund der Motorteile inte­ griert), wird der schon erwähnte "kalte Stopfen" noch unbehelligt vorhanden sein und den Durchfluß des Kühlöls verhindern, was dann sehr schnell zu einer kritischen Überhitzung und Schädigung der zu kühlenden Bauteile füh­ ren kann. Zusätzliche Erschwernisse können durch Vorwär­ mung des Motors vor dem Start sowie durch Anblasen des Ölkühlers bei Fahrzeugmotoren mit Fahrtwind in der Warm­ laufphase auftreten, weil dann die geschilderten Effekte noch verstärkt werden.

Aus der DE-OS 33 28 000 ist eine Kühleinrichtung für flüs­ siges Kühlmittel zwecks Verringerung der Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Brennkraftmaschine ein nach außen flüssigkeitsdicht abgeschlossener, mit dem Kühlmittelkreislauf über eine Verbindungsöffnung in Ver­ bindung stehender kühlmittelbeaufschlagter Zusatzraum vorgesehen ist, der eine von dem Abgas der Brennkraftma­ schine direkt beaufschlagte Heizfläche aufweist. Der oben genannte Zusatzraum ist durch einen eine Abgasleitung umgebenden Ringraum sowie einen davon getrennten Vorrast­ behälter gebildet, der mit einer durch ein Ventil ver­ schließbare Entlüftungsleitung versehen ist. Infolge der intensiven Aufheizung des Kühlmittelanteils in den Zusatz­ raum bildet sich dort Dampf, der in den Kühlkreislauf gedrückt wird und sich dort mit dem übrigen Kühlmittel vermischt.

Wenn bei dieser Anordnung das Kühlmittel Öl ist, würde ein Vercracken des Öls anstelle von Verdampfen eintreten und so zu Nachteilen führen.

In jedem Fall würde sich der Motor noch schneller erwär­ men, das Öl im eigentlichen Ölkühler würde aber kalt blei­ ben, und damit wäre das eingangs geschilderte Problem nicht gelöst.

Eine andere Anordnung zur Kühlung und Schmierung einer Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 35 09 095 bekannt, wobei die Kühlung und Schmierung mit dem Motoröl durchge­ führt wird. Eine günstige Erwärmung des Schmieröls, insbe­ sondere während der Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine wird dadurch erzielt, indem der Schmierölkreislauf dem Kühlkreislauf nachgeschaltet wird. Dadurch wird die Erwär­ mung des den Schmierstellen der Brennkraftmaschine zuge­ führten Öls in den Kühlräumen der Brennkraftmaschine er­ reicht. Die Erfindung will gezielt die Versorgung der Schmierstellen mit vorgewärmtem Öl bei Kaltstart gewähr­ leisten. Die im Ölkühler in der Kaltstartphase nicht durch den Schmierölkreislauf tretende Teilmenge wird durch den Thermostaten temperaturgesteuert durch die Kurzschlußlei­ tung geschickt, und der Kühler bleibt nach wie vor kalt.

Das Problem bleibt also vorhanden, daß bei Thermostatum­ schaltung auf dem noch kalten Ölkühler die Ölzirkulation durch den dort vorhandenen "kalter Stopfen" unterbrochen werden könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gesamten Ölkreislauf der Brennkraftmaschine ohne Inanspruchnahme von zusätzlichen Bauteilen so zu gestalten, daß neben Verkürzung der Warmlaufzeit, danach bei Umschaltung von der Kurzschlußleitung auf den Wärmetauscher eine sichere Kühlung und Schmierung der Brennkraftmaschine sofort ge­ währleistet ist, ohne daß durch einen "kalten Stopfen" Schwierigkeiten in der Ölzirkulation entstehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnen­ de Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Einfach durch die Führung der Kurzschlußleitung durch den Wärmetauscher wird erreicht, daß von Anfang an kontinuier­ lich ein Wärmeanteil von dem in der Kurzschlußleitung fließenden Warmöl auf das im Wärmetauscher stillstehende Kaltöl übertragen wird. Schaltet der Ölthermostat nach Erreichen einer vorbestimmten Temperatur von der Kurz­ schlußleitung auf den Wärmetauscher um, so ist das Schmieröl dort schon soweit vorgewärmt, daß eine Fortdauer der Ölzirkulation ohne Unterbrechung gewährleistet ist.

Das Kanalvolumen der Kurzschlußleitung, das durch den Wärmetauscher geht, ist kleiner als der Ölrauminhalt des Wärmetauschers, damit die Kurzschlußleitung nur innerhalb des Ölrauminhalts untergebracht werden kann und nicht zusätzlich noch in den Wärmetauscherraum reicht, der mit dem äußeren Kühlmedium beaufschlagt ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß der Ölrauminhalt innerhalb des Wärme­ tauschers, der auf Wärmeübertragung von Öl auf äußeres Kühlmedium optimiert ist, unverändert bleibt, und daß gleichzeitig durch die kompakte Führung des Kanalvolumens der Kurzschlußleitung nur innerhalb des Ölraums des Wärme­ tauschers eine optimale Wärmeübertragung auf das in dem Warmetauscher stehende Öl stattfindet.

Die bauliche Gestaltung des Wärmetauschers kann beliebig gewählt werden. Eine vorteilhafte Ausführung nach Anspruch 4 sieht vor, den Kanalteil der Kurzschlußleitung konzen­ trisch innerhalb der Kanäle des Ölraumes des Wärmetau­ schers zu bauen, um die Wärmeübertragung zu intensivieren. Um dennoch bei hohem Widerstand des Wärmetauschers bei extrem kaltem Öl einen Durchfluß der Motorkanäle zu ge­ währleisten, ist ein Differenzdruckventil in der Kurz­ schlußleitung vorgesehen.

Vorzugsweise ist auch der äußere Kühlmittelzufuhrkanal mit einem Thermostaten ausgerüstet, um die Kühlmittelzufuhr (z. B. Luft durch eine Klappensteuerung) während der Kalt­ laufphase zu unterbrechen und damit die Temperatursteige­ rung des Ölhaushaltes des Wärmetauschers während dieser Zeit zu beschleunigen. Dieser Kühlmittelthermostat ist auf dem Kühlmittelzufuhrkanal montiert und so ausgelegt, daß dieser zusammen mit dem Ölthermostaten in Wirkverbindung steht. Der zweite Thermostat erlaubt dann erst einen Kühl­ mittelzustrom, wenn die Kurzschlußleitung abgeschaltet ist und das Öl durch den Wärmetauscher zirkuliert.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Ölthermostat dem Wärmetauscher vorgeschaltet und als 3-Wege-Hahn gebildet, der mechanisch in Abhängigkeit von den Temperaturen ver­ schiedene Positionen einnimmt bzw. temperaturgesteuert arbeitet.

Sowohl der Ölthermostat als auch der Kühlmittelzufuhrther­ mostat sind stufenlos regulierbar, um bei der Umschaltung von der Kurzschlußleitung auf den Wärmetauscher eine gün­ stige Zwischenphase zu schaffen, wo beide Ölströme sich miteinander vermischen können, um dadurch einen "weichen" Temperaturübergang zu erreichen.

Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist der Ölthermostat dem Wärmetauscher nachgeschaltet. Dadurch kann die Mischtemperatur der Teilströme, d. h. aus der Kurzschlußleitung und aus dem Wärmetauscher während der Zwischenphase, besonders genau konstant eingehalten bzw. eingestellt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nungen verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Brennkraft­ maschine mit Kühlsystem gemäß der Erfindung, wobei der Thermostat im Ölkreislauf dem Wärmetauscher vorgeschaltet ist.

Fig. 2 einen schematischen Aufbau des Wärmetau­ schers, wobei der Thermostat im Ölkreis­ lauf dem Wärmetauscher nachgeschaltet ist.

In Fig. 1, und soweit auch für Fig. 2 geltend, ist mit 1 eine Brennkraftmaschine bezeichnet mit einer Pumpe 2, die das Kühlöl durch die Brennkraftmaschine fördert und mit einem Druckbegrenzungsventil 4 ausgerüstet ist. Im oberen Teil 5 der Brennkraftmaschine durchströmt das Öl die Mo­ torteile, z. B. Zylinder und Zylinderkopf und fließt da­ nach über die Zuführleitung 6 durch den Wärmetauscher 12 und gelangt von dort wieder über die Abführleitung 7 in den Ölsumpf 3 zurück. Der Wärmetauscher ist mit einer Kurzschlußleitung 9 überbrückt, der mit einem Differenz­ druckventil 10 ausgestattet ist, um bei hohem Widerstand des Öls innerhalb des Wärmetauschers bei extrem niedrigen Temperaturen einen Öldurchfluß durch die Motorkanäle unter allen Umständen zu gewährleisten.

Der Wärmetauscher wird von einem äußeren Kühlmittel, z. B. Luft, durch die Ein- und Abführkanäle 13 und 15 durch­ strömt, wobei der Kühlmitteldurchsatz durch den Einführ­ kanal mittels Thermostat 14 geregelt ist.

Der Verzweigung der Zuführleitung 6 zum Kühler und zur Kurzschlußleitung (Fig. 1) bzw. im Treffpunkt der Abführ­ leitung 7 mit der Kurzschlußleitung (Fig. 2) ist ein Ther­ mostat vor- bzw. nachgeschaltet, welcher als 3-Wege-Hahn mechanisch in Abhängigkeit von der Temperatur stufenlos funktioniert und in Wirkverbindung mit dem Kühlmittelther­ mostaten 14 steht, der ebenfalls stufenlos verstellbar ist.

Die bauliche Gestaltung des Wärmetauschers, d. h. die Verrippung und die Anordnung der Kanäle, kann beliebig gewählt werden. Ein Kanalteil 9′ der Kurzschlußleitung wird innerhalb der Ölkanäle 11 des Wärmetauschers konzen­ trisch geleitet, wobei die beiden Kanäle durch wärmelei­ tende Wände miteinander verbunden sind, so daß der Wärme­ fluß das Kanalteil 9′ mit den Ölkanälen 11 des Wärmetau­ schers verbindet.

Die in Fig. 1 und 2 eingebauten Thermostate 8 und 14 sind so eingestellt, daß der Ölkreislauf über die Kurzschluß­ leitung fließt, während die äußere Kühlmittelzufuhr durch den Thermostaten 14 total abgesperrt ist. Andere Extrem­ stellungen der Thermostate sind unter der jeweiligen Fig. gezeigt.

Es sind:
Stellung A:
Heißstellung, wenn die Kurzschlußleitung kein Differenzdruckventil 10 aufweist, wobei das Öl durch den Wärmetauscher fließt und die Kühlmittelzuführleitung 13 freigegeben ist.

Stellung B:
Heißstellung mit einem Differenzdruckventil 14 in der Kurzschlußleitung, wobei die Kühlmittelzuführleitung 13 wie oben bei A freigegeben ist.

Wie schon erwähnt, sind die Thermostate 8 und 14 stufenlos verstellbar, so daß neben der gezeigten Extremstellung auch Zwischenstellungen möglich sind, die den motorischen Umständen entsprechend eingestellt werden können.

Claims (12)

1. Brennkraftmaschine, bei der Öl zur Schmierung und Kühlung eingesetzt ist, insbesondere für den Fall, daß die Ölkühlung das einzige Kühlsystem der Brennkraftmaschine darstellt, mit einem durch einen Thermostaten (8) und eine Kurzschlußleitung (9) geregelten Wärmetauscher (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußleitung (9) durch den Wärmetauscher geleitet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalvolumen (9′) der Kurzschlußleitung, das durch den Wärmetauscher geleitet ist, kleiner als der Raum (11) ist, der für den Durchlauf des Öls innerhalb des Wärmetauschers vorgesehen ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Kanalvolumen (9′) durchfließende Öl mit dem Öl innerhalb des Raumes (11) des Wärmetauschers durch wärmeleitende Wände verbun­ den ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ölführende Raum (11) in Kanalform gestaltet ist, und daß das Kanalvolumen (9′) konzentrisch innerhalb der Kanäle des Raumes (11) liegt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußleitung (9) mit einem Differenzdruckventil (10) ausgerüstet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermostat (8) ein 3-Wege-Hahn ist, der mechanisch temperaturabhhängig ver­ schiedene Positionen einnimmt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der 3-Wege-Hahn dem Wärmetau­ scher (12) vorgeschaltet ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der 3-Wege-Hahn (8) dem Wärme­ tauscher (12) nachgeschaltet ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzufuhr zum Wär­ metauscher durch einen weiteren Thermostaten (14) geregelt ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Thermostat (14) in Wirkverbindung mit dem anderen Thermostaten (8) steht.

11. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermostate (8 und 14) stufenlos verstellbar sind.

12. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Thermostat (14) auf den anderen Thermostaten (8) so abgestimmt ist, daß die Kühlmittelführungsleitung (13) während der Umgehungs­ phase des Wärmetauschers geschlossen bleibt.