[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erwärmung zumindest eines
Betriebsmittels einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. 9.
[0002] Anordnungen der gattungsgemäßen Art sind seit geraumer Zeit in den unterschiedlichsten
Ausführungsformen bekannt. So beschreibt die
DE 101 07 018 A1 eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Motorblock, mit einer Ölwanne für das Motorenöl
und mit einem Abgasrohr für die Verbrennungsgase, wobei ein Wärmetauscher zur Erwärmung
des Motorenöls durch die Temperatur der Verbrennungsgase vorgesehen ist. Im Wesentlichen
ist an das Abgasrohr ein Abzweig respektive ein Bypass zur Umleitung der Verbrennungsgase
zu dem innerhalb der Ölwanne angeordneten Wärmetauscher angeschlossen. Mittels einer
innerhalb des Abgasrohres angeordneten verstellbaren Abgasklappe kann der Bypass definiert
mit heißem Abgas beschickt oder abgesperrt werden. Aus der
WO 02/090730 A1 ist des Weiteren eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Betriebsmittels bekannt, welche
sich im Wesentlichen dadurch vom vorgenannten Stand der Technik unterscheidet, dass
ein vom Betriebsmittel durchflossenes sogenanntes Aufheizrohr direkt im Abgasrohr
angeordnet ist. Durch vorstehende Maßnahmen lassen sich die Temperatur des Motorenöls
und damit dessen Viskosität gezielt beeinflussen sowie die Reibungsverluste im Motor
gerade in der Startphase wesentlich verringern. Ferner sind ein größeres Potential
für Kraftstoffeinsparungen sowie eine Verringerung der Abgastemperatur zu verzeichnen,
die sich ihrerseits wiederum vorteilhaft auf NO
x-Speicherkonzepte auswirkt. Die
DE 103 28 846 B4 offenbart schließlich einen Abgaswärmetauscher für den Austausch von Wärme zwischen
einem durch Verbrennung erzeugten Abgas und einem Kühlmittel. Der besagte Abgaswärmetauscher
umfasst dabei mindestens zwei Gehäuse, die einen Kühlmittelkanal bilden, in dem das
Kühlmittel strömt und der zu einer kreisförmigen Rohrgestalt ausgebildet ist, sowie
jeweils in den beiden Gehäusen angeordnete Wärmeaustauschkerne, mit einem Abgaskanal
zur Führung einer Abgasströmung, wobei die beiden Gehäuse zu einem einzigen Körper
so zusammengefasst sind, dass die Längsrichtungen der Gehäuse im Wesentlichen parallel
zueinander verlaufen können. Der Abgaswärmetauscher soll sowohl als Gaskühler als
auch als Wärmetauscher innerhalb eines Schalldämpfers zur Rückgewinnung von Wärmeenergie
aus dem Abgas verwendbar sein.
[0003] Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erwärmung
zumindest eines Betriebsmittels einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die im
Hinblick auf eine etwaige Anhebung des Motor-Temperaturniveaus weiter verbessert ist
derart, dass ein deutlich schnelleres Erreichen der Motor-Betriebstemperatur gerade
im Motor-Kaltstart gestattet ist, wodurch der Kraftstoffverbrauch, der CO
2-Ausstoß und der Verschleiß verringerbar sowie der Fahrkomfort in Bezug auf die Fahrzeug-Heizung
verbesserbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein entsprechendes Verfahren
zur Erwärmung zumindest eines Betriebsmittels einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
[0004] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein schnelles Anheben des Motor-Temperaturniveaus
erzielbar ist, wenn neben dem Motorenöl gleichzeitig das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf
der Verbrennungskraftmaschine entsprechend erwärmt wird.
[0005] Die gestellte Aufgabe wird demnach durch eine Anordnung zur Erwärmung zumindest eines
Betriebsmittels einer Verbrennungskraftmaschine gelöst, bei der ausgehend von einer
Abgasanlage heiße Verbrennungsgase über zumindest eine Bypassleitung durch einen im
Ölsumpf der Ölwanne des Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine angeordneten und
das in der Ölwanne befindliche Motorenöl erwärmenden ersten Wärmetauscher hindurchgeführt
sind, wobei in der Ölwanne zumindest ein zweiter Wärmetauscher angeordnet ist, der
seinerseits in einen Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine eingebunden
ist.
[0006] Aufgrund dieser Maßnahme ist mit minimalem Aufwand eine Erwärmung des Kühlmittels
im Kühlmittelkreislauf vermittels Ausnutzung der Abgaswärme gestattet, indem ein entsprechender
Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufes mit in die Ölwanne integriert ist.
[0007] Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind erster und zweiter
Wärmetauscher als separate Bauteile ausgebildet und im Ölsumpf der Ölwanne angeordnet.
Der Wärmeübergang erfolgt demgemäß vom ersten Wärmetauscher respektive des in demselben
strömenden heißen Abgases weitestgehend unmittelbar auf das Motorenöl und mittelbar
über besagtes erwärmtes Motorenöl in der Ölwanne auf das innerhalb des zweiten Wärmetauschers
befindliche Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes.
[0008] Demgegenüber können gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante erster und zweiter
Wärmetauscher auch vorteilhaft zu einer vormontierten Baugruppe zusammengefasst und
im Ölsumpf der Ölwanne angeordnet sein.
[0009] Insoweit kann die Baugruppe aus dem ersten und zweiten Wärmetauscher derart ausgebildet
sein, dass ein bestimmter erster Teil der Außenwandung des ersten Wärmetauschers mit
dem Motorenöl des Ölsumpfes und ein bestimmter zweiter Teil der Außenwandung des ersten
Wärmetauscher mit einem bestimmten Teil der Außenwandung des zweiten Wärmetauschers
in direktem Kontakt steht, wodurch ein Wärmeaustausch über die Wandungen der beiden
Wärmetauscher vom heißen Verbrennungsgas unmittelbar auf das Kühlmittel gestattet
ist. Ferner ist auch ein Wärmeaustausch mit dem die besagte Baugruppe umgebenden Motorenöl
zu verzeichnen.
[0010] Weiter vorteilhaft können erster und zweiter Wärmetauscher auch einstückig ausgebildet
sein, indem dieselben partiell eine gemeinsame Trennwand aufweisen, wodurch Herstellung
und Montage derselben vereinfacht sind.
[0011] Wie die Erfindung noch vorsieht, kann es angezeigt sein, innerhalb eines als Hohlkörper
ausgebildeten ersten Wärmetauschers mit zumindest einem Eingang und zumindest einem
Ausgang für die zugeführten Verbrennungsgase den kühlmitteldurchflossenen zweiten
Wärmetauscher mit zumindest einem Kühlmittelzulauf und zumindest einem Kühlmittelablauf
anzuordnen, so dass dieser von heißen Verbrennungsgasen überstrichen wird. Es werden
demgemäß Motorenöl und Kühlmittel weitestgehend unmittelbar vom heißen Verbrennungsgas
mit erhöhter Wärmemenge versorgt.
[0012] Als zweckmäßig hat sich des Weiteren eine im Strömungsquerschnitt der Abgasanlage
angeordnete verstellbare Abgasklappe zur definierten Beaufschlagung der Bypassleitung
mit heißen Verbrennungsgasen bewährt.
[0013] Hierbei ist die Abgasklappe vorteilhaft in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine
und/oder von einer aktuell sensierten Temperatur des Motorenöls und/oder des Kühlmittels
im Kühlmittelkreislauf und/oder anderer relevanter Zustandsgrößen vermittels einer
elektronischen Regelungs- und Steuerungseinheit (ECU) ansteuerbar.
[0014] Das Verfahren zur Erwärmung zumindest eines Betriebsmittels einer Verbrennungskraftmaschine,
wobei ausgehend von einer Abgasanlage heiße Verbrennungsgase über zumindest eine Bypassleitung
durch einen im Ölsumpf der Ölwanne des Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine angeordneten
und das in der Ölwanne befindliche Motorenöl erwärmenden ersten Wärmetauscher hindurchgeführt
werden, zeichnet sich dadurch aus, dass neben dem Motorenöl gleichzeitig Kühlmittel
erwärmt wird, welches innerhalb eines zweiten in der Ölwanne angeordneten Wärmetauschers
eines Kühlmittelkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine fließt.
[0015] Das Kühlmittel kann zum einen unter Berücksichtigung der Wärmetauscher mittelbar
über das in der Ölwanne befindliche Motorenöl von den heißen Verbrennungsgasen erwärmt
werden. Zum anderen kann das Kühlmittel auch unter Berücksichtigung der Wärmetauscher
unmittelbar von den heißen Verbrennungsgasen erwärmt werden.
[0016] Weiter ist vorgesehen, dass der Wärmeübergang von Verbrennungsgasen auf die Betriebsmittel
in Form des Motorenöls und des Kühlmittels mittels einer den Durchtritt der Verbrennungsgase
durch die Bypassleitung regulierenden Abgasklappe eingestellt wird. Die Abgasklappe
kann hierbei vorteilhaft von einer elektronischen Regelungs- und Steuerungseinheit
(ECU) in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine
und/oder der aktuellen Temperatur des Motorenöls und/oder des Kühlmittels und/oder
anderer relevanter Zustandsgrößen angesteuert werden.
[0017] Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- äußerst schematisch einen Kühlmittelkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine mit
kombinierter Motorenöl/Kühlmittel-Erwärmung mittels heißer Verbrennungsgase,
- Fig. 2
- die schematische Darstellung einer Wärmetauscheranordnung in der Ölwanne der Verbrennungskraftmaschine
gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante,
- Fig. 3
- die Wärmetauscheranordnung in der Ölwanne der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer
zweiten Ausgestaltungsvariante,
- Fig. 4
- die Wärmetauscheranordnung in der Ölwanne der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer
dritten Ausgestaltungsvariante, und
- Fig. 5
- die Wärmetauscheranordnung in der Ölwanne der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer
vierten Ausgestaltungsvariante.
[0018] So zeigt Fig. 1 zunächst äußerst schematisch eine Prinzipskizze einer Verbrennungskraftmaschine
1 mit einer Abgasanlage 2 und einem an sich bekannten Kühlmittelkreislauf 3 in Form
einer Zweikreisführung mit Thermostatventilen "T1" und "T2, welche den Durchfluss
des Kühlmittels 4 in Abhängigkeit von der sensierten Temperatur desselben regulieren.
[0019] Ferner sind in den Kühlmittelkreislauf 3 eine Fahrzeug-Heizung 5, ein an sich bekannten
Fahrzeug-Kühler 6 sowie ein Ölkühler 7 eingebunden.
[0020] Wie der Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, sind von besagter Abgasanlage 2 insbesondere
ein an sich bekannter Katalysator 8 sowie ein sich daran anschließendes Abgasrohr
9 gezeigt.
[0021] In Anlehnung an die eingangs gewürdigte
DE 101 07 018 A1 ist am Abgasrohr 9 eine Bypassleitung 10 zur Umleitung der Verbrennungsgase 11 zu
einem innerhalb einer am Motorblock 12 befestigten Ölwanne 13 der Verbrennungskraftmaschine
1 angeordneten erster Wärmetauscher 14 angeschlossen.
[0022] Der erste Wärmetauscher 14 ist seinerseits innerhalb des Ölsumpfes 15 der Ölwanne
13 angeordnet und gestattet somit eine Erwärmung des Motorenöles 16 mittels der den
ersten Wärmetauscher 14 durchströmenden heißen Verbrennungsgase 11 (insbes. Fig. 2
bis 5).
[0023] Zur Regulierung respektive definierten Beaufschlagung der Bypassleitung 10 mit heißen
Verbrennungsgasen 11 ist vorliegend im Strömungsquerschnitt der Abgasanlage 2 respektive
im Strömungsquerschnitt des Abgasrohres 9 derselben eine verstellbare Abgasklappe
17 angeordnet, welche die Umlenkung bestimmter strömender Volumenanteile der heißen
Verbrennungsgase 11 in die Bypassleitung 10 gestattet (Fig. 1).
[0024] Angesteuert wird die Abgasklappe 17 von einer elektronischen Regelungs- und Steuerungseinheit
(ECU), die ihrerseits mittels nicht näher gezeigter Sensoren erfasste Eingangssignale
18a-c empfängt, betreffend beispielsweise den aktuellen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine
1 und/oder die aktuelle Temperatur des Motorenöls 16 und/oder des Kühlmittels 4 und/oder
anderer relevanter Zustandsgrößen, dieselben mit einem oder mehreren vorgegebenen
Referenzwerten vergleicht und bei Vorliegen einer bestimmten Abweichung oder eines
Trends einer Abweichung ein Steuerungssignal 19 für einen nicht näher gezeigten Aktuator
der Abgasklappe 17 im Sinne einer Verstärkung oder Verminderung des Durchtritts von
heißen Verbrennungsgasen 11 durch die Bypassleitung 10 hindurch generiert.
[0025] Wie bereits oben dargetan, ist ein schnelles Anheben des Motor-Temperaturniveaus
gerade beim Kaltstart desselben zweckmäßig, um den Kraftstoffverbrauch, den CO
2-Ausstoß und/oder den Verschleiß maßgeblich zu verringern sowie den Fahrkomfort in
Bezug auf die Fahrzeug-Heizung 5 zu verbessern.
[0026] Dies gelingt zum einen dadurch, dass vorliegend mittels der heißen Verbrennungsgase
11, die ihrerseits den innerhalb des Ölsumpfes 15 der Ölwanne 13 angeordneten ersten
Wärmetauscher 14 mit zumindest einem Eingang 14a und zumindest einem Ausgang 14b durchströmen,
ein bestimmter Wärmeübergang auf das Motorenöl 16 zu verzeichnen ist.
[0027] Um das Motor-Temperaturniveaus noch schneller und effektiver anheben zu können, ist
zum anderen nunmehr innerhalb der Ölwanne 13 zumindest ein zweiter Wärmetauscher 20
mit zumindest einem Kühlmittelzulauf 20a und zumindest einem Kühlmittelablauf 20b
angeordnet, der seinerseits in den Kühlmittelkreislauf 3 der Verbrennungskraftmaschine
1 eingebunden ist, wodurch eine Erwärmung derselben vorteilhaft mittels zweier Betriebsmittel
erfolgt und demgemäß durch dieselben im Verhältnis mehr Wärmeenergie vom heißen Verbrennungsgas
11 aufgenommen und der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Verfügung gestellt werden kann.
Es wird somit bei Bedarf, insbesondere während eines Kaltstartes der Verbrennungskraftmaschine
1, neben dem Motorenöl 16 auch das Kühlmittel 4 erwärmt (Fig. 1 und 2).
[0028] Wie in den Fig. 1 und 2 weiter gezeigt, sind erster und zweiter Wärmetauscher 14,
20 als separate Bauteile ausgebildet und im Ölsumpf 15 der Ölwanne 13 angeordnet,
wodurch das Kühlmittel 4 unter Berücksichtigung der Wärmetauscher 14, 20 mittelbar
über das in der Ölwanne 13 befindliche Motorenöl 16 von den heißen Verbrennungsgasen
11 erwärmt wird.
[0029] Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich zum vorbeschriebenen dahingehend,
dass erster und zweiter Wärmetauscher 14, 20 zu einer vormontierten Baugruppe zusammengefasst
und im Ölsumpf 15 der Ölwanne 13 angeordnet sind, indem ein bestimmter erster Teil
der Außenwandung des ersten Wärmetauschers 14 mit dem Motorenöl 16 des Ölsumpfes 15
und ein bestimmter zweiter Teil der Außenwandung des ersten Wärmetauschers 14 mit
einem bestimmten Teil der Außenwandung des zweiten Wärmetauschers 20 in direktem Kontakt
steht.
[0030] Durch diese Maßnahme wird unter Berücksichtigung der Wärmetauscher 14, 20 bzw. deren
Außenwandungen das Kühlmittel 4 zum einen mittelbar über bereits erwärmtes Motorenöl
13 und zum anderen unmittelbar von den heißen Verbrennungsgasen 11 erwärmt.
[0031] Fig. 4 zeigt des Weiteren eine Weiterbildung des vorgenannten Ausführungsbeispieles
derart, dass erster und zweiter Wärmetauscher 14, 20 sozusagen einstückig ausgebildet
sind, indem dieselben partiell eine gemeinsame innenliegende Trennwand 21 aufweisen,
wodurch zum einen der Herstellungs- und Montageaufwand gemindert und der Wärmeübergang
von den heißen Verbrennungsgasen 11 auf das Kühlmittel 4 verbessert ist.
[0032] Fig. 5 zeigt schließlich einen als Hohlkörper ausgebildeten ersten Wärmetauscher
14 für die zugeführten Verbrennungsgase 11, in welchem der kühlmitteldurchflossene
zweite Wärmetauscher 20 angeordnet und von heißen Verbrennungsgasen 11 überstrichen
ist, wodurch sowohl für das Motorenöl 16 als auch für das Kühlmittel 4, selbstverständlich
unter Berücksichtigung der Wärmetauscher 14, 20 selbst, eine weitestgehend ausschließliche
unmittelbare Wärmeübertragung von den heißen Verbrennungsgasen 11 auf die beiden in
Rede stehenden Betriebsmittel bewerkstelligbar ist.
1. Anordnung zur Erwärmung zumindest eines Betriebsmittels einer Verbrennungskraftmaschine
(1), wobei ausgehend von einer Abgasanlage (2) heiße Verbrennungsgase (11) über zumindest
eine Bypassleitung (10) durch einen im Ölsumpf (15) der Ölwanne (13) des Motorblocks
(12) der Verbrennungskraftmaschine (1) angeordneten und das in der Ölwanne (13) befindliche
Motorenöl (16) erwärmenden ersten Wärmetauscher (14) hindurchgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ölwanne (13) zumindest ein zweiter Wärmetauscher (20) angeordnet ist, der
seinerseits in einen Kühlmittelkreislauf (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) eingebunden
ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Wärmetauscher (14, 20) als separate Bauteile ausgebildet und im
Ölsumpf (15) der Ölwanne (13) angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Wärmetauscher (14, 20) zu einer vormontierten Baugruppe zusammengefasst
und im Ölsumpf (15) der Ölwanne (13) angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe aus dem ersten und zweiten Wärmetauscher (14, 20) derart ausgebildet
ist, dass ein bestimmter erster Teil der Außenwandung des ersten Wärmetauschers (14)
mit dem Motorenöl (16) des Ölsumpfes (15) und ein bestimmter zweiter Teil der Außenwandung
des ersten Wärmetauscher (14) mit einem bestimmten Teil der Außenwandung des zweiten
Wärmetauschers (20) in direktem Kontakt steht.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Wärmetauscher (14, 20) einstückig ausgebildet sind, indem dieselben
partiell eine gemeinsame Trennwand (21) aufweisen.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (14) als Hohlkörper mit zumindest einem Eingang (14a) und
zumindest einem Ausgang (14b) für die zugeführten Verbrennungsgase (11) ausgebildet
ist, wobei innerhalb desselben der kühlmitteldurchflossene zweite Wärmetauscher (20)
mit zumindest einem Kühlmittelzulauf (20a) und zumindest einem Kühlmittelablauf (20b)
angeordnet und von heißen Verbrennungsgasen (11) überstrichen ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsquerschnitt der Abgasanlage (2) eine verstellbare Abgasklappe (17) zur
definierten Beaufschlagung der Bypassleitung (10) mit heißen Verbrennungsgasen (11)
angeordnet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasklappe (17) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine
(1) und/oder von einer aktuell sensierten Temperatur des Motorenöls (16) und/oder
des Kühlmittels (4) im Kühlmittelkreislauf (3) und/oder anderer relevanter Zustandsgrößen
vermittels einer elektronischen Regelungs- und Steuerungseinheit (ECU) ansteuerbar
ist.
9. Verfahren zur Erwärmung zumindest eines Betriebsmittels einer Verbrennungskraftmaschine
(1), wobei ausgehend von einer Abgasanlage (2) heiße Verbrennungsgase (11) über zumindest
eine Bypassleitung (10) durch einen im Ölsumpf (15) der Ölwanne (13) des Motorblocks
(12) der Verbrennungskraftmaschine (1) angeordneten und das in der Ölwanne (13) befindliche
Motorenöl (16) erwärmenden ersten Wärmetauscher (14) hindurchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Motorenöl (16) gleichzeitig Kühlmittel (4) erwärmt wird, welches innerhalb
eines zweiten in der Ölwanne (13) angeordneten Wärmetauschers (20) eines Kühlmittelkreislaufes
(3) der Verbrennungskraftmaschine (1) fließt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (4) unter Berücksichtigung der Wärmetauscher (14, 20) mittelbar über
das in der Ölwanne (13) befindliche Motorenöl (16) von den heißen Verbrennungsgasen
(11) erwärmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (4) unter Berücksichtigung der Wärmetauscher (14, 20) unmittelbar
von den heißen Verbrennungsgasen (11) erwärmt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang von Verbrennungsgasen (11) auf die Betriebsmittel in Form des Motorenöls
(16) und des Kühlmittels (4) mittels einer den Durchtritt der Verbrennungsgase (11)
durch die Bypassleitung (10) regulierenden Abgasklappe (17) eingestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasklappe (17) von einer elektronischen Regelungs- und Steuerungseinheit (ECU)
angesteuert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Abgasklappe (17) in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand
der Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder der aktuellen Temperatur des Motorenöls
(16) und/oder des Kühlmittels (4) und/oder anderer relevanter Zustandsgrößen erfolgt.