DE3002155A1

DE3002155A1 - Maschinenaggregat mit schmiermittelkuehlung

Info

Publication number: DE3002155A1
Application number: DE19803002155
Authority: DE
Inventors: Friedrich 7053 Kernen Bährle; Helmut 7302 Ostfildern Wulf
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1980-01-22
Filing date: 1980-01-22
Publication date: 1981-09-03
Also published as: FR2474139B1; FR2474139A1; US4393922A

Description

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Daimler-Benz Aktiengesellschaft

Stuttgart-Untertürkheim Daim 12 654/4

18.1.80

Maschinenaggregat mit Schmiermittelkühlung

Die Erfindung betrifft ein Maschinenaggregat mit Schmiermittelkühlung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Insbesondere bei Brennkraftmaschinen besteht die Gefahr einer Überhitzung des Schmiermittels, weshalb diese häufig mit einem Schmiermittelkühler versehen sind. Bei Zwangsumlaufschmierungen kann die Schmiermittelpumpe auch dazu benutzt werden, das Schmiermittel durch einen Ölkühler hindurchzudrücken. Bei reinen Tauchschmierungen, bei denen u. U. ebenfalls die Gefahr einer ölüberhitzung bestehen kann, müßte lediglich für eine Schmiermittelkühlung außer einem Ölkühler auch noch eine Umwälzpumpe angeordnet werden. Dadurch gestaltet sich die Schmiermittelkühlung nicht nur recht aufwendig und teuer, sondern sie wird auch recht schwer, was insbesondere bei Anwendungen in Fahrzeugen störend ist.

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Die DE-OS 2 745 ^931 zeigt einen in die Wandung der Ölwanne einer Brennkraftmaschine integrierten ölkühler für eine Zwangsumlaufkühlung. Dabei wird ein anderes Kühlmedium, beispielsweise das Kühlwasser der Brennkraftmaschine wärmeaufnehmend durch die Hohlräume des wandintegrierten Flüssig/Flussig-Kühlers zwangsweise hindurchgeleitet. Eine solche aufwendige Zwangsumlaufkühlung mit einem gesonderten Kühlmedium ist bei Tauchschmierungen Oder bei solchen Aggregaten, die nicht durch eine gesonderte Kühlflüssigkeit gekühlt werden, nur mit unvertretbar hohem Aufwand anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst einfache jedoch wirkungsvolle Schmiermittelkühlung zu schaffen, die ohne Platz-, Kosten- und Gewichtsprobleme ohne weiteres auch bei Tauchschmierungen anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die im Kennzeichen erwähnten Wärmerohre sind an sich bekannt. Hierunter soll ein evakuierter hermetisch dicht verschlossener aus gut wärmeleitendem Material gebildeter Hohlraum vorzugsweise in Rohr- oder Plattenform verstanden sein, der mit einem verdampfbaren und kondensierbaren Wärmet rag ermedium zu einem Bruchteil gefüllt und im übrigen evakuiert bzw. mit einem Inertgas gefüllt ist. Die Auswahl des Wärmeträgermediums richtet sich nach dem Temperaturniveau, bei dem Wärme übertragen werden soll. Das Wärmerohr ist im Innern teilweise mit einer Kapillarstruktur zum

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Rücktransport des kondensierten Wärmeträgermediums von der ■wärmeabgebenden Stelle zur wärmeaufnehmenden Stelle versehenj dieses kann z. B. in Form einer Auskleidung des Rohres mit einem Siebgewebe oder durch eine Rillenstruktur der inneren Rohroberfläche geschehen. An der heißen Stelle des Wärmerohres, an der Wärmeenergie zugeführt w-ird, verdampft das eingegebene Medium und breitet sich rasch im Innern des Wärmerohres aus. An wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres achlägt sich das verdampfte Medium nieder und kondensiert unter Abgabe seiner Wärme an die Wandung des Wärmerohres. Das Kondensat kriecht durch Kapillarwirkung zu den Wärmezufuhrstellen des Wärmerohres zurück. Die an der Kondensatseite vom Medium an die Wandung des Wärmerohres abgegebene Wärmemenge wird auf der Außenseite durch Strahlung oder durch Konvektion oder durch Wärmeleitung abgeführte Da an άβτι wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres eine Zustandsänderung des Wärmeübertragungsmediums stattfindet, wird im wesentlichen die für die Zustandsänderung erforderliche Umwandlungsenergie in Wärmefomr übertragen. Da die Umwandlungsenergien bezogen auf die Masse des Wärmeübertragungsmediums wesentlich grosser sini als die durch Aufheizung eines Mediums speicherbaren Energiemengen, kann durch den Transport relativ kleiner Mengen an Wärrmeübertragungsmedium eine große Wärmemenge auch über größere Entfernungen hinweg übertragen werden. Durch Aufprägen eines bestimmten Druckes auf das Innere des Wärmerohres kann im übrigen auch dafür gesorgt werden, daß die Wärmeübertragung nur bis zu einer ganz bestimmten Temperatur stattfindet. Durch die Kapillarstruktur kann bis zu gewissen Grenzten ein Rücktransport des Kondensates auch entgegen der Schwerkraft erfolgen.

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Die ältere Patentanmeldung P 28 39 365.9 zeigt eine Brennkraftmaschinenkühlung unter Verwendung von Wärmerohren. Hierbei handelt es sich jedoch um eine andere Anwendung als die Schmiermittelkühlung.

Zweckmäßigerweise kann das Wärmerohr nach Art von Rippen, die hohl ausgebildet sind, in die Wandung des Schmiermittelsammelraumes bzw. einer vom Schmiermittel beaufschlagten Gehäusewandung des Maschinenaggregates integriert sein. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele; dabei zeigen:

Fig. 1 und 2 . Seitenansicht (Fig. 1) und Vorderansicht

(Fig. 2) einer Brennkraftmaschine, mit an mehreren Stellen wandintegrierten Wärmerohren zur Schmiermittelkühlung,

Fig. 3 und 4 Querschnitte durch wandintegrierte Wärmerohre unterschiedlicher Einbaulage,

Fig. 5 die schematische Darstellung eines Kraftfahrzeug-Schaltgetriebes mit einem hydrodynamischen Arbeitskreislauf sowie mit einer Kühlung für die Arbeitsflüssigkeit des hydrodynamischen Kreislaufes und - davon gesondert - eine Schmiermittelkühlung für den mechanischen Teil des Getriebes,

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Fig. 6 eine Schmiermittelkühlung für ein Hinterachsgetriebe einer Fahrzeugtreibachse und

Fig. 7 eine vergrößerte Einzeldarstellung der mit

der Kreislinie VII bezeichneten Einzelheit aus Fig. 6.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkraftmaschine weist u. a. eine Zylinderkopfhaube 2, einen Motorblock 3 und eine ölwanne 4 auf. Bekanntermaßen befindet sich unterhalb der Zylinderkopfhaube die Ventilsteuerung der Brennkraftmaschine, die einen hohen Anteil am gesamten Schmiermittelbedarf der Brennkraftmaschine hat. Die Nocken, Kipphebel und oszillierenden Ventile der Ventilsteuerung verspritzen das ihnen zugeführte Schmieröl intensiv an die Innenseite der Zylinderkopfhaube. Aus diesem Grunde sind an der Gehäusewandung 8 der Zylinderkopfhaube zwei rippenförmige Wärmerohre 5 angebracht, über die bereits ein gewisser Anteil an Schmiermittelwärme an die Umgebungsluft abgeführt werden kann. Auch am unteren Teil des Motorblocks 3 wird von den Triebwerksteilen der Brennkraftmaschine das zugeführte Schmieröl intensiv an die Wandung des Motorblocks verspritzt, so daß auch dort zur Abfuhr von Schmierölwärme rippenförmige Wärmerohre 5· angeordnet sind. Im ölsumpf der ölwanne 4 sind ebenfalls wandintegrierte rippenförmige Wärmerohre 5" angeordnet. Die rippenförmigen Wärmerohre erstrecken sich mit ihrem wärmeaufnehmenden Teil 6 in das Schmiermittel hinein bzw. sind mit diesem Teil vom Schmiermittel beaufschlagt. Der

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wärmeabgebende, äußere Teil der Wärmerohre ist von Umgebungsluft beaufschlagbar. Die an der Zylinderkopfhaube und am Motorblock angeordneten rippenförmigen Wärmerohre 5 bzw. 5¹ sind so angeordnet, daß sie in der in den Figuren dargestellten Einbaulage der Brennkraftmaschine ohne weiteres einen Rücktransport des Kondensats in Richtung der Schwerkraft 13 hin zum wärmeaufnehmenden Teil 6 auch ohne Kapillarstruktur ermöglichen. Bei den in der ölwanne angeordneten rippenförmigen Wärmerohren 5" ist ein Rücktransport nur entgegen der Schwerkraftrichtung mit Hilfe einer guten Kapillarstruktur möglich.

Die Fig. 3 zeigt ein stiftartiges in die Wandung 8 eines Gehäuseteiles integriertes Wärmerohr 9 in Einzeldarstellung, welches im wesentlichen gleich beim Gfeßen des Gehäuses mit erzeugt werden kann. Das Wärmerohr weist einen schlanken konischen Hohlraum 14 auf, der auf seiner Innenseite eine Kapillarstruktur 12 trägt, die beispielsweise durch Wandrauhigkeiten des Abgusses gebildet sein kann. Die konische Form des Hohlraumes 14 ist lediglich durch einen gußtechnischen Anzug bedingt. Die beim Guß offene Innenseite des Hohlraumes ist durch ein Verschlußblech 1o, welches ein Füllrohr 11 trägt, hermetisch dicht verschlossen. Das Verschlußblech kann beispielsxveise hart aufgelöter sein. Durch das Füllrohr kann das Wärmerohr evakuiert, mit Wärmeübertragungsmedium gefüllt und anschließend hermetisch durch Abquetschen und Zuschweißen des Füllrohres verschlossen werden.

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Im Unterschied zu dem stiftförmigen Wärmerohr nach Fig. zeigt die Fig. 4 ein rippenförmiges Wärmerohr 9' mit einem keilförmigen Hohlraum 14' und einem streifenförmigen Verschlußblech 1o^r. Die Darstellung der Fig. 4 zeigt das Wärmerohr 9' in einer solchen Einbaulage relativ zur Richtung 13 der Schwerkraft, daß der äußere wärmeabgebende Teil geodätisch tiefer liegt als der innere wärmeaufnehmende Teil. Die Kapillarstruktur 12 muß in diesem Fall sehr wirkungsvall sein, um das Kondensat entgegen der Schwerkraft in den oben liegenden wärmeaufnehmenden Teil zurücktransportieren zu können. Es sei an dieser Stelle der Vollständigkeit halber noch vermerkt, daß beim Giessen die offene Seite des Hohlraumes 14 auch auf der anderen, d. h. äußeren Seite der Gehäusewandung angeordnet werden kann; das Verschlußblech 1o bzw. 1o' kann auch am äußeren wärmeabgebenden Teil des Wärmerohres angeordnet sein. Es sind vor allen Dingen Fragen des Aussehens und einer strömungsgünstigeren Gestaltung sowie eines Berührungsschutzes - das Einfüllrohr T1 könnte bei einer äusseren Anordnung durch einen unbeabsichtigten Stoß leicht abgerissen werden - weshalb bevorzugt die innenliegende wärmeaufnehmende Seite des Wärmerohres die offene durch ein Verschlußblech zu verschließende Seite bildet.

Die Fig. 5 zeigt ein Schaltgetriebe 15 für Kraftfahrzeuge umfassend einen hydrodynamischen Teil mit einem hydrodynamischen Arbeitskreislauf 16 und einem mechanischen Teil mit mehreren Gangstufen 17. Im hydrodynamischen Teil ist eine gesonderte Füllpumpe 18 für den hydrodynamischen Arbeitskreislauf vorgesehen, die beim dargestellten Ausfüh-

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rungsbeispiel aus einem Ölsumpf 19 den Arbeitskreislauf auffüllt. Die Pumpe 18 hält einen Kreislauf zwischen dem hydrodynamischen Arbeitskreislauf 16 einerseits und dem Ölsumpf 19 andererseits aufrecht, so daß innerhalb eines bestimmten Zeitintervalles die ganze Arbeitsölmenge einmal umgewälzt ist. Das Arbeitsmittel des hydrodynamischen Arbeitskreislaufes wird durch mehrere in die Wandung des ölsumpfes integrierte rippenartige Wärmerohre 22 gekühlt, die sich teils in das öl hineinerstrecken und mit dem außenliegenden Teil von Umgebungsluft beaufschlagbar sind. Auch der mechanische Teil des Getriebes 15 weist eine Schmiermittelpumpe 21 auf, die das Schmiermittel von dem Sumpf 2o zu den Schmiermittelbedarfsstellen leitet. Auch hier sind wandintegrierte rippenartige Wärmerohre- 23 zur Abfuhr der Schmiermittelwärme an die Umgebungsluft vorgesehen. Es sei hier noch angemerkt, daß anstelle der dargestellten untenliegenden Anordnung der Wärmerohre. zweckmäßiger noch eine Seitenanordnung ähnlich wie der der Wärmerohre 5' am Motorblock der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 bzw. 2 unter leicht geneigter Anordnung der Wärmerohre nach innen vorgesehen sein kann. Dadurch kann die Schwerkraft zum Rücktransport des Kondensates zum innenliegenden wärmeaufnehmenden Teil mit ausgenutzt werden, wodurch die Kühlleistung der Wärmerohre. günstig beeinflußt wird.

In Fig. 6 ist ein Hinterachs- bzw. Differentialgetriebe 25 einer Fahrzeugtreibachse 31 dargestellt, welches normalerweise keine Zwangsumlaufschmierung sondern lediglich eine Tauchschmierung aufweist. Bei schwerem Einsatz der Fahrzeuge kann in einem solchen Hinterachsgetriebe u. U.

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eine Überhitzung des Schmiermittels zumindest aber eine vorzeitige thermisch bedingte Alterung des Schmiermittels eintreten. Durch thermisch bedingte Viskositätsabsenkungen kann auch die Schmierfähigkeit " und die

Fähigkeit zur Bildung eines hydrodynamischen Schmierfilmes absinken. Zur Aufrechterhaltung einer günstigen Betriebstemperatur und einer guten Schmierfähigkeit des Schmiermittels ist gemäß der Darstellung nach Fig. 6 eine Schmiermittelkühlung mittels Wärmerohr 26 auch an dem Hinterachsgetriebe vorgesehen. Die Wärmerohre erstrecken sich mit einem oder mehreren im Querschnitt rund gestalteten wärmeaufnehmenden Teil 27 durch eine Gehäusedurchführung 29 in den ölsumpf des Getriebegehäuses. Der außenliegende wärmeabgebende Teil 28 ist plattenförmig aus zwei hermetisch dicht miteinander verschweißten Blechplatten ausgebildet. Dank der plattenförmigen Ausgestaltung des wärmeabgebenden Teiles wird eine 'größere Oberfläche nicht nur für die Kondensierung des Wärmeübertragungsmediums sondern auch für die konvektive Wärmeabgabe an die Umgebungsluft erzielt. In der flüssigen Phase gestaltet sich der Wärmeübergang sowohl auf der Aussenseite des Wärmerohrteiles 27 als auch auf dessen Innenseite günstiger, so daß dort eine geringere Oberfläche vorgesehen sein kann.

Der Vorteil der Schmiermittelkühlung insbesondere bei Hinterachsgetrieben liegt darin, daß unabhängig von der jeweils übertragenen bzw. verarbeiteten Leistung in dem Maschinenaggregat eine gleichbleibende Schmiermitteltemperatur vorausgesetzt werden kann. Bisher war es bei Maschinenaggregaten ohne Schmiermittelkühlung so, daß die ölauswahl

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nach dem Betriebspunkt mit höchster Reibleistung und somit höchster Schmiermittelerwärmung getroffen wurde. Bei geringeren Leistungen stellte sich eine niedrigere Schmieröltemperatur und eine niedrigere Ölviskosität ein. Dieses wiederum führte zu vermehrter ölreibung und Panscharbeit, die den Wirkungsgrad des Maschinenaggregates belastete. Dank einer selbstregulierenden Schmiermittelkühlung kann - wie gesagt - leistungsunabhängig eine etwa konstante Schmiermitteltemperatur und eine gleichbleibende Viskosität vorausgesetzt werden. Demgemäß kann von vornherein eine niedrigere und für den gesamten Betriebsbereich günstigere ölsorte mit geringerer Viskosität ausgewählt werden. Dies führt zu einer nicht unbeträchtlichen Anhebung des Wirkungsgrades im Teillastbereich.

Die selbstregelnde Wirkung der Schmiermittelkühlung mittels Wärmerohren kann dadurch erzielt werden, daß aufgrund einer geeigneten Auswahl eines Wärmeübertragungsmediums und eines entsprechenden Druckes innerhalb des Wärmerohres das Wärmeübertragungsmedium erst bei und oberhalb der Betriebstemperatur des Schmiermittels verdampft und dementsprechend erst oberhalb der Betriebstemperatur des Schmiermittels eine nennenswerte Wirkung der Wärmerohre einsetzt. Angestrebt wird beispielsweise eine Betriebstemperatur des Schmiermittels im Bereich von 8o bis 9o C; Temperaturen im Bereich von 12o bis 14o ⁰C sind schädlich und sollen mit Sicherheit vermieden werden. Als Wärmeüb ertrgungsme dium kommen beim vorliegenden Anwendungsfall Kältemittel wie z. B. Acetone, Fräone, Ammoniak oder Alkohole mit mehr oder weniger Wasseranteil in Frage. Solange das Wärmeübertragungsmedium seinen Siedpunkt innerhalb des

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Wärmerohres noch nicht erreicht hat, liegt es noch nahezu vollständig in flüssiger Phase vor und der für eine Wärmeübertragung durch das Wärmerohr erforderliche Kreislauf zwischen dampfförmiger und flüssiger Phase ist unterbrochen. Erst wenn das Wärmeübertragungsmedium seinen Siedepunkt erreicht, kann sich ein Kreislauf und dementsprechend eine Wärmeübertragung aufbauen. Die Wärmeübertragung und dementsprechend die Kühlleistung ist um so intensiver, je größer das Temperaturgefälle ist. Schon wenige Grade an Siedepunktüberschreitung heben die Kühlleistung sehr stark an. Der Bereich der praktisch sich einstellenden Betriebstemperaturen ist daher auch bei größeren Reibleistungen auf 1o bis 2o C oberhalb des Siedepunktes des Wärmeübertragungsmediums innerhalb des Wärmerohres beschränkt.

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Claims

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Ansprüche

Mit flüssigem Schmiermittel geschmiertes Maschinenaggre-.gat mit Schmiermittelsammelraum sowie mit Schmiermittelkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch wenigstens ein Wärmerohr (5, 5', 5", 9, 22, 23, 26) erfolgt und dieses mit seinem wärmeaufnehmenden Teil (6, 27) vom Schmiermittel und mit seinem wärmeabgebenden Teil (7, 28) von Umgebungsluft beaufschlagbar ist ο
2. Maschinenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmerohre (5", 22, 23, 26) mit ihrem wärmeaufnehmenden Teil (6, 2 7) am Schmiermittelsammelraum (4, 19_S 2o, 3o) angeordnet sind.
3. Maschinenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmerohre (5, 5') mit ihrem wärmeaufnehmenden Teil (6) im Bereich einer hohen Rücklaufströmung des Schmiermittels in den Sammelraum (4) angeordnet sind (Fig» 1 und 2).
4. Maschinenaggregat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der wärmeaufnehmende Teil (27) des oder der Wärmerohre (26). einen der Kreisform wenigstens angenäherten.Querschnitt aufweist und daß der wärmeabgebende Teil (28) als ein wenigstens eine Platte aufweisender Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.

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5. Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Wärmerohre (5, 5', S", 9, 22, 23) in die äußerlich von Umgebüngsluft beaufschlagbare Wandung des Schmiermittelsammelraumes (4, 19, 2o) bzw. eines Schmieröl-beaufschlagten Gehäuseteiles (2, 3) des Maschinenaggregates {1) integriert sind.
6. Maschinenaggregat nach Anspruch 5 mit durch Gießen hergestellter Wandung des Schmiermittelsammelraumes bzw. eines Schmieröl-beaufschlagten Gehäuseteiles, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wandung (8) diese durchsetzende nach Art von Rippen (9)> Stehbolzen od. dgl. sowohl nach innen als auch nach aussen ragende die Wärmerohre bildende Hohlräume (14) angeformt sind.
7. Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in betriebsbereiter Einbaulage des Maschinenaggregates (1> 25) der wärmeabgebende Teil (7, 28) der Wärmerohre.. (5, 5', 26) geodätisch höher liegt als deren wärmeaufnehmender Teil (6, 27).
8. Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre ein solches Wärmeübertragungsmedium und unr ter einem solchen Druck enthalten, daß dieses erst bei und/oder oberhalb der Betriebstemperatur des Schmiermittels verdampft.

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9. Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Brennkraftmaschine (1) handelt.
10. Maschinenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Getriebe (15, 25) handelt.
11. Maschinenaggregat nach Anspruch 1o, dadurch

g ekennz e i c hne t , daß es sich bei dem Getriebe um ein Differentialgetriebe (25) einer Fahrzeugtreibachse (31) handelt.
12. Maschinenaggregat nach Anspruch 1o_s dadurch gekennzeichnet ₅ daß es sich bei dem Getriebe um ein Schaltgetriebe (15) eines Kraftfahrzeuges handelt.
13. Maschinenaggregat nach Anspruch 1o_s dadurch gekennzeichnet _t daß es sich bei dem Getriebe um ein Flüssigkeitsgetriebe (16) handelt_s wobei die Abwärme der Arbeitsflüssigkeit mittels Wärmerohr (22) abgeführt wird.
14. Maschinenaggregat nach Anspruch 9_S dadurch gekennzeichnet ₉ daß Wärmerohre (5") in die Wandung der Ölwanne (4) der Brennkraftmaschine (1) integriert sind.

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15. Maschinenaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß Wärmerohre (5) in die Wandung (8) der Zylinderkopfhaube (Z) der Brennkraftmaschine (1) integriert sind.
16. Maschinenaggregat nach Anspruch 9 _y dadurch gekennzeichnet , daß Wärmerohre (5') in den Motorblock (3) der Brennkraftmaschine (1) integriert sind.

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