Ölpumpe mit variablem Fördervolumen

Abstract

 Die Erfindung geht von einer Ölpumpe (10) mit einem variablen Fördervolumen aus, das durch mindestens ein Stellelement entgegen der Kraft einer Feder (20) in Abhängigkeit von dem hydraulischen Druck einstellbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass das Stellelement bzw. die Stellelemente mindestens zwei unterschiedliche, vom Förderdruck abhängige Stellkraftniveaus besitzen, zwischen denen frei umgeschaltet werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Ölpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Aus der DE 102 23 466 A1 ist eine Pumpe, insbesondere für Schmieröl von Brennkraftmaschinen oder für Getriebeöl, mit verstellbarem Hubvolumen und mit mindestens einem Stellmittel bekannt. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Pumpe ist eine Flügelzellenpumpe, die einen Rotor mit radial verschiebbaren Flügeln und einen Hubring umfasst. Zwischen dem Rotor, den Flügeln und dem Hubring, der auch Kurvenring, Konturenring oder Exzenterring genannt wird, sowie den Seitenteilen der Pumpe werden Arbeitsräume gebildet, die sich während einer Umdrehung des Rotors vergrößern und verkleinern. Im Bereich des Umfangs des Hubrings sind in einer Seitenwand mindestens eine Ansaugniere und eine Druckniere so angeordnet, dass während der Umdrehung Öl von der Ansaugniere zur Druckniere gefördert wird. Durch Verlagern des Hubrings relativ zum Rotor kann das Fördervolumen der Pumpe verändert werden.

[0003] Das Verlagern des Hubrings kann translatorisch oder durch eine Schwenkbewegung um ein Schwenklager am Umfang des Hubrings erfolgen. Dabei wird der Hubring in Verstellrichtung einerseits durch eine Feder und andererseits durch ein Stellelement belastet, das der Feder entgegenwirkt. Das Stellelement kann in Abhängigkeit von Temperaturen angesteuert werden. Es sind aber auch Stellelemente mit einem Kolben bekannt, der von einem Förderdruck abhängigen Steuerdruck beaufschlagt wird. Bei Überschreiten eines eingestellten Druckniveaus reduzieren sie dann das Hubvolumen der Pumpe. Solche Pumpen haben jedoch den Nachteil, dass die Volumenreduzierung erst bei Erreichen des Grenzdrucks ausgeführt wird, der durch die Feder und die hydraulisch wirksame Kolbenfläche bestimmt wird. Dieser Druck kann bei relativ niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bzw. der Pumpe erreicht werden. Dies entspricht jedoch nicht der Bedarfskurve einer Brennkraftmaschine, sodass es in einigen Betriebsbereichen, z.B. im unteren Drehzahlbereich und bei Temperaturen unterhalb der Auslegungstemperatur einer Schmierölpumpe, zur Überversorgung der Brennkraftmaschine mit Schmieröl kommt. Dadurch entstehen unerwünschte Verlustleistungen mit einem entsprechend hohen Energieverbrauch.

[0004] Ferner wird eine elektrische Verstellung des Regeldrucks bei einer regelbaren Außenzahnradpumpe in der motortechnischen Zeitschrift MTZ 12/2003, S. 1050 ff. "Kraftstoffverbrauchsvorteile durch Regelpumpen" beschrieben. Allerdings ist hier der Einsatz eines aufwändigen Regelkolbensund eines elektromagnetischen 2/3-Wegeventils erforderlich. Außerdem ist die Regelstrecke sehr langsam und störanfällig.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen und zuverlässigen Mitteln bei einer druckgeregelten Ölpumpe den Energieverbrauch zu reduzieren. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0006] Nach der Erfindung sind ein oder mehrere Stellelemente vorgesehen, die mindestens zwei unterschiedliche, vom Förderdruck abhängige Stellkraftniveaus besitzen, zwischen denen frei umgeschaltet werden kann. Ist das niedrigere Stellkraftniveau geschaltet, beginnt die Verstellung des Fördervolumens erst bei einem höheren Grenzdruck, während bei einem größeren Stellkraftniveau die Verstellung bereits bei einem niedrigeren Grenzdruck beginnt. Dadurch kann das Fördervolumen in Betriebsbereichen, in denen normalerweise eine Überversorgung auftreten würde, bereits bei einem niedrigeren Grenzdruck verringert werden, sodass der Energieverbrauch gesenkt wird.

[0007] Unterschiedliche Stellkraftniveaus können bei Verwendung eines einzigen Stellelements dadurch erreicht werden, dass es mit einem Grundstellkraftniveau ausgelegt ist, das durch eine schaltbare Übersetzungsstufe angehoben wird. Solche Übersetzungsstufen können in üblicher Weise mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch ausgeführt werden. Bei einem hydraulisch betätigten Stellelement können z.B. mehrere hydraulisch wirksame Flächen vorgesehen werden, z.B. in Form eines Stufenkolbens. Die hydraulisch wirksamen Flächen können gleich oder verschieden groß sein. Die einzelnen Flächen bzw. Stufen können wahlweise angesteuert werden. Die kleinste hydraulisch wirksame Fläche ergibt das niedrigste Stellkraftniveau, während das höchste Stellkraftniveau dadurch erreicht wird, dass alle hydraulisch wirksamen Flächen additiv gleichzeitig angesteuert werden. Zwischen diesen Extrempositionen können Stellkraftniveaus durch Ansteuern von einzelnen hydraulisch wirksamen Flächen unterschiedlicher Größe oder kombiniertes Ansteuern mehrerer hydraulisch wirksamer Flächen erzielt werden, die gleich oder unterschiedlich groß sind. Die hydraulisch wirksamen Flächen können auch auf mehrere Stellelemente verteilt angeordnet sein. Im einfachen Fall werden zwei gleiche Stellelemente verwendet, von denen für ein niedriges Stellkraftniveau nur eines angesteuert wird, während im anderen Fall beide gemeinsam angesteuert werden.

[0008] Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass als Ölpumpe eine Flügelzellenölpumpe verwendet wird. Hierbei ist es möglich, dass der Hubring als ein Stellelement dient, indem ein Teil seines äußeren Umfangs als Kolben vom Steuerdruck beaufschlagt ist. Ein anderes Stellelement kann über ein Zwischenglied, das eine Kraftübersetzung beinhalten kann, ebenfalls auf den Hubring wirken.

[0009] Zweckmäßigerweise wird zwischen den Kraftniveaus durch ein elektrisch betätigtes Wegeventil umgeschaltet. Die elektromotorische oder elektromagnetische Betätigung kann von einer elektronischen Steuerung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von betriebsspezifischen Parametern, z.B. Drehzahl, Last, Temperatur usw. angesteuert werden. Auch mechanische Betätigungen sind möglich. Die erfindungsgemäße Umschaltung der Stellkraftniveaus erfordert keinen großen Regel- oder Steueraufwand. Da der Öldurchsatz am Ventil sehr gering ist, ergibt sich eine geringe Baugröße des Ventils, sodass es wahlweise innerhalb oder außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet werden kann. Auf Grund der einfachen Bauweise ist die Umschaltung der Stellkraftniveaus sehr ausfallsicher. Da es bei Stromausfall eine sichere Position entsprechend dem geringsten Stellkraftniveau angefahren wird, ist stets ein sicherer Betrieb gewährleistet, sodass selbst bei einem Totalausfall keine Fehlermeldung notwendig ist.

[0010] Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Dabei zeigen:

[0011] 

Fig. 1

ein Schaltbild einer druckabhängig regelbaren Ölpumpe und

Fig. 2

eine qualitative Darstellung einer Regelcharakteristik.

[0012] Die in Fig. 1 dargestellte Schmierölpumpe ist eine Flügelzellenölpumpe 10. Sie besitzt einen Rotor 14, in dem Flügel 13 radial verschiebbar gelagert sind. Der Rotor 14 wird von einem Hubring 11 umgeben. Zwischen diesem, dem Rotor 14 und den Flügeln 13 werden Arbeitsräume gebildet, die sich bei einer Drehung des Rotors 14 um eine Rotorwelle 15 je nach Position des Hubrings 11 relativ zum Rotor 14 mehr oder weniger verkleinern bzw. vergrößern. Dadurch wird über eine Saugniere 16 und eine Saugleitung 19 Öl aus einem Ölsumpf 18 angesaugt und über eine Druckniere 17 in einen Hauptölkanal 22 einer nicht dargestellten Arbeitsmaschine, z.B. einer Brennkraftmaschine, gefördert. Der maximal zulässige Druck wird durch ein Druckbegrenzungsventil 21 begrenzt.

[0013] Der Hubring 11 ist in einem Pumpengehäuse 12 translatorisch verstellbar. Dabei drückt ihn eine Druckfeder 20 in Verstellrichtung 26 in eine in Fig. 1 dargestellte Endlage, in der das maximale Fördervolumen der Flügelzellenölpumpe 10 eingestellt ist. In der Gegenrichtung wirkt auf den Hubring 11 ein hydraulisch betätigtes Stellelement, das einen Zylinder 28 und einen Kolben 29 umfasst, der mit einem Stößel 31 auf den Hubring 11 wirkt. Anstelle des Stößels 31 kann auch ein nicht dargestelltes, zuschaltbares Kraftübersetzungselement vorgesehen sein. Eine Kolbenfläche 30 des Kolbens 29, die die hydraulisch wirksame Fläche des Stellelements bildet, kann über eine Steuerleitung 23 von einem förderdruckabhängigen Öldruck beaufschlagt werden. Die Steuerleitung 23 zweigt von dem Hauptölkanal 22 ab, sie kann aber auch mit einer anderen, geeigneten Stelle des Druckölsystems verbunden sein. Erreicht der Steueröldruck einen durch die Druckfeder 20 und die Kolbenfläche 30 vorgegebenen Grenzdruck p_G, verstellt der Kolben 29 über den Stößel 31 den Hubring 11, wodurch das Fördervolumen der Flügelzellenölpumpe 10 verringert wird.

[0014] Ein weiteres Stellelement wird durch einen Druckraum 25 gebildet, der auf der Seite des Hubrings 11 angeordnet ist, die der Druckfeder 20 abgewandt ist. Der Druckraum 25 ist separat vom Zylinder 28 über die Steuerleitung 23 ansteuerbar. Er besitzt eine hydraulisch wirksame Fläche 27, die der Projektion der Umfangsfläche des Hubrings 11 in Verstellrichtung entspricht. Der Hubring 11 ist somit gleichzeitig Stellkolben. Die hydraulisch wirksame Fläche 27 ist deutlich größer als die Kolbenfläche 30 des Kolbens 29, sodass bei gleichem Druck ein höheres Stellkraftniveau erreicht wird.

[0015] Zum Schalten zwischen den zwei Stellkraftniveaus wird als Umschaltventil ein Wegeventil 32 verwendet, dass elektrisch durch einen Elektromagneten 34 oder einen anderen Elektroantrieb in Abhängigkeit frei wählbarer Parameter der Brennkraftmaschine angesteuert wird. Eine Feder 24 stellt das Wegeventil 32 in die dargestellte, sichere Ausgangsposition, in der der Zylinder 28 über die Steuerleitung 23 mit dem Hauptölkanal 22 verbunden ist, während der Druckraum 25 über eine Rücklaufleitung 33 mit dem Ölsumpf 18 bzw. der Saugleitung 19 verbunden ist. Überschreitet der Druck, der auf die hydraulisch wirksame Kolbenfläche 30 des Kolbens 29 wirkt, den vorbestimmten Wert p_G, beginnt der Kolben 29 den Hubring 11 so zu verstellen, dass das Fördervolumen auf einen dem Druck p_G entsprechenden Wert verringert wird.

[0016] Arbeitet die Brennkraftmaschine in einem Betriebsbereich, in dem es zu einer Überversorgung mit Schmieröl kommt, schaltet das Wegeventil 32 auf seine zweite Schaltposition, bei der der Zylinder 28 mit dem Ölsumpf 18 und die Druckkammer 25 mit der Steuerleitung 23 verbunden ist. Auf Grund der größeren hydraulisch wirksamen Fläche 27 erzeugt bereits ein niedrigerer Druck in der Steuerleitung 23 ein ausreichendes Stellkraftniveau, um entgegen der Feder 20 den Hubring 11 zu verstellen und das Fördervolumen zu reduzieren. Eine vereinfacht dargestellte Drossel 39 symbolisiert den hydraulischen Gesamtwiderstand der ölführenden Kanäle und Leitungen.

[0017] In Fig. 2 ist der Druck über der Drehzahl aufgetragen. Mit 36 ist eine Sollkennlinie des Öldrucks bezeichnet. Mit einem bekannten Stellelement mit nur einem Stellkraftniveau nimmt die Istkennlinie 35 den gestrichelten Verlauf 37 ein, während bei einem erfindungsgemäßen Stellelement mit mehreren Stellkraftniveaus der Verlauf 38 der Istkennlinie 35 stufenweise der Sollkennlinie 36 angenähert ist.

Ansprüche

1. Ölpumpe (10) mit einem variablen Fördervolumen, das durch mindestens ein Stellelement entgegen der Kraft einer Feder in Abhängigkeit von dem hydraulischen Druck einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stellelement bzw. die Stellelemente mindestens zwei unterschiedliche, vom Förderdruck abhängige Stellkraftniveaus besitzen, zwischen denen frei umgeschaltet werden kann.

2. Ölpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine Flügelzellenölpumpe (10) mit einem Hubring (11) ist, der durch das Stellelement bzw. die Stellelemente translatorisch oder über einen Drehpunkt an seinem äußeren Umfang relativ zu einem Rotor (14) verlagert werden kann.

3. Ölpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stellelement bzw. die Stellelemente hydraulisch betätigt sind und mindestens zwei voneinander getrennt ansteuerbare hydraulisch wirksame Flächen (27, 30) besitzen.

4. Ölpumpe nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die hydraulisch wirksamen Flächen (27, 30) gleichzeitig gruppenweise zusammen schaltbar sind.

5. Ölpumpe nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die hydraulisch wirksamen Flächen (27, 30) gleiche oder zumindest teilweise unterschiedliche Größen aufweisen.

6. Ölpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Stellelement zur Kraftübertragung auf eine Fördereinrichtung ein mechanisches Zwischenglied (31) aufweist.

7. Ölpumpe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenglied (31) eine Kraftübersetzung besitzt.

8. Ölpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hubring (11) als Stellelement dient, indem ein Teil seines äußeren Umfangs vom Steuerdruck beaufschlagbar ist.

9. Ölpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den Kraftniveaus über ein elektrisch betätigtes Wegeventil (32) umgeschaltet werden kann.

10. Ölpumpe nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Stromausfall das Wegeventil (32) durch Federkraft auf das niedrigste Kraftniveau schaltet.

Zeichnung