DE2720034C2

DE2720034C2 - Schmiersystem

Info

Publication number: DE2720034C2
Application number: DE2720034A
Authority: DE
Inventors: Ralph Brian Creve Coeur Ill. Henson
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1976-06-04
Filing date: 1977-05-04
Publication date: 1987-04-02
Also published as: FR2353707B1; CA1064836A; US4058981A; FR2353707A1; DE2720034A1; US4126997A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schmiersystem mit Ölfilter und Ölkühler für einen Motor mit Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Nach dem Starten eines Verbrennungsmotors muß Schmiermittel unmittelbar den Lagern von Kurbelwelle und Pleuelstangen zugeführt werden. Darüber hinaus ist es üblich, einen Turbolader zusammen mit dem Motor zu verwenden, der eine Welle aufweist, die zwischen Turbinen- und Kompressor-Rädern befestigt ist. Die Welle ist für eine Drehung mit hoher Drehzahl in Ringlagern gelagert, die ebenfalls zur Verhinderung unerwünschten Antriebs oder einer Schädigung eine unmittelbare Schmierung erforderlich machen.
Die zur Lieferung von Schmiermittel an diese Lager erforderliche Zeit hängt in erster Linie von dem Widerstand ab, der dem Öl auf seinem Weg durch die verschiedenen Ölkanäle und Lagerzwischenräume entgegengesetzt wird, während die Ölpumpe das System auffüllt und die erforderlichen Betriebsdrücke aufbaut. Bei einem Kaltstart des Motors kann dieser Druckaufbau 15 bis 30 Sekunden dauern. In vielen Fällen genügt eine derartige Zeitverzögerung, um die Lager an Schmiermittel verarmen zu lassen, was die Schädigung dieser Lager sowie der zugehörigen Komponenten des Motors hervorruft.
Ein weiteres Problem kann beim Betrieb eines Ölfilter-Bypassventils auftreten, welches dann öffnet, wenn das Ölfilter so weit verstopft ist, daß ein Druckabfall daran entsteht, der üblicherweise annähernd im Bereich von 83 bis 103 kPa liegt. Ein derartiger Bypass-Betrieb stellt sicher, daß ein verstopftes Filter nicht verhindert, daß Öl den Motor erreicht, und es verhindert auch, daß das Filter zerstört wird und Verunreinigungen aus dem Filter in den Motor gelangen. Wenn eine großvolumige Ölsammelleitung stromabwärts des Filters verwendet wird, wie dies bei Motoren mit mehreren Zylindern mit Kolbenkühlstrahlen üblich ist, so ist die Ölpumpe bestrebt, Öl schnell durch das Filter zu drücken, um so die Volumina stromabwärts des Ölfilters anzufüllen. Inzwischen sind die Kühlstrahlen bestrebt, Öl von der Sammelleitung abzulassen, während die Ölpumpe versucht, diese anzufüllen. Häufig wird abhängig von der die Ölviskosität bestimmenden Öltemperatur das durch das Filter laufende Öl einen hinreichenden Druckabfall daran erzeugen und das Bypassventil aktivieren und somit Öl um das Filter herumführen. Wenn dieser Zustand auftritt, werden die Kurbelwellen- und Pleuelstangen-Lager Verunreinigungen ausgesetzt, was deren Abrieb und möglichen Ausfall zur Folge hat.
Kühlstrahlen verwendende Motoren leiden unter Schmierungsschwierigkeiten einer anderen Art dann, wenn sie mit niedrigen Leerlaufdrehzahlen laufen und das Öl heiß ist. Insbesondere fällt der Öldruck im System mit ansteigender Motordrehzahl ab, nachdem das Pumpendruck-Bypassventil schließt. Während des Leerlaufbetriebs muß die Pumpe hinreichend viel Öl liefern, um den Anforderungen der Kolbenkühlstrahlen, die beim Leerlauf nicht benötigt werden, zu genügen, plus den Anforderungen sämtlicher, im Motor verwendeten Lager. Wenn die Lager abgenutzt werden, so erhöhen sich deren Spielräume, so daß auf diese Weise der Öldruck während des Ansteigens des Ölflusses abnimmt. Diese Abnahme des Öldrucks hat das Abschalten des Motors bei solchen Motoren zur Folge, die eine Abschaltvorrichtung für niedrigen Öldruck verwenden, oder aber es tritt ein Motorschaden infolge von Ölmangel in solchen Motoren auf, die keine derartigen Abschaltvorrichtung verwenden. Das am häufigsten verwendete Verfahren zur Überwindung dieses Problems ist der Einsatz einer Pumpe mit einer hinreichend großen Kapazität, um die Wahrscheinlichkeit einer Ölverarmung klein zu halten. Das letztgenannte Verfahren ist aber kostspielig und hat einen übermäßigen Leistungsverbrauch durch die eine Übergröße besitzende Pumpe zur Folge, was während der meisten Motorbetriebsphasen nicht erforderlich ist.
Aus der US-PS 30 57 436 ist bereits ein Schmiersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dieses bekannte Schmiersystem bewirkt die Motorlagerschmierung und auch die Turboladerschmierung. Die Turboladerschmierung wird dabei direkt von der Ölpumpe immer dann, wenn der Motor gestartet wird, mit nicht gefiltertem Öl solange vorgenommen, bis ein ausreichender Druckaufbau im Schmiersystem erfolgt ist. Erst zu diesem Zeitpunkt wird durch ein Wegeventil gefiltertes, gekühltes Öl der Turboladerschmierung zugeführt, und der Zufluß von nicht gefiltertem Öl wird gesperrt. Das bedeutet, daß bei einem vom Laufen noch warmen Motor heißes Öl der Turboladerschmierung zugeführt wird, obwohl natürlich kühles Öl wesentlich bessere Schmier- und auch Kühleigenschaften besitzt. Dieses bekannte Schmiersystem ist ferner zur Versorgung von Kühlstrahlen zum Zwecke der Kolbenkühlung des Motors nicht ausgelegt.
Aus der DE-OS 18 07 639 ist ein Motorschmier- und Kühlsystem bekannt, bei dem Ölstrahlen zur Kolbenkühlung eingesetzt werden und ferner auch Öl zur Motorlagerschmierung bereitgestellt wird. Eine Turboladerschmierung ist dabei nicht vorgesehen. Mittels eines Kolbenkühl-Reglerventils kann die Zufuhr von Schmieröl zur Versorgung der Kühlstrahlen zur Kolbenkühlung des Motors gesteuert werden.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schmiersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß eine funktionsgerechte Versorgung der Schmierstellen des Motors und des Turboladers sowie der Kolbenkühlung in wirtschaftlicher Weise erreicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vor. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird beispielsweise erreicht, daß beim erneuten Starten eines warmen Motors die Turboladerschmierung sogleich mit gekühltem Öl versorgt wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert; in der Zeichnung zeigt
Fig. 1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem damit verbundenen Turbolader sowie ein Schmiersystem zur Lieferung von Schmiermittel an den Motor und den Turbolader beim Starten des Motors;
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt eines Wegesteuerventils, verwendet im erfindungsgemäßen Schmiersystem, und zwar dargestellt in einer ersten Stellung (Ruhestellung) während des Startens des Motors;
Fig. 3 eine schematische Ansicht ähnlich Fig. 1, wobei aber hier das Schmiersystem in einem Zustand nach dem Erreichen der Betriebstemperatur gezeigt ist;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der Fig. 2, wobei hier das Wegesteuerventil in einer zweiten Stellung (Arbeitsstellung) dargestellt ist, nämlich nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Schmiersystems.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10 mit einem damit verbundenen Turbolader 11. Der Motor ist von üblicher Konstruktion und umfaßt ein Kurbelwellengehäuse 12 zur Aufnahme von Schmieröl und eine Vielzahl von hin- und herbewegbar im Motor angeordneten Kolben 13. Erste Sammelleitungsmittel 14 sind am Motor angeordnet, um Schmieröl den Kurbelwellen- und Pleuelstangen-Lagern zuzuführen.
Zweite Sammelleitungsmittel 15 sind ebenfalls am Motor angeordnet, um Schmieröl den schematisch dargestellten Kühlstrahlen zuzuführen, die benachbart zur Unterseite der Kolben 13 angeordnet sind (vgl. Fig. 3). Der Turbolader 11 umfaßt eine Welle 16, die den darauf befestigten Kompressor- und Turbinenrädern gemeinsam ist. Die Welle ist drehbar in Ringlagern 17 gelagert, denen Schmieröl in der im folgenden zu beschreibenden Weise zugeführt werden kann.
Das Schmiersystem zur Zuführung von Öl von dem Kurbelwellengehäuse 12 zu den Sammelleitungsmitteln 14 und 15 und zu den Lagern 17 ist in den Fig. 1 und 2 in dem Betriebszustand dargestellt, wenn der Motor 12 angelassen wird. Vom Motor angetriebene Pumpenmittel 18 liefern Öl durch einen Ölkühler 19 über eine Leitung 20. Eine Auslaßleitung 21 vom Ölkühler teilt sich in Zweigleitungen 22 und 23 auf, um Schmieröl den Sammelleitungsmitteln 14 bzw. den Lagern 17 zuzuführen.
Wie im einzelnen in Fig. 2 gezeigt ist, läuft das in die Zweigleitung 22 fließende Öl durch ein Filter 24 (welches ein nicht gezeigtes, damit verbundenes übliches Bypassventil aufweisen kann) und von dort in eine Leitung 25. Die Leitung 25 liefert Öl an eine Leitung 26, die ihrerseits Öl zu den Sammelleitungsmitteln 14 führt, um die Kurbelwellen- und Pleuelstangen-Lager (Motorlagerschmierung) des Motors zu schmieren. Gleichzeitig damit fließt Öl durch eine Öffnung 27, die im Gehäuse von Richtungssteuerventilmitteln ( Wegesteuerventil) 28 ausgebildet ist, und zwar aus im folgenden erläuterten Gründen.
Nach dem Anlassen des Motors wird nicht gefiltertes Schmieröl von der Zweigleitung 23 direkt den Lagern 17 ( Turboladerschmierung) des Turboladers 11 über das Wegesteuerventil zugeführt. Im einzelnen ist in dem Wegesteuerventil 28 ein Kolben 29 hin- und herbewegbar angeordnet und anfangs durch eine Druckschraubenfeder 30 nach links (in seine Ruhestellung) federnd vorgespannt, um Öl den Lagern 17 über einen Einlaß oder einen ersten Kanal 31, eine erste Ringnut 32, ausgebildet um den Kolben 29 herum, einen Auslaß oder zweiten Kanal 33 und eine Leitung 34 zuzuführen.
Auf diese Weise wird die volle Kapazität der Pumpe 18 dazu verwendet sicherzustellen, daß eine hinreichende Schmierölmenge den Kurbelwellen- und Pleuelstangen-Lagern des Motors und den Lagern 17 des Turboladers 11 zugeführt wird, um so einen unerwünschten Abrieb oder eine Schädigung an diesen Elementen zu verhindern. Gleichzeitig damit blockiert ein Steg 35 des Kolbens 29 die Verbindung von Leitung 23 mit einer Leitung 36, die zu Kolbenkühlungszwecken mit zweiten Sammelleitungsmitteln 15 in Verbindung steht. Auf diese Weise können die Sammelleitungsmittel 14 mit einer kleineren Kapazität ausgelegt werden als dies erforderlich wäre, wenn sie gemeinsam mit den Sammelleitungsmitteln 15 ausgebildet würden. Die Sammelleitungsmittel 14 füllen sich auf diese Weise schnell an, und die Möglichkeit des Aufbaus eines übermäßigen Druckabfalls am Filter 24 wird minimiert.
Die Fig. 3 und 4 stellen das Schmiersystem in einem Zustand des Motorbetriebs nach dem Starten dar, wobei sich der Kolben 29 automatisch nach rechts entgegen der entgegenwirkenden Kraft der Feder 30 dann bewegt, wenn der Druckaufbau im System ein vorbestimmtes Niveau übersteigt. Wenn beispielsweise der Druck des einer ausdehnbaren Kammer 37 über Öffnung 27 zugeführten Öls 72,5 kPa (Überdruck) übersteigt, so beginnt der Kolben seine Rechtsbewegung aus der geschlossenen Stellung (Ruhestellung) gemäß Fig. 2 in seine Arbeits- oder Öffnungsstellung gemäß Fig. 4. Nach dem Ablösen des Kolbens fängt eine zweite, um den Kolben herum ausgebildete Ringnut 38 an, unter Druck stehendes Öl der Leitung 36 zuzuführen, die ihrerseits dieses Öl den Kolbenkühlstrahlen zuführt. Beispielsweise bei 138 kPa bewegt sich der Kolben vollständig nach rechts in seine Stellung gemäß Fig. 4, wodurch die Ringnut 38 vollständig offen ist, um unter Druck stehendes Öl frei der Leitung 36 zuzuführen.
Wie weiterhin in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Ringnut 32 nunmehr durch ihre Bewegung außer Verbindung mit dem Kanal 31, und ein zweiter Steg 39 des Kolbens blockiert die Verbindung zwischen Kanälen 31 und 33. Ein Zweig oder dritter Kanal 40übernimmt es nun, gefiltertes Schmieröl von Kammer 37 zur Leitung 34 zu liefern, um die Lager 17 des Turboladers zu schmieren.
Wenn der "heiße" Motor auf einen niedrigen Leerlaufbetriebszustand heruntergeschaltet wird, so werden sich auch die Systemdrücke automatisch absenken. Demgemäß wird sich der Ventilkolben 29 aus seiner Stellung gemäß Fig. 4 in seine Stellung gemäß Fig. 2 hinbewegen um anzufangen, die Verbindung des Schmiermittelöls von Leitung 23 zur Leitung 36 für Kolbenkühlzwecke abzutrennen. Speziell ist die Kolbenkühlung normalerweise nicht bei einem niedrigen Leerlaufzustand des Motorbetriebs erforderlich. Der vollständig geöffnete oder vollständig geschlossene Zustand des Wegesteuerventils kann in geeigneter Weise auf irgendeinen zweckmäßigen Bereich eingestellt werden, und zwar durch die richtige Auswahl einer geeigneten Federkonstante und Vorbelastung für die Schraubenfeder 30.

Claims

1. Schmiersystem mit Ölfilter (24) und Ölkühler (19) für einen Motor mit Turbolader, bei welchem von einer Pumpe (18) geliefertes Schmieröl den Kurbelwellen- und Pleuelstangenlagern des Motors (Motorlagerschmierung) und dem Wellenlager des Turboladers (Turboladerschmierung) zugeführt wird, wobei folgendes vorgesehen ist:
das von der Pumpe (18) kommende Öl wird über Leitungsmittel (20) einem Verzweigungspunkt zugeleitet, von wo aus ein Teil des Öls über das Ölfilter (24) enthaltende Leitungsmittel ( 22, 25) der Motorlagerschmierung zugeführt wird,
während eine weitere von dem Verzweigungspunkt ausgehende Leitung (23) das restliche Öl einem Wegesteuerventil (28) zuführt,
welches durch das zur Motorlagerschmierung fließende Öl bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks aus seiner Ruhestellung (Fig. 2),
in der es nicht gefiltertes Öl von der weiteren Leitung (23) zur Turboladerschmierung hindurchläßt,
in eine Arbeitsstellung (Fig. 4),
in der es die Zufuhr nicht gefilterten Öls zur Turboladerschmierung sperrt und stattdessen gefiltertes Öl von den Leitungsmitteln (22, 25) zur Turboladerschmierung fließen läßt, umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ölkühler (19) zwischen der Pumpe (18) und dem Verzweigungspunkt angeordnet ist, so daß das gesamte geförderte Schmieröl gekühlt, und demzufolge in der Ruhestellung des Wegesteuerventils (28) nicht gefiltertes, aber gekühltes Öl der Turboladerschmierung zugeführt wird,
und daß ferner Schmieröl zur Versorgung von Kühlstrahlen zur Kolbenkühlung des Motors über das Wegesteuerventil (28) nur dann geliefert wird, wenn es sich in seiner Arbeitsstellung befindet.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegesteuerventil (28) ein Gehäuse mit einem darinnen zwischen der Ruhestellung und der Arbeitsstellung hin- und herbewegbar angeordneten Kolben (29) aufweist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (29) axial mit Abstand angeordnete ringförmige erste und zweite Nuten (32, 38) aufweist, wobei die erste Nut (32) einen ersten Kanal (31) mit einem zweiten Kanal (34), die beide in dem Gehäuse ausgebildet sind, verbindet, wenn sich der Kolben in seiner Ruhestellung befindet, und die zweite Nut (38) die weitere Leitung (23) mit einer zur Kolbenkühlung führenden Leitung (36) verbindet, wenn sich der Kolben (39) in seiner Arbeitsstellung befindet, und daß ferner ein dritter Kanal (40) in dem Gehäuse ausgebildet ist, um gefiltertes Öl an die Turboladerschmierung weiterzuleiten, wenn der Kolben sich in seiner Arbeitsstellung befindet.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegesteuerventil (28) Federmittel (30) aufweist, die in dem Gehäuse angeordnet sind, um den Kolben (29) in seiner Ruhestellung zu halten, wenn der Druck des Öls nach dem Ölfilter (24) unterhalb des vorbestimmten Drucks liegt.

5. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kammer (37) in dem Gehäuse des Wegesteuerventils (28) an einem Ende des Kolbens (39) gebildet ist, die mit gefiltertem Öl beaufschlagt ist, um den Kolben in die Arbeitsstellung zu bewegen, wenn der Schmiermitteldruck den vorbestimmten Druck übersteigt.