DE4431105A1 - Verfahren zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren mit Hilfe eines Isolierspaltes veränderlicher Wärmeleitfähigkeit - Google Patents

Description

Stand der Technik

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.

Aufgabenstellung

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.

Lösung

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.