用于機動車旋轉部件和擺動部件潤滑的熱絕緣系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種為旋轉部件或擺動部件提供潤滑的熱絕緣潤滑系統，特別是涉及 一種機動車潤滑系統，能夠為如汽油機或柴油機等內燃機的運動部件和/或傳動裝置提供 潤滑。所述潤滑系統可應用在傳統動力的車輛上，或者混合動力的車輛上，或者電動車輛 上，并且也可以應用在發電機、加工機床等固定設備上。
【背景技術】
[0002] 車輛特別是發動機或機械傳動裝置的運動部件的潤滑系統已為公知所熟知，其目 的在于減少運動部件與接觸面之間的摩擦并增加光滑度。這樣能夠減少磨損，降低部件散 發的熱量進而延長服務壽命。此外，運動部件的剛度導致增加的以非生產性的方式利用的 驅動能量以克服所述剛度，并且導致燃料消耗或電能增加，從而導致尾氣排放和操作成本 增加，并且機動車的范圍減小。特別是，發動機尾氣污染的減少和能耗的降低不僅在技術上 是令人期望的性能，而且也是使發動機在國際上滿足不同國家的標準和限值的必備條件。 而且，低效的驅動潤滑管理可導致經營者承擔的稅費的增加。
[0003] 在冷啟動階段，特別是在低溫狀態如0°C，或者極限溫度如-15°C或者更低時，會 出現問題，所使用的潤滑介質特別是潤滑油會表現出高粘度從而導致潤滑性能下降。在新 的歐洲行駛循環（NEDC)測試中，內燃機從低溫（啟動溫度大約為24°C)啟動時的燃料消耗 比在約90°C機油溫度的熱條件進行的相同測試高10%至15%，稱作NEDC熱測試。其部分 原因在于潤滑油在低溫下具有更高的粘度。此時，所供應的能量大部分被浪費掉而未使用， 例如尾氣中包含的熱量。此部分總計占所供應燃料產生能量的約30%~40%。
[0004] 減少摩擦損失的一種方式是采用在低溫下粘度低的高質量潤滑油，另一種方式是 在冷啟動階段蓄意將潤滑介質快速加熱。
[0005] -些建議是使用熱交換器將增加的熱能輸入至潤滑系統，特別是在冷啟動階段加 快加熱速度。從一些出版物得知，借助于尾氣或燃油熱交換器將發動機潤滑油加熱可顯著 減少燃料消耗和尾氣排放。這意味著發動機預熱階段被加速，原因在于尾氣熱交換器以一 種復雜的方式將發動機潤滑油加熱并降低油壓。然而，這樣導致的問題是在加熱階段必需 防止發動機特別是發動機潤滑油過熱。為此，需要使用額外的高效油冷卻器。然而，已知的 解決方案在技術設計上復雜并容易出錯，并且降低的燃料消耗相對來講比較小，導致在大 多數情況下因經濟原因很少實際采用。
[0006] 以舉例方式所引用的DE10 2009 013 943A和PCT/EP2010/053643均建議旁通油 管，在啟動階段，當至少部分潤滑油從大量潤滑油中解耦時，利用旁通油管可使減少量的油 潤滑使用的潤滑油選擇性地通過內燃機或轉動裝置中加熱迅速的部件。
[0007] JP2001 323808A所示的油潤滑系統中，借助于油栗潤滑油可從設置在貯油槽的 吸油管進入潤滑系統，其中，借助于旁通油管和熱交換器，潤滑油可被排氣系統加熱。加熱 之后的潤滑油可儲存于熱絕緣的中間罐并通過在貯油槽的吸入喇叭下面的給油管直接返 回潤滑系統。
[0008]在以下的會議論文中提出了進一步的解決方案，Will，F. "一種降低耗油量的 新尾氣熱能回收系統"，F2010A073,FISITA布達佩斯會議（國際汽車工程師學會），匈 牙利，2010,以及Will，F.，Boretti，"一種加熱潤滑油以提高燃油經濟性的新方法"，SAE 2011-01-0318, 2011 (汽車工程師學會）。
[0009] DE10 2011 005 496A1描述了一種內燃機潤滑系統，所述內燃機包括油路、散熱 器和設置在發動機上游加熱潤滑油的儲熱器。儲熱器與散熱器并聯，通過閥門可開關散熱 器和儲熱器之間的油路。連至儲熱器的油管設為外絕緣以防儲熱器與發動機的距離過遠。 外絕緣在后期容易使用，并且能增大機械的尺寸和絕緣區域的外表以及它們的耐久性和韌 性。而且外絕緣通常耐火性差因此導致消防安全隱患；例如它可因侵蝕而破損。外絕緣的 另一個不足之處在于外表面的增大導致熱量流失增多。而且總重量也因外絕緣而增加。另 一方面，當金屬外殼采用內絕緣時，由于金屬外殼有部分較重的材料被更輕的絕緣層代替， 因此總重量減輕，特別是絕緣層采用塑料時。所述出版物中未提及油管的內絕緣，特別是在 有金屬外殼的情況下。如果外殼使用如塑料之類的絕緣材料制成，結構強度、剛度或韌性達 不到使用金屬外殼時的水平，如果使用陶瓷又會導致成本上升。
[0010] DE10 2009 051 820A1公開了一種油潤滑系統的儲熱器，存儲加熱后的傳動潤 滑油。借助于彈簧氣缸，傳動潤滑油可從傳動裝置傳輸到儲油室，反之亦然，即借助彈力傳 動潤滑油可在儲油室進出。所述具有彈簧氣缸的儲熱器包含復雜的幾何形狀和機械設計導 致價格比較貴。由于彈簧氣缸，只有一種增大體積的外絕緣方案可考慮為可能的儲油室外 殼絕緣，產生上述缺點。彈簧氣缸的應用被限制在被動傳動潤滑中。
[0011] DE30 32 090A1公開了一種在內燃機預熱階段加速加熱潤滑油的方法，通過加 熱管或熱交換器使潤滑油加熱很快。該方案用貯油槽控制熱絕緣，其中按要求打開或關閉 通風閥或通風窗以冷卻貯油槽或將其與外界空氣隔離。
[0012] 以上所述降低摩擦功率的方案的不足之處在于摩擦損失減少的同時設計成本高 和對故障的敏感性增加，特別是摩擦損失在費用中占比很小，因為加熱的潤滑油與氣缸體 和汽缸蓋的油道等冷卻器部件以及外殼（如貯油槽和曲軸箱）接觸時又會迅速冷卻。
[0013]本發明的目的在于提供一種克服了現有技術所述不足的潤滑系統，通過簡單的技 術即可實施并能顯著減少摩擦，特別是在冷啟動階段。
【發明內容】
[0014]上述目的通過獨立權利要求1所述的潤滑系統實現。本發明的優選實施例是從屬 權利要求的保護主題。
[0015]根據本發明，旋轉或擺動部件的潤滑系統包括至少一根設置在油箱中的吸油管、 油栗、熱源，和集成到金屬外殼的進一步連接管，特別是將潤滑油分流至如曲軸、凸輪軸、傳 動部件等需要潤滑的部件的油道。油箱可為開放式油箱并且通常不要求隔熱，其結構和設 計可與儲油槽相對應。在油道內且位于熱源上游的至少一根連接管在其內壁上具有內隔熱 層，所述內隔熱層的熱導率為連接管或油道的其它部分的熱導率的5%或者更低，優選至少 低于lWAm?K)，并且當達到潤滑油的第一上限溫度時熱源會關閉或至少減少其熱量輸出。 至少在一處連接管的外圓周長至少是連接管內圓周長的兩倍。
[0016]換言之，根據本發明，在油栗后面的至少部分連接管，即在壓力下的潤滑系統的部 分連接管，優選在例如熱交換器的熱源之后，具有隔熱層，特別是內隔熱層，其防止從潤滑 油至金屬環境的熱量傳遞。結果是，在壓力下一定量的潤滑油被加熱后，當將潤滑油供至需 要潤滑的部位時，特別是供至油道時，僅其吸收的熱量的一小部分損失到具有高熱導率的 金屬環境中。因此，可以實現通過潤滑點被直接供至需要潤滑的部位的潤滑油的快速加熱， 具有降低摩擦的效果，特別是在冷啟動時。
[0017] 盡管DE10 2009 013 943公開了使用尾氣/油熱交換器加熱潤滑油，包括與汽缸 蓋回油管結合使用，改善了冷啟動階段的潤滑效果從而節省耗油量，但是該方案要求的發 動機設計復雜，不能應用在現有的發動機結構中。已知利用尾氣油熱交換器更有利，特別是 在具有相對較大油道的大功率發動機時，此時油管的表面積與體積之比特別低。在小型內 燃機中，相當部分的尾氣熱量可以傳送到潤滑系統，作為表面積與體積之比較高的結果，大 部分熱量消散到金屬環境中，導致無法實現潤滑油的快速加熱。通過如下比較可以說明：如 果將直徑2mm的給油管與直徑1mm的作比較，體積計算公式為V= 1JrD2/4,其中1表示油道 的長度，D表示油道的直徑。油道的表面積的計算公式為A= 1JrD，表面積與體積比A/V= 4/D。當直徑D= 2謹時，其比值為2/mm，當D= 1謹時，其比值為4/mm，是D= 2謹時的兩 倍。結果表明若直徑D減少50%，表面積與體積比會翻倍。其結果是具有更高的容積比熱 傳輸，因此直徑增大時潤滑油通過油道的溫度損失會減少，在潤滑點的潤滑油的流動性增 加。設計具有大燃燒室的發動機時發現該效果，即具有大燃燒室的發動機的比效率比小燃 燒室的高，由于表面積與體積之比更小，大燃燒室發動機通過金屬壁損失的熱量明顯更低。
[0018] 將隔熱層引入到油道的內部，特別是用于潤滑部件的功能結構環境的潤滑點，而 且通過金屬環境形成的結構環境，曲軸、連桿、凸輪軸、軸承、齒輪、部分外殼、在曲柄或傳動 裝置外殼或者與其它部件相對運動的部件的內壁的發動機缸體，將熱能傳遞至冷發動機缸 體時，可具有下述優點：
[0019]-熱絕緣導致熱阻增加；
[0020] -表面積與體積比減小；
[0021] _油道中的油量，以及因此被加熱的油量減小；
[0022] -由于絕緣層和發動機缸體或汽缸蓋之間的接觸阻抗導致熱阻增加。
[0023] 隨著表面積與體積的比率的下降，消散到金屬環境中的熱量減少。舉例說明：考慮 隔熱管的熱導率為1W/(m?K)，油道直徑為20_，內徑為10_。熱阻計算方式為：考慮潤滑 油與汽缸體之間的熱傳導系數h= 40,假設油溫比發動機缸體的溫度高20°C。結果是熱阻 R= 1/(hA) = 1/(h1JrD) = 0? 4K/W。熱阻計算公式為
[0024]
[0025] 其中，r。表示外徑，ri表示內徑，1表示油道的長度，k表示比材料常數。因此結果 是熱阻民=〇?lk/w。當表面傳導阻力he為40WAm2K)，獲得熱阻艮=0? 4mK/W。初始體積 相比，為減小隔熱層體積的表面積-體積比，當Di= 1mm，D= 2mm時，結果是Vi/V= (D;/ D)2= 0? 25,即 25%。
[0026] 最終結果是，根據上文采用的數值可知：
[0027] -隔熱層導致熱阻增加25%;
[0028] _表面積_體積比減小50%，使熱阻進一步增加100% ;
[0029] -油道中油量減少75% ;
[0030]-熱阻因為又接觸阻力進一步增加100%。
[0031] 因此，總的熱傳導阻是沒有內隔熱層時的3. 3倍。由于冷啟動階段因潤滑油損失 的能量減少并且改善了冷啟動階段的潤滑狀況，因此可獲得更好的加熱。
[0032] 日本汽車工程師協會（JSAE)的出版物235-20125071公開了冷啟動階段潤滑油改 進型加熱方法，油箱中的油被分為兩部分，在預熱階段只有油箱中的油的一部分用來潤滑。 如果一定量的熱能被引入分開后的油中，其加熱速度是等量的熱量引入全部油中時的兩 倍。然而，最終發現JSAE235-20125071所示的方案是不適用的。在這種情況下，將油箱分 為兩部分后，在測試中，外室油溫溫度較低，從最高溫度85°C降至45°C，降低了 40°C，而內 室油溫升高不是40°C，即不是從85°C升至125°C。由于內室油量比外室中的少，因此可以預 見溫度上升的更多。其結果是造成誤解，內室的溫度升高最多5°C，節省的燃料只有0. 8%。 原因在于內室中油的熱量主要經發動機缸體和曲軸之間的熱傳遞而消散，在發動機缸體和 曲軸處潤滑油一到達曲軸軸承時就被分離到曲軸箱的外壁。由于表面積巨大，外殼和發動 機缸體的溫度很大程度上決定油溫。因此，油溫不會顯著高于冷卻劑和發動機的溫度，至少 在冷啟動階段不會，因此只能節約很小的耗油量。一種改進后的熱絕緣能克服這些不足，使 摩擦明顯減少、耗油量顯著降低，排氣量也更低。
[0033] 進一步，金屬外殼和金屬管的內隔熱可允許油管和外殼以金屬或高熱傳導率材料 制成，并保持給定的外部機械尺寸，因為只使用了內隔熱層，外部尺寸和設計細節得以保 留，所以避免了現有部件的重新設計。通過油管和外殼部件的內隔熱層，無需變更設計即可 使現有的發動機和