用于机动车旋转部件和摆动部件润滑的热绝缘系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种为旋转部件或摆动部件提供润滑的热绝缘润滑系统，特别是涉及 一种机动车润滑系统，能够为如汽油机或柴油机等内燃机的运动部件和/或传动装置提供 润滑。所述润滑系统可应用在传统动力的车辆上，或者混合动力的车辆上，或者电动车辆 上，并且也可以应用在发电机、加工机床等固定设备上。
【背景技术】
[0002] 车辆特别是发动机或机械传动装置的运动部件的润滑系统已为公知所熟知，其目 的在于减少运动部件与接触面之间的摩擦并增加光滑度。这样能够减少磨损，降低部件散 发的热量进而延长服务寿命。此外，运动部件的刚度导致增加的以非生产性的方式利用的 驱动能量以克服所述刚度，并且导致燃料消耗或电能增加，从而导致尾气排放和操作成本 增加，并且机动车的范围减小。特别是，发动机尾气污染的减少和能耗的降低不仅在技术上 是令人期望的性能，而且也是使发动机在国际上满足不同国家的标准和限值的必备条件。 而且，低效的驱动润滑管理可导致经营者承担的税费的增加。
[0003] 在冷启动阶段，特别是在低温状态如0°C，或者极限温度如-15°C或者更低时，会 出现问题，所使用的润滑介质特别是润滑油会表现出高粘度从而导致润滑性能下降。在新 的欧洲行驶循环（NEDC)测试中，内燃机从低温（启动温度大约为24°C)启动时的燃料消耗 比在约90°C机油温度的热条件进行的相同测试高10%至15%，称作NEDC热测试。其部分 原因在于润滑油在低温下具有更高的粘度。此时，所供应的能量大部分被浪费掉而未使用， 例如尾气中包含的热量。此部分总计占所供应燃料产生能量的约30%~40%。
[0004] 减少摩擦损失的一种方式是采用在低温下粘度低的高质量润滑油，另一种方式是 在冷启动阶段蓄意将润滑介质快速加热。
[0005] -些建议是使用热交换器将增加的热能输入至润滑系统，特别是在冷启动阶段加 快加热速度。从一些出版物得知，借助于尾气或燃油热交换器将发动机润滑油加热可显著 减少燃料消耗和尾气排放。这意味着发动机预热阶段被加速，原因在于尾气热交换器以一 种复杂的方式将发动机润滑油加热并降低油压。然而，这样导致的问题是在加热阶段必需 防止发动机特别是发动机润滑油过热。为此，需要使用额外的高效油冷却器。然而，已知的 解决方案在技术设计上复杂并容易出错，并且降低的燃料消耗相对来讲比较小，导致在大 多数情况下因经济原因很少实际采用。
[0006] 以举例方式所引用的DE10 2009 013 943A和PCT/EP2010/053643均建议旁通油 管，在启动阶段，当至少部分润滑油从大量润滑油中解耦时，利用旁通油管可使减少量的油 润滑使用的润滑油选择性地通过内燃机或转动装置中加热迅速的部件。
[0007] JP2001 323808A所示的油润滑系统中，借助于油栗润滑油可从设置在贮油槽的 吸油管进入润滑系统，其中，借助于旁通油管和热交换器，润滑油可被排气系统加热。加热 之后的润滑油可储存于热绝缘的中间罐并通过在贮油槽的吸入喇叭下面的给油管直接返 回润滑系统。
[0008]在以下的会议论文中提出了进一步的解决方案，Will，F. "一种降低耗油量的 新尾气热能回收系统"，F2010A073,FISITA布达佩斯会议（国际汽车工程师学会），匈 牙利，2010,以及Will，F.，Boretti，"一种加热润滑油以提高燃油经济性的新方法"，SAE 2011-01-0318, 2011 (汽车工程师学会）。
[0009] DE10 2011 005 496A1描述了一种内燃机润滑系统，所述内燃机包括油路、散热 器和设置在发动机上游加热润滑油的储热器。储热器与散热器并联，通过阀门可开关散热 器和储热器之间的油路。连至储热器的油管设为外绝缘以防储热器与发动机的距离过远。 外绝缘在后期容易使用，并且能增大机械的尺寸和绝缘区域的外表以及它们的耐久性和韧 性。而且外绝缘通常耐火性差因此导致消防安全隐患；例如它可因侵蚀而破损。外绝缘的 另一个不足之处在于外表面的增大导致热量流失增多。而且总重量也因外绝缘而增加。另 一方面，当金属外壳采用内绝缘时，由于金属外壳有部分较重的材料被更轻的绝缘层代替， 因此总重量减轻，特别是绝缘层采用塑料时。所述出版物中未提及油管的内绝缘，特别是在 有金属外壳的情况下。如果外壳使用如塑料之类的绝缘材料制成，结构强度、刚度或韧性达 不到使用金属外壳时的水平，如果使用陶瓷又会导致成本上升。
[0010] DE10 2009 051 820A1公开了一种油润滑系统的储热器，存储加热后的传动润 滑油。借助于弹簧气缸，传动润滑油可从传动装置传输到储油室，反之亦然，即借助弹力传 动润滑油可在储油室进出。所述具有弹簧气缸的储热器包含复杂的几何形状和机械设计导 致价格比较贵。由于弹簧气缸，只有一种增大体积的外绝缘方案可考虑为可能的储油室外 壳绝缘，产生上述缺点。弹簧气缸的应用被限制在被动传动润滑中。
[0011] DE30 32 090A1公开了一种在内燃机预热阶段加速加热润滑油的方法，通过加 热管或热交换器使润滑油加热很快。该方案用贮油槽控制热绝缘，其中按要求打开或关闭 通风阀或通风窗以冷却贮油槽或将其与外界空气隔离。
[0012] 以上所述降低摩擦功率的方案的不足之处在于摩擦损失减少的同时设计成本高 和对故障的敏感性增加，特别是摩擦损失在费用中占比很小，因为加热的润滑油与气缸体 和汽缸盖的油道等冷却器部件以及外壳（如贮油槽和曲轴箱）接触时又会迅速冷却。
[0013]本发明的目的在于提供一种克服了现有技术所述不足的润滑系统，通过简单的技 术即可实施并能显著减少摩擦，特别是在冷启动阶段。
【发明内容】
[0014]上述目的通过独立权利要求1所述的润滑系统实现。本发明的优选实施例是从属 权利要求的保护主题。
[0015]根据本发明，旋转或摆动部件的润滑系统包括至少一根设置在油箱中的吸油管、 油栗、热源，和集成到金属外壳的进一步连接管，特别是将润滑油分流至如曲轴、凸轮轴、传 动部件等需要润滑的部件的油道。油箱可为开放式油箱并且通常不要求隔热，其结构和设 计可与储油槽相对应。在油道内且位于热源上游的至少一根连接管在其内壁上具有内隔热 层，所述内隔热层的热导率为连接管或油道的其它部分的热导率的5%或者更低，优选至少 低于lWAm?K)，并且当达到润滑油的第一上限温度时热源会关闭或至少减少其热量输出。 至少在一处连接管的外圆周长至少是连接管内圆周长的两倍。
[0016]换言之，根据本发明，在油栗后面的至少部分连接管，即在压力下的润滑系统的部 分连接管，优选在例如热交换器的热源之后，具有隔热层，特别是内隔热层，其防止从润滑 油至金属环境的热量传递。结果是，在压力下一定量的润滑油被加热后，当将润滑油供至需 要润滑的部位时，特别是供至油道时，仅其吸收的热量的一小部分损失到具有高热导率的 金属环境中。因此，可以实现通过润滑点被直接供至需要润滑的部位的润滑油的快速加热， 具有降低摩擦的效果，特别是在冷启动时。
[0017] 尽管DE10 2009 013 943公开了使用尾气/油热交换器加热润滑油，包括与汽缸 盖回油管结合使用，改善了冷启动阶段的润滑效果从而节省耗油量，但是该方案要求的发 动机设计复杂，不能应用在现有的发动机结构中。已知利用尾气油热交换器更有利，特别是 在具有相对较大油道的大功率发动机时，此时油管的表面积与体积之比特别低。在小型内 燃机中，相当部分的尾气热量可以传送到润滑系统，作为表面积与体积之比较高的结果，大 部分热量消散到金属环境中，导致无法实现润滑油的快速加热。通过如下比较可以说明：如 果将直径2mm的给油管与直径1mm的作比较，体积计算公式为V= 1JrD2/4,其中1表示油道 的长度，D表示油道的直径。油道的表面积的计算公式为A= 1JrD，表面积与体积比A/V= 4/D。当直径D= 2謹时，其比值为2/mm，当D= 1謹时，其比值为4/mm，是D= 2謹时的两 倍。结果表明若直径D减少50%，表面积与体积比会翻倍。其结果是具有更高的容积比热 传输，因此直径增大时润滑油通过油道的温度损失会减少，在润滑点的润滑油的流动性增 加。设计具有大燃烧室的发动机时发现该效果，即具有大燃烧室的发动机的比效率比小燃 烧室的高，由于表面积与体积之比更小，大燃烧室发动机通过金属壁损失的热量明显更低。
[0018] 将隔热层引入到油道的内部，特别是用于润滑部件的功能结构环境的润滑点，而 且通过金属环境形成的结构环境，曲轴、连杆、凸轮轴、轴承、齿轮、部分外壳、在曲柄或传动 装置外壳或者与其它部件相对运动的部件的内壁的发动机缸体，将热能传递至冷发动机缸 体时，可具有下述优点：
[0019]-热绝缘导致热阻增加；
[0020] -表面积与体积比减小；
[0021] _油道中的油量，以及因此被加热的油量减小；
[0022] -由于绝缘层和发动机缸体或汽缸盖之间的接触阻抗导致热阻增加。
[0023] 随着表面积与体积的比率的下降，消散到金属环境中的热量减少。举例说明：考虑 隔热管的热导率为1W/(m?K)，油道直径为20_，内径为10_。热阻计算方式为：考虑润滑 油与汽缸体之间的热传导系数h= 40,假设油温比发动机缸体的温度高20°C。结果是热阻 R= 1/(hA) = 1/(h1JrD) = 0? 4K/W。热阻计算公式为
[0024]
[0025] 其中，r。表示外径，ri表示内径，1表示油道的长度，k表示比材料常数。因此结果 是热阻民=〇?lk/w。当表面传导阻力he为40WAm2K)，获得热阻艮=0? 4mK/W。初始体积 相比，为减小隔热层体积的表面积-体积比，当Di= 1mm，D= 2mm时，结果是Vi/V= (D;/ D)2= 0? 25,即 25%。
[0026] 最终结果是，根据上文采用的数值可知：
[0027] -隔热层导致热阻增加25%;
[0028] _表面积_体积比减小50%，使热阻进一步增加100% ;
[0029] -油道中油量减少75% ;
[0030]-热阻因为又接触阻力进一步增加100%。
[0031] 因此，总的热传导阻是没有内隔热层时的3. 3倍。由于冷启动阶段因润滑油损失 的能量减少并且改善了冷启动阶段的润滑状况，因此可获得更好的加热。
[0032] 日本汽车工程师协会（JSAE)的出版物235-20125071公开了冷启动阶段润滑油改 进型加热方法，油箱中的油被分为两部分，在预热阶段只有油箱中的油的一部分用来润滑。 如果一定量的热能被引入分开后的油中，其加热速度是等量的热量引入全部油中时的两 倍。然而，最终发现JSAE235-20125071所示的方案是不适用的。在这种情况下，将油箱分 为两部分后，在测试中，外室油温温度较低，从最高温度85°C降至45°C，降低了 40°C，而内 室油温升高不是40°C，即不是从85°C升至125°C。由于内室油量比外室中的少，因此可以预 见温度上升的更多。其结果是造成误解，内室的温度升高最多5°C，节省的燃料只有0. 8%。 原因在于内室中油的热量主要经发动机缸体和曲轴之间的热传递而消散，在发动机缸体和 曲轴处润滑油一到达曲轴轴承时就被分离到曲轴箱的外壁。由于表面积巨大，外壳和发动 机缸体的温度很大程度上决定油温。因此，油温不会显著高于冷却剂和发动机的温度，至少 在冷启动阶段不会，因此只能节约很小的耗油量。一种改进后的热绝缘能克服这些不足，使 摩擦明显减少、耗油量显著降低，排气量也更低。
[0033] 进一步，金属外壳和金属管的内隔热可允许油管和外壳以金属或高热传导率材料 制成，并保持给定的外部机械尺寸，因为只使用了内隔热层，外部尺寸和设计细节得以保 留，所以避免了现有部件的重新设计。通过油管和外壳部件的内隔热层，无需变更设计即可 使现有的发动机和