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Die
Erfindung betrifft Ölpumpen mit verstellbaren Fördermengen
und Förderdrücken, sog. Regelölpumpen,
insbesondere Regelölpumpen für die Schmierölversorgung
von Verbrennungsmotoren. Durch eine Regelung der Fördermenge
und insbesondere auch des dadurch regelbaren Förderdruckes
entsprechend dem Öldruckbedarf von Verbrennungsmotoren
werden durch reduzierte Pumpenantriebsleistungen Vorteile im Kraftstoffverbrauch
und entsprechend auch in der CO2-Abgasemission
erzielt.
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Die
Verstellung von Regelölpumpen erfolgt abhängig
vom zu regelnden Öldruck, wobei üblicherweise
die Verstellung gegen die Kraft einer Feder erfolgt, die bei Pumpenstillstand
die Verstellung auf maximale Förderstellung stellt. Mit
zunehmendem Verstellweg nimmt die Kraft der Feder zu, so dass bei einfachen
Regelölpumpen mit direkt förderdruckabhängiger
Verstellung mit sinkender Fördermenge der Förderdruck
ansteigt. Derart einfache Regelölpumpen sind aufgrund veränderlicher
Reibungseffekte an der Verstelleinrichtung für eine präzise Öldruckregelung
entsprechend dem Öldruckbedarf eines beispielsweise mit
Schmieröl zu versorgenden Verbrennungsmotors ungeeignet.
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Für
die präzise Öldruckregelung einer Regelölpumpe
ist eine Einrichtung erforderlich, die den zu regelnden Öldruck
erfasst und bei Druckabweichungen vom Vorgabeöldruck eine
entsprechend den Öldruck korrigierende Verstellung auslöst.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE102378011B4 ist hierzu eine Außenzahnrad-Regelölpumpe
bekannt, die ihre spezifische Fördermenge durch eine axial
veränderliche Überdeckung des Zahneingriffes ihrer
beiden Förderzahnräder ändert. Hierzu
ist ein Förderzahnrad auf einer sog. Verschiebeeinheit
angeordnet, deren axiale Verstellung einerseits vom Öldruck
und andererseits von einer Feder wie auch von einem in der Kammer
der Feder wirkenden Regeldruck abhängt. Der Regeldruck
wird von einem mit Öldruck beaufschlagten Regelkolben mit zugehöriger
Regelfeder erzeugt, wobei weiterhin eine auf den Regelkolben veränderlich
einwirkende Zusatzkraft die Verstellung der Regelölpumpe
hinsichtlich Fördermenge bzw. Förderdruck beeinflusst. Die
Veränderung der auf den Regelkolben wirkenden Zusatzkraft
erfolgt hydraulisch und/oder elektrisch.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 102004007323 A1 beschreibt eine weitere
Außenzahnrad-Regelölpumpe, deren Öldruck
im Wesentlichen abhängig von der Betriebsdrehzahl hydraulisch geregelt
ist. Hierzu wird eine drehzahlabhängig veränderliche
Fliehkraft genutzt, die in radial angeordneten Ölbohrungen
eines Förderzahnrades einen sog. Fliehdruck erzeugt. Der
Fliehdruck wirkt auf einen Differenzdruckkolben, der seine Kolbenkraft über eine
Feder als Zusatzkraft auf einen die Öldruckregelung vornehmenden
Regelkolben überträgt. Der Regelkolben kann sowohl
im Pumpengehäuse wie auch innerhalb der Verschiebeeinheit
angeordnet sein.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 102007001066 A1 beschreibt eine Außenzahnrad-Regelölpumpe
mit einer sog. Staudruck-Regelung. Der drehzahlabhängig
veränderliche Staudruck entsteht bei Rotation eines Förderzahnrades
in einer ihm benachbarten Öltasche und wird ähnlich
wie der Fliehdruck der
DE
102004007323 A1 für die Regelung genutzt.
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Die
Regelungen der bekannten Regelölpumpen stellen einen gewissen
Zusatzaufwand dar und sind insbesondere bei elektrischer Ansteuerung
mit entsprechenden Mehrkosten verbunden.
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Bei
den Regelölpumpen der
DE 102004007323 A1 und der
DE 102007001066 A1 wird
für ihre Regelung teilweise ungefiltertes Förderöl direkt
aus der Ölpumpe genutzt, wodurch bei stärker verschmutztem
Förderöl die Betriebssicherheit beeinträchtigt
sein kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Regelölpumpen
eine Regelung zu schaffen, die einfach und kostengünstig
ausführbar ist, eine hohe Betriebssicherheit aufweist und
eine drehzahlvariable Öldruckregelung insbesondere für
mit Schmieröl zu versorgende Verbrennungsmotoren durchführt.
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Diese
Aufgabe wird für Regelölpumpen erfindungsgemäß entsprechend
Anspruch 1 in einfacher Weise dadurch gelöst, indem ein
für die Verstelleinrichtung wirksamer Regelkolben von der
Zusatzkraft einer Steuerfeder beaufschlagt ist, die abhängig
vom Verstellweg der Verstelleinrichtung ihre Zusatzkraft verändert
und dadurch den geregelten Öldruck beeinflusst. Da ein
beispielsweise mit Schmieröl zu versorgender Verbrennungsmotor
unabhängig von seiner Drehzahl einen nahezu konstanten
Durchflusswiderstand aufweist, ist die spezifische Fördermenge einer
Regelölpumpe mit zunehmender Drehzahl durch eine entsprechende
Verstelleinrichtung abzusenken, was erfindungsgemäß zu
einem mit zunehmender Drehzahl steigenden Öldruck führt.
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Einzelheiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
in Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
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1:
eine Außenzahnrad-Regelölpumpe mit einer ersten
verstellwegabhängiger Öldruckregelung in Schnittansicht;
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2:
eine Außenzahnrad-Regelölpumpe mit einer zweiten
verstellwegabhängigen Öldruckregelung bei maximaler
Fördermenge;
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3:
die Außenzahnrad-Regelölpumpe von 2 mit
alternativer Regelfeder;
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Die 1 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Außenzahnrad-Regelölpumpe bei einer spezifischen
Fördermenge von ca. 65%. Ein Pumpengehäuse 1 mit
einem Gehäusedeckel 2 weist eine Antriebswelle 3 mit einem
ersten Förderzahnrad 4 auf. Das Förderzahnrad 4 steht
mit einem zweiten Förderzahnrad 5 in axial reduziertem
Zahneingriff. Das Förderzahnrad 5 ist Bestandteil
einer mehrteiligen Verschiebeeinheit 6, die im Pumpengehäuse 1 axial
beweglich geführt ist. Die Regelölpumpe kann abhängig
von der axialen Überdeckung des Zahneingriffes der beiden
Förderzahnräder 4 und 5 ihre
Fördermenge in bekannter Weise verstellen und ihre spezifische
Fördermenge dem Bedarf anpassen.
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Die
Verschiebeeinheit 6 weist zur Lagerung von Förderzahnrad 5 einen
Laufbolzen 7 auf, auf dem rechtsseitig von Förderzahnrad 5 ein
Kolben 8 und gegenüberliegend linksseitig ein
Kolben 9 fixiert sind.
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Die
Regelölpumpe ist an einem Ölleitungssystem angeschlossen,
das eine Ansaugleitung 10 und eine Druckleitung 11 aufweist,
deren Anschlüsse am Pumpengehäuse 1 in 1 nicht
sichtbar sind. Die unter Förderdruck stehende Druckleitung 11 weist
ein Überdruckventil 12 und einen Filter 13 auf, das
alternativ auch ein Filter-Kühler-Modul sein kann. Vom
Filter 13 fließt das gereinigte Förderöl über
eine Druckleitung 14 beispielsweise zu einem mit Schmieröl
zu versorgenden Verbrennungsmotor. Der in der Druckleitung 14 herrschende Öldruck
muss immer mindestens dem Öldruckbedarf des Verbrennungsmotors
entsprechen und ist von der Regelung der Regelölpumpe entsprechend
zu regeln. Hierzu wird der Öldruck über eine Signalleitung 15,
bedarfsweise zusätzlich mit einer Drossel 16 ausgestattet, zur
Regelölpumpe zurückgeführt.
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Ein
weiterhin in der Signalleitung 15 angeordnetes 2/3-Wegeventil,
ausgeführt als Magnetventil 17, ermöglicht
zur temporären Öldruckerhöhung eine Druckentlastung
der Signalleitung 15.
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Die
für die Regelung der Außenzahnrad-Regelölpumpe
axial erforderliche Positionierung der Verschiebeeinheit 6 erfolgt
durch axial beidseitig auf sie einwirkende Kräfte. Während
in einer dem Kolben 8 zugehörigen Kammer 18 ständig
der über die Signalleitung 15 eingespeiste Öldruck
herrscht, wirken von einer dem Kolben 9 zugehörigen
Kammer 19 ein Regeldruck wie auch eine Feder 20 auf
die Verschiebeeinheit 6.
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Ein
im Laufbolzen 7 angeordneter Regelkolben 21, der
aus der Kammer 18 ständig stirnseitig mit Öldruck
beaufschlagt ist, erzeugt im Zusammenwirken mit einer zugehöriger
Regelfeder 22 in bekannter Weise in seiner Nut 23 den
Regeldruck, der über ein im Laufbolzen 7 fixiertes
Rohr 24 in die Kammer 19 eingespeist wird. Der
Regelkolben 21 steht je nach seiner axialen Position hierzu
mit seiner Nut 23 über eine Bohrung 25 und
eine Verbindung 26 mit der Kammer 18 und über
eine Bohrung 27 und eine Verbindung 28 mit dem
niedrigen Pumpensaugdruck einer Öltasche 29 des
Kolbens 8 in veränderlicher Druckverbindung. Abhängig
von der vom Regeldruck in der Kammer 19 eingestellten Position
der Verschiebeeinheit 6 und der resultierenden Fördermenge
erzeugt der Durchflusswiderstand des zur Regelölpumpe gehörigen Ölkreislaufes
einen entsprechenden Öldruck in der Druckleitung 14.
Der über die Signalleitung 15 und die Kammer 18 rückwirkende Öldruck
erzeugt bei Erreichen des Solldruckes am Regelkolben 21 ein
Kräftegleichgewicht mit dessen Regelfeder 22 und
eine stabile Position der Verschiebeeinheit 6. Ist der
am Regelkolben 21 anliegende Öldruck jedoch abweichend
vom Sollöldruck zu hoch oder zu niedrig, so korrigiert
der sich verschiebende Regelkolben 21 den Regeldruck in
der Kammer 19, so dass sich die Verschiebeeinheit 6 verstellt
und die dann veränderte Fördermenge den Öldruck
wieder auf den Sollöldruck einregelt.
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Der
von der Regelfeder 22 vorgegebene Sollöldruck
der Regelölpumpe ist konstant, beispielsweise 4 bar entsprechend
dem Öldruckbedarf eines Verbrennungsmotors bei hohen Betriebsdrehzahlen. Um
den Öldruck der Regelölpumpe zu verändern
und bei niedrigen Betriebsdrehzahlen auf geringere Öldruckwerte
einzustellen, liegt gegenüberliegend zur Regelfeder 22 am
Regelkolben 21 erfindungsgemäß noch eine
Steuerfeder 30 an. Sie stützt sich am Gehäusedeckel 2 ab
und übt auf den Regelkolben 21 abhängig
von der axialen Verstellung der Verschiebeeinheit 6 eine
veränderliche Zusatzkraft zur Öldruckregelung
auf den Regelkolben 21 aus.
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Die
Kraft der Steuerfeder 30 wirkt auf der gleichen Seite wie
der Öldruck der Kammer 18 auf den Regelkolben 21 und
ist bei maximaler Fördermenge und dann rechtsseitiger Verstellposition
der Verschiebeeinheit 6 mit ihrer Anlage am Gehäusedeckel 2 am
größten. Mit zunehmender Reduzierung der Fördermenge
nimmt die Kraft der Steuerfeder 30 abhängig vom
Verstellweg der Verschiebeeinheit 6 nach links entsprechend
ab. Durch die entgegengesetzten Kraftwirkungen der Regelfeder 22 und
der Steuerfeder 30 bewirkt die Steuerfeder 30 eine
Absenkung der Gesamtfederkraft am Regelkolben 21. Eine
zunehmende Verstellung der Verschiebeeinheit 6 im Sinne
einer Fördermengenabsenkung entspannt die Steuerfeder 30,
so dass die am Regelkolben 21 wirkende Gesamtfederkraft
zunimmt und sich ein steigender Öldruck der Regelölpumpe
einregelt, beispielsweise zwischen 2 bar bei maximaler Fördermenge
und 4 bar bei minimaler Fördermenge.
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Eine
elektrische Ansteuerung des Magnetventils 16 ermöglicht
bei zeitweise erhöhtem Öldruckbedarf in der Druckleitung 14,
beispielsweise um bei einem Verbrennungsmotor eine wirksamere Kolbenkühlung
zu bewirken, eine Druckentlastung in der Kammer 18 durch
eine Verbindung der Signalleitung 15 zur Umgebung bei gleichzeitiger
Absperrung zur Druckleitung 14. Der resultierende Druckabfall
in der Kammer 18 führt durch die Feder 20 zu
einer Verstellung der Verschiebeeinheit 6 nach rechts,
so dass sich eine maximale Fördermenge bei resultierend
erhöhtem Öldruck in der Druckleitung 14 einstellt.
Das öffnende Überdruckventil 12 führt
aus der Druckleitung 11 einen Teil der Fördermenge
ab und begrenzt damit den Förderdruck in der Druckleitung 11 bzw. den Öldruck
in der Druckleitung 14 bei erhöhtem Druckniveau,
wobei die Regelölpumpe dann als Konstantpumpe mit herkömmlicher
Bypass-Regelung durch das Überdruckventil 12 arbeitet.
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In 2 ist
eine Außenzahnrad-Regelölpumpe bei maximaler Fördermenge
mit einer zu der 1 alternativen Anordnung der
Steuerfeder dargestellt. In dieser Ausführungsform der
Erfindung weist ein Regelkolben 40 mit einer zugehörigen
Hülse 41 linksseitig sowohl eine Regelfeder 42 wie
auch eine sich an der Hülse 41 abstützende
Steuerfeder 43 auf. Ein Druckrohr 44 mit einem
Anlagering 45 für die Steuerfeder 43 leitet
den vom Regelkolben 40 erzeugten Regeldruck in die Kammer 19 ein
und ist sowohl in der Hülse 41 wie auch in einem
entsprechend ausgebildeten Laufbolzen 46 axial beweglich
gelagert. Gegenüberliegend zum Druckrohr 44 ist
die Axialbohrung des Regelkolbens 40 rechtsseitig von einem
im Laufbolzen 46 fixierten Stufenzapfen 47 verschlossen,
der jedoch über entsprechende Öffnungen die Beaufschlagung
des Regelkolbens 40 mit Öldruck aus der Signalleitung 15 gewährleistet.
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Das
in der Kammer 19 endende Druckrohr 44 kommt erst
ab einem gewissen Verstellhub der Verschiebeeinheit 48 am
Pumpengehäuse 1 zur Anlage, so dass bei maximaler
Fördermenge die auch noch nicht am Anlagering 45 anliegende,
ungespannte Steuerfeder 43 keine Zusatzkraft auf den Regelkolben 40 überträgt.
In der gezeigten Stellung der Verschiebeeinheit 48 mit
maximaler Fördermenge bestimmt dann ausschließlich
die Regelfeder 42 den vom Regelkolben 40 geregelten Öldruck
in der Druckleitung 14 bzw. der Signalleitung 15,
beispielsweise ausreichende 2 bar für die Schmierölversorgung
im unte ren Drehzahlbereich eines Verbrennungsmotors. Mit steigender
Drehzahl bleibt der Öldruck bei einer sich nach links verstellenden
Verschiebeeinheit 48 mit resultierender Fördermengenreduzierung
zunächst bei 2 bar konstant. Erst nach Anlage des Druckrohres 44 am
Pumpengehäuse 1 und der folgenden Vorspannung
der Steuerfeder 43 durch den Anlagering 45 bewirkt
eine weitere Drehzahlsteigerung mit dann zunehmendem Verstellhub der
Verschiebeeinheit 48 eine steigende Vorspannung der Steuerfeder 43,
wodurch erfindungsgemäß der geregelte Öldruck
in der Druckleitung 14 ausgehend von 2,0 bar dann beispielsweise
bis auf 4,0 bar bei spezifisch geringster Fördermenge ansteigt.
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Die 3 zeigt
als Vereinfachung gegenüber der Regelölpumpe in 2 eine
Verschiebeeinheit 50, die nur noch einer Regelfeder 51 aufweist. Sie übt
die beiden Funktionen der bisherigen Regelfeder 42 und
der Steuerfeder 43 von 2 aus. Das Druckrohr 44 stützt
sich in allen Verstellpositionen der Verschiebeeinheit 50 an
einem im entsprechend angepassten Pumpengehäuse 52 gelagerten
Kolben 53 ab, wobei bei spezifisch maximaler Fördermenge durch
rechtsseitige Anlage der Verschiebeeinheit 50 am Gehäusedeckel 2 die
entsprechend minimal vorgespannte Regelfeder 51 des Regelkolbens 40 einen minimalen Öldruck
von beispielsweise 2,0 bar einregelt. Hiervon ausgehend spannt die
mit zunehmender Drehzahl sich nach links verstellende Verschiebeeinheit 50 über
das Druckrohr 44 die Regelfeder 51 hubabhängig
zunehmend vor, so dass dadurch der erfindungsgemäß ansteigende Öldruck
resultiert. Durch die Verwendung der gezeigten Regelfeder 51 mit
progressiver Kennlinie, was auch in 2 für
die Steuerfeder 43 möglich wäre, kann
mit zunehmendem Verstellweg der Verschiebeeinheit 50 nach
einem anfänglich geringen Öldruckanstieg eine
progressive Steigerung des Öldruckes erzielt werden. Alternativ
zu einer Abstützung des Druckrohres 44 direkt
am Pumpengehäuse entsprechend 2 ermöglicht
der im Pumpengehäuse 52 axial beweglich gelagerte,
von einer Feder 54 vorgespannte Kolben 53 eine
Begrenzung des geregelten Öldruckes. Bei Überschreiten
der Vorspannkraft der Feder 54 durch das sich am Kolben 53 abstützende
Druckrohr 44, ab einem gewissen Verstellhub der Verschiebeeinheit 50 und
entsprechend gestiegener Kraft der Regelfeder 51, bewegt
sich der Kolben 53 synchron mit dem weiteren Verstellweg
der Verschiebeeinheit 50 nach links, so dass dann die Vorspannung
der Regelfeder 51 nahezu konstant bleibt und entsprechend
der Öldruck auch bei einem weiteren Verstellhub der Verschiebeeinheit 50 nicht
mehr ansteigt.
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Die
Kammer 18 des Kolbens 8 kann bei Bedarf über
eine Drossel 55 mit einer unter Förderdruck der
Regelölpumpe stehenden Öltasche 56 in
Druckverbindung stehen, wodurch abhängig von der Größe
der Drossel 55 und auch von der Drossel 16 der Signalleitung 15 der
Druck in der Kammer 18 und damit die Öldruckregelung
durch den Regelkolben 40 temperaturabhängig beeinflusst
werden kann.
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Die
erfindungsgemäß drehzahlabhängige Öldruckregelung
arbeitet bei im Kaltbetrieb erhöhter Ölviskosität
und bei dann beispielsweise entsprechend reduziertem Öldurchsatz
eines mit Schmieröl zu versorgenden Verbrennungsmotors
bei etwas erhöhtem Öldruckniveau, da die Verschiebeeinheit 6, 48, 50 entsprechend
erhöhte Verstellwerte bei im Kaltbetrieb spezifisch geringeren
Fördermengen einnimmt. Diese bei Kaltbetrieb systembedingte
Anhebung des Öldruckes sorgt für eine betriebssichere Ölversorgung
nach einem Kaltstart und ermöglicht bei nachfolgendem Warmbetrieb
minimale Öldrücke im Sinne maximaler Verbrauchsvorteile
durch entsprechend reduzierte Antriebsleistungen der Regelölpumpe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102378011
B4 [0004]
- - DE 102004007323 A1 [0005, 0006, 0008]
- - DE 102007001066 A1 [0006, 0008]