DE4431105C2 - Vorrichtung zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren mit Hilfe eines Isolierspaltes veränderlicher Wärmeleitfähigkeit - Google Patents
Vorrichtung 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 an Hand 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 auf Grund 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 regelungstechni
scher Aufwand.
Einen potentiellen Ansatzpunkt zur Einsparung von Wärmeverlusten bietet eine unmit
telbare Wärmeisolation der Motoroberflächen und insbesondere der Ölwanne. Der hohe
Aufwand und auch die bereits angesprochenen Probleme bei hohen Umgebungstempe
raturen, welche eine "schaltbare Wärmeisolation" erfordern, lassen dies jedoch derzeit
nicht zu.
Im Gegenteil, wie einschlägige Patentpublikationen zeigen, zielen die bisher bekanntge
wordenen Vorrichtungen zur Verbesserung der Ölwanne i. a. darauf ab, einen möglichst
guten Wärmeübergang an die Umgebung zu erzielen, so daß auf einen Ölkühler ver
zichtet werden kann. So zeigt die europäische Patentschrift EP-PS 581 948 eine
spezielle Ausgestaltung der Ölwanne derart, daß stets relativ kühles Öl aus dem wand
nahen Bereich der Ölwanne angesaugt wird und zur Schmierung bzw. Kühlung Ver
wendung findet. Kühlrippen in diesem Ölwannenbereich erhöhen dort zusätzlich den
Wärmeübergang an die Umgebung.
In der Offenlegungsschrift DE 31 42 327 A1 wird eine doppelwandige Ölwanne vor
geschlagen, in deren Zwischenraum ein nicht näher bezeichnetes Kühlmittel geleitet ist,
welches neben der Kühlfunktion insbesondere eine luftschalldämmende Wirkung erzielen
soll. Eine schaltbare Wärmeisolation der Ölwannenoberfläche gegenüber der Umgebung
ist dieser Schrift ebensowenig zu entnehmen wie den Druckschriften DE-OS 28 24 415
und DE-PS 430 795, welche bereits relativ aufwendige Vorrichtungen zur Beein
flussung der Öltemperatur zeigen.
Hierzu läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Kraftfahrzeuge, z. B. mit kühlmittel
beheizter Kabine, eine effiziente und kostengünstige Vorrichtungen 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
z. B. die Beheizung der Kabine unter extremen klimatischen Bedingungen erforderlich ist.
Dabei soll die angesprochene Vorrichtung 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.
Dabei soll die Einsparung der Wärme
verluste mit möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugaufbauten verbunden
sein. 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 die erfindungsgemäße Kühl- bzw.
Isolier-Vorrichtung nach Anspruch 1 zu ermöglichen.
Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung zur bedarfsgerechten Kühlung des Schmieröls
von Antriebsmaschinen mit Druckumlaufschmierung mit Hilfe der Ölwanne, welche das
von den einzelnen Lager- bzw. Kühlstellen erwärmte Öl sammelt; genauer handelt es sich um eine
Vorrichtung zur Kühlung des Schmieröls von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, deren
Ölwanne zumindest lokal doppelwandig mit
Isolierspalt ausgeführt ist, der in Fahrsituationen mit erhöhtem Kühlbe
darf mit Schmieröl befüllt ist, wobei zur Lösung der Aufgabe 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 anderen 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.
An Hand der bisherigen Ausführungen dürfte ein
separater Ölkühler mit entsprechendem Thermostaten in Verbindung mit einer wärme
isolierten Ölwanne unabhängig von der Leistungsdichte des Motors die wirkungsvollste
Kühlung des Öls ohne nachteilige Auswirkungen beim Kaltstart und bei tiefen Umge
bungstemperaturen ermöglichen.
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 die erfindungsgemäße Vorrichtung für Motoren mit und ohne Ölkühler vor
teilhaft 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 Nutzung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Änderung der Außenabmessungen des Motors in
die Ölwanne integriert werden können.
Zur Erläuterung der weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 1, die aus dem Außenbehälter 1a und dem
Innenbehälter 2 besteht und über den Außenbehälter 1a 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 auf Grund 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 des 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 Spalt-Öffnungen 11 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. Vorrichtung zur Kühlung von Schmieröl von Antriebsmaschinen, insbesondere
Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Ölwanne (1), aus der mittels wenigstens einer
Schmierölpumpe (5) Öl zu den Lager- und Kühlstellen der Maschine gefördert und in die
das in den Lager- und Kühlstellen erwärmte Öl zurückgeführt wird, wobei die Wand
der Ölwanne (1) zumindest lokal unter Bildung eines Zwischenraumes (9) doppelwandig
ausgebildet ist und der Zwischenraum (9) bei erhöhtem Kühlbedarf mit Schmieröl befüllt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (9) in Fahrsituationen mit zu kaltem
Schmieröl vorwiegend mit Luft befüllt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Zwischenraum (9) einen zum Kurbel
gehäuse (3) hin offenen Spalt (11) im oberen Bereich der Ölwanne (1) bildet, durch den unter
Einwirkung der Schwerkraft Öl in den Zwischenraum (9) strömt, dadurch gekennzeichnet,
daß zur bedarfsweisen Erhöhung der wärmedämmenden Wirkung der Ölwanne (1) das Öl
aus dem Zwischenraum (9) mit Hilfe einer zweiten Pumpe (7) abpumpbar ist, wobei sich
der Zwischenraum (9) mit Luft, vorzugsweise aus einem mit dem Schmieröl in Kontakt
stehenden Motorinnenraum, füllt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur bedarfs
weisen Reduzierung der wärmedämmenden Wirkung der Ölwanne (1) der Zwischenraum
(9) durch Umkehren der Förderrichtung der zweiten Ölpumpe (7) gefüllt wird und dabei
gegebenenfalls überschüssiges Öl in den Motorinnenraum entweicht.
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DE3142327A1 (de) * | 1981-10-24 | 1983-05-05 | Dr.Ing.H.C. F. Porsche Ag, 7000 Stuttgart | "oelwanne fuer eine brennkraftmaschine" |
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1994
- 1994-09-01 DE DE19944431105 patent/DE4431105C2/de not_active Expired - Fee Related
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