DE3530472A1 - Fluessigkeitskreislauf einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der GB-PS 509,481 sind verschiedene Möglichkeiten be­ kannt, Schmieröl einer Brennkraftmaschine von der Abgas­ wärme regelbar zu erwärmen. Gemeinsamkeit aller offenbar­ ten Varianten ist es, daß der Abgasstrom über zusätzliche Abgasleitungen, die von Schiebern beherrscht werden, in einen Wärmetauscher einleitbar ist.

Nachteil von derartigen Ausgestaltungen ist es, daß zu­ sätzliche Abgasleitungen und Schieber installiert werden müssen. Abgesehen davon, daß durch die Verwendung von den zusätzlichen Abgasleitungen der Abgasstrom bis zum Ein­ tritt in den Wärmetauscher wegen der notwendigen Leitungs­ länge abkühlt und somit gerade nach dem Start der Brenn­ kraftmaschine Abgaswärmeenergie verlorengeht, ist die Ver­ wendung von Schiebern in den Abgasleitungen problematisch. Um den Abgasstrom gezielt steuern zu können, müssen die Schieber die Abgasleitungen vollständig sperren bzw. öff­ nen können. Durch die hohen Abgastemperaturunterschiede (ausgehend von einer Umgebungstemperatur von ca. 20°C bis hin zu einer Abgastemperatur von über 600°C bei Vollast) treten erhebliche Wärmespannungen in den Abgasleitungen auf, die leicht zu einer Funktionsbeeinträchtigung der Ab­ gasschieber führen. Hinzu kommen Rußablagerungen, die ebenfalls die Freigängigkeit der Schieber behindern.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die verschiedenen Abgasleitungen mit den je nach Regelstellung unterschied­ lichen Schieberstellungen keinen konstanten Abgasgegen­ druck zulassen, der aber für einen optimal abgestimmten Ladungswechsel und somit für eine gute Verbrennung erfor­ derlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssig­ keits-Abgas-Wärmetauscher so in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine anzuordnen, daß bei einer zuverlässigen Regelbarkeit ein hoher Wärmeübergangsfluß zwischen den wärmeübertragenden Medien erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnen­ de Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß der Wärme­ tauscher ständig von Abgas durchströmt wird, entfallen die sonst notwendigen zusätzlichen Abgasleitungen sowie die zur Steuerung bei bekannten Ausführungen verwendeten Schieber. Auch ist eine nachteilige Beeinflussung des Ab­ gasgegendruckes durch Wegfall der Schieber nicht mehr ge­ geben.

Gemäß Anspruch 2 ist der Wärmetauscher als das Abgasrohr zumindest in einem Teilbereich umhüllender Mantel ausge­ bildet. Somit ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit, den Wärmetauscher direkt in den an den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeflanschten Abgaskrümmer zu inte­ grieren. Dadurch werden die durch Wärmeabstrahlung hervor­ gerufenen Energieverluste des Abgasstromes auf ein Minimum beschränkt. Zudem wird der Vorteil erreicht, daß das Ab­ gasrohr durch den Wärmetauschermantel sowohl thermisch als auch akustisch gegenüber der Umgebung besser isoliert ist. Dieser Isolationseffekt kann durch beispielsweise außen an dem Wärmetauscher befestigten und entsprechend temperatur­ beständigen Dämmaterial noch verbessert werden. Erfin­ dungsgemäß ist es auch möglich, den Wärmetauscher in den Zylinderkopf einzusetzen. Dabei wird der Wärmetauscher ge­ bildet von einem das abgehangene Abgasrohr umgebenden Raum im Zylinderkopf, der von möglichen übrigen Räumen des Zy­ linderkopfes abgetrennt und mit entsprechenden Flüssig­ keitszu- und austrittsöffnungen versehen ist.

Gemäß Ausbildung nach Anspruch 3 erfolgt der Flüssigkeits­ eintritt in den Wärmetauscher an der geodätisch höchsten Stelle und der Flüssigkeitsaustritt an der geodätisch niedrigsten Stelle des Wärmetauschers. Durch diese Ausbil­ dung ist sichergestellt, daß bei einem nicht mit Flüssig­ keit beschickten Wärmetauscher kein Flüssigkeitsrest in dem Wärmetauscher zurückbleibt, der dann unzulässig er­ hitzt wird. Damit ist beispielsweise sichergestellt, daß sich in dem permanent abgasbeheizten Wärmetauscher bei Verwendung von z.B. Öl als entsprechende Flüssigkeit keine Ölkohle bilden kann. Dabei ist der Wärmetauscher im Be­ reich der Flüssigkeitsaustrittsöffnung so gestaltet, daß auch bei Schräglage der Brennkraftmaschine, soweit diese nach den entsprechenden Herstellervorschriften zulässig ist, die in dem Wärmetauscher befindliche Flüssigkeit vollständig aus dem Wärmetauscher austritt.

Nach der Ausbildung gemäß Anspruch 4 mißt der Temperatur­ schalter die Temperatur der Flüssigkeit an einer geeigne­ ten Stelle, beispielsweise im Bereich einer Auffangwanne oder vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine. Von dem Temperaturschalter werden nun das Magnetventil und das Entlüftungsventil derart gesteuert, daß beim Öffnen des Magnetventiles gleichzeitig das Entlüftungsventil ge­ schlossen wird und umgekehrt. Dabei ist das Magnetventil so in den Flüssigkeitskreislauf eingesetzt, daß es den Flüssigkeitszulauf zu dem Wärmetauscher beherrscht während das Entlüftungsventil so angeordnet ist, daß sich die ge­ nannte Zulaufleitung zu dem Wärmetauscher bei geschlosse­ nem Magnetventil vollständig von der durchströmenden Flüs­ sigkeit entleert.

Nach Ausbildung gemäß Anspruch 5 kann der Temperaturschal­ ter und das Magnetventil durch ein Überdruckventil ersetzt werden. Überdruckventil und Entlüftungsventil wirken der­ art zusammen, daß bei geschlossenem Überdruckventil das Entlüftungsventil geöffnet ist und umgekehrt. In diesem Fall wird der Flüssigkeitsdurchfluß durch den Wärmetau­ scher nicht in Abhängigkeit der Temperatur sondern in Ab­ hängigkeit von dem Flüssigkeitsdruck gesteuert. Dies ist quasi eine indirekte Temperatursteuerung, da sich bekann­ termaßen die Viskosität von Flüssigkeiten in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Die Viskosität der Flüssigkeit ist also das Maß für das entsprechende Öffnen und Schließen der beiden Ventile.

Ergänzend zu den Ausbildungen nach Anspruch 4 und 5 wird nach Anspruch 6 der Regeleinrichtung ein weiteres Über­ druckventil vorgeschaltet, dessen Regelcharakteristik so abgestimmt ist, daß es bei geöffnetem Magnetventil oder erstem Überdruckventil geschlossen ist und bei geschlos­ senem Magnetventil oder erstem Überdruckventil geöffnet ist. Dieses weitere Überdruckventil ist so in den Flüssig­ keitskreislauf eingeschaltet, daß es parallel zu den zuvor genannten Ventilen angeordnet ist und mit einem Anschluß an der Zulaufleitung zu den genannten Ventilen angeschlos­ sen ist, während der Abfluß aus dem zusätzlichen Ventil direkt in einen Flüssigkeitsvorratsbehälter erfolgt. Durch dieses zusätzliche Überdruckventil ist durch entsprechende gegenseitige Abstimmung der verschiedenen Ventile sicher­ gestellt, daß unabhängig von den verschiedenen Ventilstel­ lungen immer die gleiche Menge Flüssigkeit in die Brenn­ kraftmaschine eintritt.

Nach Anspruch 7 ist der beschriebene Flüssigkeitskreislauf der Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine. Als vor­ teilig erweist es sich bei einer derartigen Ausbildung, wenn für den Kühlmittelkreislauf Öl als Kühlmittel gewählt wird.

Nach der Ausbildung gemäße Anspruch 8 ist es vorteilhaft, den Flüssigkeitskreislauf als einen gemeinsamen Schmier­ und Kühlmittelkreislauf unter Verwendung von Öl als Flüs­ sigkeit auszubilden. Durch diese Maßnahme ist gewährlei­ stet, daß das Öl nach dem Start der Brennkraftmaschine schnell seine vorher bestimmte Betriebstemperatur er­ reicht. Dies wirkt sich sowohl günstig auf die Schmierei­ genschaften als auch auf die Kühlung der Brennkraftmaschi­ ne aus. Zudem ist es bei einer derartigen Ausgestaltung möglich, relativ frühzeitig Wärme aus dem Flüssigkeits­ kreislauf abzuziehen, die beispielsweise zur Fahrgastraum­ beheizung im Falle eines Einbaus der Brennkraftmaschine in ein Nutzfahrzeug heranziehbar ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Im ein­ zelnen zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgestalteten Flüssigkeits­ kreislauf in einer ersten Variante,

Fig. 2 einen Flüssigkeitskreislauf in einer zweiten Varian­ te und

Fig. 3 einen erfindungsgemäß gestalteten Wärmetauscher.

Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Flüssigkeits­ kreisläufen handelt es sich um Kühlölkreisläufe einer öl­ gekühlten Brennkraftmaschine 1. Das Öl wird in einem sche­ matisch dargestellten Ölsammelbehälter 2, der der Ölwanne der Brennkraftmaschine 1 entspricht, gesammelt. Das Öl wird von einer Kühlölpumpe 3, die mit ihrer Saugleitung 4 bis auf den Boden des Ölsammelbehälters 2 reicht, abge­ saugt und in eine Druckleitung 5 gepumpt. Die Druckleitung 5, die in der Zeichnung zur besseren Übersichtlichkeit zu­ sammen mit der Kühlölpumpe 3, der Saugleitung 4 und dem Ölsammelbehälter 2 als aus der Brennkraftmaschine 1 herausgezogene Teile dargestellt ist, führt zu den ölge­ kühlten Bauteilen der Brennkraftmaschine 1 wie Kolben, Zy­ linderrohr und Zylinderkopf. Solange das Kühlöl seine Be­ triebstemperatur nicht erreicht hat, schließt ein Termo­ stat 6 die Zulaufleitung 7 zu einem Ölkühler 8 von der Druckleitung 5 ab. Bei Erreichen einer vorgegebenen Öl­ temperatur öffnet der Termostat 6 die Zulaufleitung 7 zu dem Ölkühler stufenlos und verschließt gleichzeitig eine den Ölkühler 8 umgehende Kurzschlußleitung 9. Von dem Öl­ kühler 8 gelangt das Öl über eine Rücklaufleitung 10 wie­ der in die zu der Brennkraftmaschine 1 führenden Drucklei­ tung 5. Stromabwärts der Druckleitung 5 ist eine weitere Verzweigungsleitung 11 vorgesehen, die zu einem Wärmetau­ scher 12 führt, und nach dessen Durchströmung das Kühlöl zurück in den Ölsammelbehälter 2 führt. Der Aufbau des Wärmetauschers 12 ist in der Zeichnungsbeschreibung zu Fig. 3 näher erläutert.

Gesteuert wird der Kühlölfluß in der Verzweigungsleitung 11 von einer Ventilanordnung 13. Die Ventilanordnung 13 nach Fig. 1 besteht aus einem Temperaturschalter 13 a, der im dargestellten Ausführungsbeispiel die Kühlöleintritts­ temperatur in die zu kühlenden Räume bzw. Bauteile der Brennkraftmaschine 1 mißt. Weiterhin besteht die Ventilan­ ordnung 13 aus einem Magnetventil 13 b und einem Entlüf­ tungsventil 13 c, die beide in der Ventilanordnung 13 zu­ sammengefaßt sind. Der Temperaturschalter 13 a steuert nach Erreichen einer bestimmten gemessenen Kühlöltemperatur das Magnetventil 13 b zu, so daß kein Kühlöl zu dem Wärmetau­ scher 12 geleitet wird. Gleichzeitig wird der zwischen Ventilanordnung 13 und Wärmetauscher 12 liegende Teilab­ schnitt der Verzweigungsleitung 11 über das Entlüftungs­ ventil 13 c entlüftet, so daß nach dem Entlüftungsvorgang kein Kühlöl in dem entsprechenden Leitungsabschnitt und in dem Wärmetauscher 12 verbleibt. Sinkt die von dem Tempera­ turschalter 13 a gemessene Temperatur unter einen vorbe­ stimmten Wert ab, werden die Ventile 13 b und 13 c umge­ schaltet, so daß das Kühlöl durch die Verzweigungsleitung 11 dem Wärmetauscher 12 zugeführt wird.

Die Ausbildung nach Fig. 2 unterscheidet sich nur im Be­ reich der Verzweigungsleitung 11 und der Ventilanordnung 13 von dem unter Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Daher wird im folgenden nur der unterschiedliche Teil des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 beschrieben. Die Ventil­ anordnung 13 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Überdruckventil 13 d und einem Entlüftungsventil 13 e. Die durch diese Ventilanordnung 13 erreichte Steuerung des Kühlölflusses beruht auf den unterschiedlichen Viskosi­ tätswerten des Schmieröls bei verschiedenen Temperaturen. Liegt die Temperatur des Kühlöles unter der Betriebstempe­ ratur, so steigt durch die dann höhere Ölviskosität der Öldruck an und öffnet das Überdruckventil 13 d. Gleichzei­ tig wird das Entlüftungsventil 13 e geschlossen. Nach Er­ reichen der Betriebstemperatur des Kühlöls schließt das Überdruckventil 13 d in folge der fallenden Viskosität und somit fallenden Kühlöldruck das Überdruckventil 13 d und öffnet gleichzeitig das Entlüftungsventil 13 e. Somit wird die Verzweigungsleitung 11 im Bereich zu dem Wärmetauscher 12 wieder vollständig von Kühlöl entleert. Zusätzlich zu der Verzweigungsleitung 11 ist in diesem Ausführungsbei­ spiel eine weitere Verzweigungsleitung 11 a an gleicher Stelle zu der Verzweigungsleitung 11 an die Druckleitung 5 angeschlossen. In diese Verzweigungsleitung 11 a ist ein weiteres Überdruckventil 14 eingesetzt. Der Öffnungsdruck des Überdruckventils 14 ist dabei so eingestellt, daß das weitere Überdruckventil 14 seine offene Stellung einnimmt, sobald das Überdruckventil 13 d in der Ventilanordnung 13 seine geschlossene Stellung angenommen hat. Das über das weitere Überdruckventil 14 abgeleitete Kühlöl wird direkt in den Ölsammelbehälter 2 abgeleitet. Durch dieses Anord­ nung mit dem weiteren Überdruckventil 14 wird erreicht, daß den zu kühlenden Teilen der Brennkraftmaschine 1 immer die gleiche Kühlölmenge zugeleitet wird. Da die Kühlölför­ derpumpe 3 ohnedies auf die max. erforderliche Fördermenge ausgelegt sein muß (Einspeisung in die Brennkraftmaschine zu den zu kühlenden Teilen und gleichzeitig Einspeisung in die Verzweigungsleitung 11 zu dem Wärmetauscher 12), er­ gibt die Verwendung des weiteren Überdruckventiles 14 den Vorteil, daß immer eine konstante Kühlölmenge zu den zu kühlenden Teilen in der Brennkraftmaschine 1 gefördert wird. Die Verzweigungsleitung 11 a mit dem Überdruckventil 14 kann auch in einen Flüssigkeitskreislauf, der nach Fig. 1 ausgebildet ist, eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 12. Ein Abgaskrümmer 15 ist mit Flanschen 16 versehen, mit denen er an dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 be­ festigt wird. Um den Abgaskrümmer 15 ist ein Mantel 17 an­ geordnet, der mit dem Abgaskrümmer 15 im Bereich der Flan­ sche 16 dicht verbunden ist. Der Mantel 17 ist in einem Abstand A 1 um den Abgaskrümmer 15 herum angeordnet. An der geodätisch höchsten Stelle des Mantels 17 ist der Kühlöl­ eintritt 18 vorgesehen. Der Kühlöleintritt 18 ist so aus­ gebildet, daß in bekannter Weise die Verzweigungsleitung 11 durch beispielsweise Verschrauben an ihm befestigt wer­ den kann. An der geodätisch niedrigsten Stelle des Mantels 17 ist der Kühlölaustritt 19 angeordnet. An den Kühlölaus­ tritt 19 kann ebenfalls in bekannter Weise eine Leitung durch z.B. Verschrauben befestigt werden. Weiterhin ist der Innenumfang des Mantels 17 im Bereich des Kühlölaus­ tritts 19 so gestaltet, daß auch bei Schräglage der Brenn­ kraftmaschine 1 eine vollständige Entleerung des zwischen Abgaskrümmer 15 und Mantel 17 befindlichen Kühlöls sicher­ gestellt ist.

Claims (10)

1. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine 1, wobei die Abgaswärme der Brennkraftmaschine (1) über einen Wärmetauscher zumindest einem Teilstrom des Flüssigkeits­ kreislauf regelbar zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ständig von Abgas durchströmt wird.

2. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (12) als das Abgasrohr (15) zumindest in einem Teilbereich umhüllender Mantel (17) ausgebildet ist.

3. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitseintritt (18) in den Wärmetauscher (12) an der geodätisch höchsten Stel­ le und der Flüssigkeitsaustritt (19) an der geodätisch niedrigsten Stelle des Wärmetauschers (12) erfolgt.

4. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Regeleinrich­ tung zur Durchflußmengensteuerung von Flüssigkeit durch den Wärmetauscher (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus den Komponenten:

• a) Temperaturschalter (13 a)
  b) Magnetventil (13 b)
  c) Entlüftungsventil (13 c)

gebildet ist, wobei der Temperaturschalter (13 a) das Mag­ netventil (13 b) und das Entlüftungsventil (13 c) derart steuert, daß beim Öffnen des Magnetventils (13 b) gleich­ zeitig das Entlüftungsventil (13 c) geschlossen wird und umgekehrt.

5. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Regeleinrich­ tung zur Durchflußmengensteuerung von Flüssigkeit durch den Wärmetauscher (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung aus den Komponenten:

• a) Überdruckventil (13 d)
  b) Entlüftungsventil (13 e)

gebildet ist, die derart zusammenwirken, daß bei geschlos­ senem Überdruckventil (13 d) das Entlüftungsventil (13 e) geöffnet ist und umgekehrt.

6. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleinrichtung ein wei­ teres Überdruckventil (14) vorgeschaltet ist, dessen Re­ gelcharakteristik so abgestimmt ist, daß es bei geöffnetem Magnetventil (13 b) oder geöffnetem ersten Überdruckventil (13 d) geschlossen ist und bei geschlossenem Magnetventil (13 b) oder erstem Überdruckventil (13 d) geöffnet ist.

7. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine (1) ein Kühlmittelkreislauf ist.

8. Flüssigkeitskreislauf einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Schmiermittel­ kreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskreislauf ein gemeinsamer Schmier- und Kühlmittelkreislauf ist.