DE4431105A1 - Verfahren zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren mit Hilfe eines Isolierspaltes veränderlicher Wärmeleitfähigkeit - Google Patents
Verfahren zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren mit Hilfe eines Isolierspaltes veränderlicher WärmeleitfähigkeitInfo
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Description
Vor dem Hintergrund ständiger Verbesserungen der Wirkungsgrade von Verbrennungs
motor, Antriebstechnik und Aerodynamik im Kraftfahrzeugbau wird anhand einfacher
thermodynamischer Überlegungen sehr schnell klar, daß in Zukunft wesentlich effizienter
bei der Verwendung der Abwärme aus dem Antriebsmotor für Heizzwecke, insbesondere
bei der Beheizung der Fahrgastzelle, umgegangen werden muß.
Je nach Wirkungsgrad und Fahrsituation zeigen bei extremen klimatischen Bedingungen
bereits heute am Markt befindliche Fahrzeuge mit hocheffizienten Dieselmotoren Pro
bleme bei der Beheizung der Kabine. Hier ist nicht nur ein extrem langsames Aufheizen
von Motor und Kabine festzustellen, sondern im Fahrbetrieb mit geringer Last reicht
die Heizleistung auch nach längerer Fahrt nicht dazu aus, ein komfortables Klima in der
Kabine zu erreichen.
Deshalb sind bei einigen Kraftfahrzeugherstellern bereits Überlegungen im Gange, die
ses Heizleistungsdefizit durch eine zusätzliche, kraftstoffbefeuerte bzw. elektrisch be
heizte Wärmequelle zu beheben. Diese Überlegungen sind das Resultat gescheiterter
Bemühungen, über eine Optimierung des Kühlmittelsystems eine hinreichende Heizlei
stung für die Kabine bereitzustellen. Dies verwundert zunächst nicht, sind doch die
derzeit am Markt befindlichen Kühlmittel-Heizsysteme das Resultat langjähriger Op
timierung unter Variation von Kühlmittel-, Frischluft- und Umluftmassenströmen und
unter Variation von Geometrie und Anordnung der Kabinenwärmetauscher und Regel
ventile.
Die sorgfältige Analyse des Gesamtsystems Kraftfahrzeug - Motor - Kabine - Umgebung
und insbesondere die Analyse der Wärmeverluste an die Umgebung führt jedoch auf die
Schlußfolgerung, daß durch die Reduktion der Verluste an die Umgebung noch ein ge
wisses Potential besteht, den Zeitpunkt, ab dem zusätzliche Heizsysteme erforderlich
sind, noch hinauszuzögern.
Ansatzpunkte hierzu bieten die thermische Kapselung des Motors, die Verbesserung der
Isolation der Kabine, die Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgas, eine Erhöhung
des Umluftmassenstroms in der Kabine oder gar die Rückgewinnung der Wärmemenge,
die in der aus der Kabine in die Umgebung austretenden Luft noch enthalten ist, über
einen Abluft/Frischluft-Wärmetauscher.
Diese Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeverluste sind bekannt und werden teil
weise auch bereits mit Erfolg serienmäßig in manchen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Sie
sind jedoch mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, was sie speziell für kleine Fahr
zeuge unattraktiv macht. Durch die geringe Masse hat aber gerade diese Fahrzeugklasse
in Verbindung mit hocheffizienten Motoren bereits heute einen sehr geringen Kraftstoff
verbrauch und somit auch wenig Abwärme für Heizzwecke.
Speziell die thermische Kapselung ist mit einem sehr großen Aufwand verbunden. Dabei
genügt es zur vollen Ausschöpfung des Potentials dieser Maßnahme nicht, jegliche Luft
bewegung an Motor samt Zusatzaggregaten aufgrund von Zwangskonvektion und auf
grund von Auftriebsströmungen an warmen Motorbauteilen durch eine entsprechende
Verkleidung zu unterbinden, sondern es muß auch jegliche Wärmeleitung zur Umgebung
unterbunden werden. Speziell im Bereich der Nebenaggregate und der Motoraufhängung
etc. ist dies mit einem nicht zu unterschätzenden Mehraufwand verbunden.
Doch selbst wenn eine weitgehende thermische Kapselung erfolgreich durchgeführt ist,
ergibt sich zusätzlich ein relativ großer Aufwand bei der Ausgestaltung der Kühlluftführun
gen zur Zwangsbelüftung des Motors und der Nebenaggregate bei hohen Umgebungstem
peraturen und hoher Motorlast ebenso wie zur Vermeidung des potentiellen Wärmestaus
beim Abstellen des Fahrzeugs nach längerer Vollastfahrt. Neben dem Entwicklungs- und
Bauteilaufwand ergibt sich in diesem Zusammenhang auch ein erhöhter reglungstechni
scher Aufwand.
Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Kraftfahrzeuge mit kühlmittel
beheizter Kabine ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Reduzierung der
Wärmeverluste an die Umgebung zu schaffen, so daß keine, oder zumindest möglichst
wenig, zusätzliche Heizenergie aus Quellen, die nicht dem Fahrzeugantrieb dienen, für
die Beheizung der Kabine unter extremen klimatischen Bedingungen erforderlich ist.
Dabei soll das angesprochene Verfahren nach Möglichkeit nicht nur die Zusatzheizung
unter extremen klimatischen Bedingungen unnötig machen, sondern auch im normalen
winterlichen Fahrbetrieb die Wärmeverluste reduzieren, so daß die Aufheizdauer des
Motors reduziert wird, und daß beim stationären Fahrbetrieb keine Unterkühlung des
Motors auftritt.
Insbesondere besteht in diesem Zusammenhang die Aufgabe, die Einsparung der Wärme
verluste mit möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugaufbauten vorzu
nehmen. Aus den bereits beschriebenen Gründen soll in diesem Zusammenhang der
Aufwand für eine vollständige thermische Kapselung des Motors samt Nebenaggregaten
vermieden oder zumindest reduziert werden.
Hierbei sind weiterhin potentielle negative Auswirkungen auf den Betrieb von Motor,
Heiz- und Kühlsystem für diejenigen Fahrsituationen sicher zu vermeiden, in denen kein
Heizleistungsdefizit besteht.
Zur Elimination des Heizleistungsdefizits von Kraftfahrzeugen mit hocheffizienten An
triebsmaschinen, bei denen die Kabinenluft über die im Kühlmittel enthaltene Abwärme
durch einen Kabinenwärmetauscher beheizt wird, bietet sich neben den bereits beschrie
benen Maßnahmen der Einsatz einer stets mit Umgebungsluft in Berührung stehenden
Ölwanne an, die entsprechend ausgestaltet ist, um das erfindungsgemäße Kühl- bzw.
Isolierverfahren nach Anspruch 1 zu ermöglichen.
Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur bedarfsgerechten Kühlung des Schmieröls
von Antriebsmaschinen mit Druckumlaufschmierung mit Hilfe der Ölwanne, welche das
von den einzelnen Lager- bzw. Kühlstellen erwärmte Öl sammelt, insbesondere um ein
Verfahren zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ölwanne zumindest lokal doppelwandig mit
Isolierspalt ausgeführt ist, daß der Isolierspalt in Fahrsituationen mit erhöhtem Kühlbe
darf mit Schmieröl befüllt ist, und daß der Isolierspalt in Fahrsituationen mit zu kaltem
Schmieröl vorwiegend mit Luft befüllt ist.
Die an der Ölwanne eingesparten Wärmeverluste dienen somit in Fahrsituationen mit
Heizleistungsdefizit der Erhöhung der Öltemperatur und damit auch der Temperatur
der Zylinderwände und sonstiger mit dem Kühlwasser in Kontakt stehender Bauteile.
Neben einer geringeren Reibleistung sowie einer verbesserten und schadstoffärmeren
Verbrennung folgt hieraus auch eine Verbesserung der Kabinenheizleistung.
Der Betrieb mit ölgefülltem Isolierspalt entspricht in diesem Zusammenhang in etwa
der heute üblicherweise eingesetzten Ölwanne, die bekanntlich nicht nur dem Sammeln
des Schmier- bzw. Kühlöls dient, sondern insbesondere auch zur Kühlung. Dabei über
nimmt die Ölwanne bei Fahrzeugen mit Trockensumpfschmierung nur einen Anteil der
Kühlung, den andern Teil übernehmen der Ölvorratsbehälter und normalerweise ein über
einen Thermostaten zuschaltbarer Ölkühler. Bei der Großzahl der heute eingesetzten
Fahrzeuge wird jedoch auf die relativ aufwendige Trockensumpfschmierung verzichtet,
d. h. die Ölwanne stellt gleichzeitig den Ölvorratsbehälter dar.
Unabhängig von der Bauweise der Motorschmierung wird jedoch bei fast allen Per
sonenkraftfahrzeugen mit Druckumlaufschmierung ein nicht zu vernachlässigender An
teil der Ölkühlung von der Ölwanne bewerkstelligt. Aus diesem Grund werden bei
modernen Motoren mit erhöhter spezifischer Brennraumbelastung nicht nur aus Ge
wichtsgründen vermehrt Ölwannen aus Aluminium verwendet, sondern auch um eine
verbesserte Kühlung des Öls zu erzielen. Zu diesem Zweck sind die Ölwannen moderner
Motoren auch vielfach mit Rippen zur Verbesserung des Wärmeübergangs ausgestattet.
Daß beim Kaltstart und bei tiefen Umgebungstemperaturen speziell an diese Maßnahme
eine unerwünschte Erhöhung der Wärmeverluste an die Umgebung erfolgt liegt auf der
Hand. Zur Vereinfachung des Motors und vor allem zur Einsparung von Kosten wird
dies aber bei vielen Motoren - vermutlich sogar bewußt - in Kauf genommen.
Kommen Hochleistungsmotoren zum Einsatz, so reicht die Ölkühlung über die Ölwanne
nicht mehr aus, so daß dann ein Ölkühler ohnehin unerläßlich ist.
Anhand der bisherigen Ausführungen dürfte aber auch klar geworden sein, daß ein
separater Ölkühler mit entsprechendem Thermostaten in Verbindung mit einer wärmei
solierten Ölwanne unabhängig von der Leistungsdichte des Motors die wirkungsvollste
Kühlung des Öls ohne nachteilige Auswirkungen beim Kaltstart und bei tiefen Umge
bungstemperaturen ermöglicht.
Der Einsatz derartiger Systeme lediglich zur Reduktion der Wärmeverluste an die Um
gebung ist bei Personenkraftwagen derzeit nicht bekannt. Insbesondere der erhöhte
Aufwand für die Isolation der Ölwanne, den Ölkühler, den Thermostaten und die zusätz
lichen Ölleitungen erschweren in diesem Zusammenhang die Einführung eines derartigen
Systems in all den Fällen, in denen nicht zur Erzielung einer hinreichenden Ölkühlung
bei Vollast ohnehin ein separater Ölkühler erforderlich ist. Hierbei spielen nicht nur
das resultierende Mehrgewicht und die resultierenden Mehrkosten eine Rolle, sondern
insbesondere auch die erhöhte Komplexität des Schmiersystems und nicht zuletzt der
erforderliche Einbauraum.
Zwar kann das erfindungsgemäße Verfahren für Motoren mit und ohne Ölkühler vorteil
haft eingesetzt werden, doch ist es gerade für derartige Motoren prädestiniert, bei denen
noch auf einen Ölkühler verzichtet werden kann.
Speziell das Problem des erforderlichen Einbauraums wird bei einer derartigen Anwen
dung gegenstandslos, da gegebenenfalls alle relevanten Bestandteile zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Änderung der Außenabmessungen des Motors
in die Ölwanne integriert werden können.
Zur Erläuterung der weiteren Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen
Fig. 1 und 2 eine erste Ausgestaltung einer Ölwanne mit den entsprechenden Merkmalen zur
bedarfsweisen Anpassung der Isolationswirkung.
Wesentliche Merkmale sind hierbei die Ölwanne, die aus dem Außenbehälter 1 und dem
Innenbehälter 2 besteht und über den Außenbehälter 1 am Kurbelgehäuse 3 befestigt
ist, der bekannte Saugrüssel 4, durch den die Ölpumpe 5 das Öl zum Motor befördert
sowie die Zusatzpumpe 7, welche bei Bedarf über die Leitung 6 Öl aus dem Isolierspalt
9 ansaugt und über die Leitung 8 in den Innenbehälter 2 fördert. Bei der in Fig. 1
dargestellten Betriebsweise ist die Ölpumpe ausgeschaltet, so daß die Öltröpfchen 10
innerhalb des Kurbelgehäuses den Isolierspalt 9 vollständig mit Öl gefüllt haben. Dies
ist die Schaltstellung mit maximaler Wärmeabgabe an die Umgebung.
Alternativ hierzu zeigt Fig. 2 die entsprechende Betriebsweise mit minimaler Wärmeab
gabe an die Umgebung. Die Zusatzpumpe 7 fördert beim Umschalten zu dieser Betriebs
art zunächst weitgehend reines Öl, welches mit zunehmender Betriebsdauer immer mehr
mit Ölnebel und Luft vermischt ist. Ob die Zusatzpumpe nach erfolgter Entleerung des
Isolierspaltes abgeschaltet wird oder nicht hängt vom Anwendungsfall ab. Jedenfalls
dürfte ein Dauerbetrieb aufgrund der ständigen Schmierung mit Ölnebel kein Problem
darstellen.
Als weiteres besonders vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemäßen Ausführung der
Ölwanne ist anzuführen, daß die erforderliche Antriebsleistung der Zusatzpumpe auf
grund der geringen Druckdifferenz und des geringen Förderstroms extrem gering ist,
so daß als einfachster schaltbarer Antrieb ein kostengünstiger Elektromotor geringer
Leistung eingesetzt werden kann.
Auch ein potentieller Ausfall der Zusatzpumpe 7 bleibt ohne fatale Folgen für das
Schmierölsystem, da sich dann automatisch die Betriebsweise mit maximaler Wärme
abgabe einstellt.
Als positive Begleiterscheinung ist weiterhin zu erwähnen, daß bei einer entsprechen
den Ausgestaltung der doppelwandigen Ölwanne eine geringe Schallabstrahlung von der
Ölwanne erfolgt.
Zur weiteren Verbesserung wird erfindungsgemäß in Fig. 3 vorgeschlagen das Ende der
Leitung 8 unterhalb jedes Ölspiegels zu verlegen, sowie eine schaltbare Umkehrung der
Förderrichtung des Öls zu verwenden. Diese kann beispielsweise bei elektrisch ange
triebener Zusatzpumpe durch das Umpolen des Elektromotors erfolgen oder bei einer
Bereitstellung des Förderdruckes auf mechanischem Wege bzw. durch den Anschluß an
eine Zone lokalen Unter- oder Überdruckes innerhalb des Motors durch ein entsprechen
des Ventilsystem.
Die Ausgestaltung mit Strömungsumkehr bietet den Vorteil, daß die Befüllung und die
Entleerung sehr schnell erfolgt, verbunden mit einer entsprechend schnellen Anpassung
an die Änderung des Betriebszustandes des Motors. Durch eine entsprechend geringe
Isolierspaltbreite speziell im oberen Bereich der Ölwanne kann der Isolierspalt 9 je nach
Motorbauart noch wesentlich weiter in das Kurbelgehäuse 3 hinein ausgedehnt werden
als in Fig. 1-3 angedeutet. Um die erforderliche Bewegungsfreiheit für die Kurbel
welle zu gewährleisten, kann dies allerdings nur an den Seitenflanken in besonderem
Ausmaß erfolgen. Um einen Niveauausgleich zwischen den einzelnen Bereichen zu ver
meiden ist dann allerdings eine leckarme Verbindung zwischen Innen- und Außenbehälter
erforderlich, wobei die oberen Öffnungen jeweils am höchsten zu befüllenden Bereich des
Isolierspaltes sitzen. An die hierdurch mögliche Vergrößerung der isolierten Fläche ist
eine weitere Reduktion der Wärmeverluste gekoppelt.
Als weiterer Vorteil kann bei entsprechender Förderleistung der Zusatzpumpe 7 auch
eine relativ starke Zwangskonvektion im Isolierspalt bewirkt werden, was speziell für die
maximale Kühlwirkung eine Verbesserung bedeutet.
Für die Anwendung gemäß Fig. 3 ist insbesondere darauf zu achten, daß im Falle
maximaler Isolierwirkung nicht Luftblasen in die Leitung 4 des Motorschmiermittels
gelangen. Hier ist eine entsprechende Anordnung der Leitung 8 vorzusehen und gege
benenfalls die geförderte Luftmenge zu minimieren.
Claims (3)
1. Verfahren zur bedarfsgerechten Kühlung des Schmieröls von Antriebsmaschi
nen mit Druckumlaufschmierung mit Hilfe der Ölwanne, welche das von den einzelnen
Lager- bzw. Kühlstellen erwärmte Öl sammelt, insbesondere Verfahren zur Kühlung
des Schmieröls von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ölwanne zumindest lokal doppelwandig mit Isolierspalt ausgeführt ist, daß der
Isolierspalt in Fahrsituationen mit erhöhtem Kühlbedarf mit Schmieröl befüllt ist, und
daß der Isolierspalt in Fahrsituationen mit zu kaltem Schmieröl vorwiegend mit Luft
befüllt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befüllung des Iso
lierspaltes mit Schmieröl über einen zum Kurbelgehäuse hin offenen Spalt im oberen
Bereich der Ölwanne unter Nutzung der Schwerkraft erfolgt, und daß die bedarfsweise
Erhöhung der Isolierwirkung durch ein Abpumpen des Öls über eine im unteren Bereich
der Ölwanne mit dem Isolierspalt in Verbindung stehende Leitung erzielt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bedarfsweise Erhöhung
der Isolierwirkung durch ein Abpumpen des Öls über eine im unteren Bereich der
Ölwanne mit dem Isolierspalt in Verbindung stehende Leitung erzielt wird, wobei sich
der Isolierspalt vorwiegend mit Luft aus einem mit dem Schmieröl in Kontakt stehenden
Motorinnenraum füllt, und daß die bedarfsweise Reduzierung der Isolierwirkung durch
ein Umkehren der Förderrichtung des Ölstromes im Isolierspalt erfolgt, wobei sich der
der Isolierspalt mit Öl füllt und das überschüssige Öl gegebenenfalls in den angespro
chenen Motorinnenraum entweicht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944431105 DE4431105C2 (de) | 1994-09-01 | 1994-09-01 | Vorrichtung zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren mit Hilfe eines Isolierspaltes veränderlicher Wärmeleitfähigkeit |
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- 1994-09-01 DE DE19944431105 patent/DE4431105C2/de not_active Expired - Fee Related
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