CN100532841C - 可变输出转子泵 - Google Patents

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Abstract

本发明的可变输出转子泵包含内外从动和驱动转子，以及可在安装在泵体内的圆形的孔内部旋转的环形输出控制环，以改变从泵的进口传递到泵的出口的工作液体的数量。这特别有利于控制内燃发动机使用的润滑油的输出流量。本发明的一个优点是，在发动机的任何工作点，油泵的通过量可以及时地适应发动机的特定需要，无需浪费旁路高压油，因此装备本转子油泵的发动机预计使用更少的燃料。

Description

可变输出转子泵
技术领域
本发明涉及一种液体齿轮转子泵，其适于用作如汽车发动机此类机器内部的润滑泵。
背景技术
多年以来，转子润滑油泵用于汽车发动机内部。美国专利5,738,501公开了一种齿轮泵，在其内部，内阀门用来调节由泵排出的液体量。专利‘501公开的这种泵的一个缺陷在于，泵的效率由于使用图示的内部管道输出限制系统而受到削弱。
对于某一特定的汽车发动机，设计者通常会指定一种其体积流率在最坏情况下足以提供足够的润滑的润滑泵。指定最大润滑剂流量的情况通常对应于最大温度和高速运转，而确定每泵回转最大流量的情况(指示泵排量的情况)通常对应于最大温度和低速运转。按照惯例，安装在油泵的出口和入口之间的压力调节阀是泵的唯一控制机械。如果出口和入口之间的压力差超出规定值，压力调节阀使泵出口流的一些直接流回泵入口，有效地绕过发动机的润滑回路，从而限制了压力差。这种控制方法浪费了能量，原因有两个：第一，因为被泵压到高压的油仅仅流到一些低压位置，对油加压的作功就丧失了。第二，发动机的轴承并非一直需要与压力调节阀规定值一样高的油压，而且经过轴承的过量润滑油量降低了与支承轴颈实际接触的油温从而导致能耗上升，因此增加了润滑油粘度和作用在油上的剪切功。总之，燃料消耗不必要地增大了。本发明的转子泵提供操作以控制泵的容量输出，因此容许泵的输出和发动机要求相匹配。
发明内容
可变输出转子泵包含具有大致圆形的孔(bore)的外壳，具有带中心的圆形外围表面的大致环形的输出控制环，以及具有与外围表面中心相偏移的中心的圆形内表面。输出控制环转动地安装在泵内部的大致圆形的孔内。环形的从动外转子安装在环形输出控制环内，并且具有与输出控制环的内表面相匹配的圆形外围表面。从动外转子也具有齿形内表面。内转子安装在旋转轴上，并啮合于外传子的齿形内表面。控制驱动机构将输出控制环旋转到指定位置以控制泵的输出。控制驱动机构可以包括由泵输出提供动力的液压驱动机构，叶片密封的扭矩臂安装在输出控制环的外围表面并且可在一个环形控制腔内移动。外壳内的多条管道将液体从泵出口输送到控制腔。阀门控制液体从出口流经上述多条管道。控制管道至少包含提前输出控制环的第一管道和延迟输出控制环的第二管道。
输出控制环还包含容许在泵腔和出口/入口之间有限流量的分流管道。这些分流管道至少包含一条具有非恒定流量面积的分流管道。
根据本发明的另一个方面，可变输出转子泵包括具有大致圆形的孔的外壳，外壳还包括进口和出口；以及具有带中心的圆形外围表面以及具有与外围表面中心相偏移的中心的圆形内表面的大致环形的输出控制环。输出控制环转动地安装在大致圆形的孔内，输出控制环还包括安装在输出控制环的外围表面并且可在环形控制腔内移动的扭矩臂，环形控制腔延伸至外壳内的大致圆形的孔的部分外围。可变输出转子泵还包括环形的从动外转子，其安装在环形输出控制环内，并且具有与输出控制环的内表面相匹配的圆形外围表面，以及齿形内表面；以及内转子，其安装在旋转轴上并啮合于外转子的齿形内表面。可变输出转子泵还包括在外壳内的将液体从出口输送到控制腔的多条控制管道；以及安装在外壳内的控制端口内部的阀门。阀门通过施加从出口到环形控制腔的更高压液体控制经过控制管道的液体流量以定位输出控制环，使得扭矩臂和控制环旋转到控制腔内的预定位置。
根据本发明的另一个方面，内燃机的压力润滑系统包含润滑油源，产生压力信号的油压传感器，向发动机提供润滑油的可变输出转子泵，以及与油泵和压力传感器工作连接的控制器。控制器操作油泵使得以至少是压力信号的函数控制泵的流量输出。通过测量从泵的放油口到内部装有控制环扭矩臂的控制腔的润滑油来控制前述的输出控制环的转动位置，控制器调节或操作油泵输出流量。
本发明中的系统的一个优点是，在发动机的任何工作点，油泵的通过量可以及时地适应发动机的特定需要，无需浪费旁路高压油，因此装备本转子油泵的发动机预计使用更少的燃料。
本发明的一个优点是，根据本发明的转子油泵易于由一个单独的电磁阀或本领域技术人员和本公开建议的其他合适的控制阀机械来控制。
本发明的一个优点是，由于本系统无需外部管路和阀门，这里描述的转子油泵是低成本输出可控的。
本发明的其它优点、目标以及特征将对本说明书的读者凸现出来。
附图说明
图1示出了根据本发明的位于最大流量位置的转子泵，其中的输出控制环没有提前。为清楚起见略去了油泵盖板。
图2示出了根据本发明的用于控制转子泵的控制阀。
图3示出了有利于实施本发明的转子装置。
图4示出了位于近最大输出控制环提前位置的图1中的油泵。
图5类似于图1和图4，但是以中间提前模式显示了该油泵。
图6-8示出了根据本发明的油泵在不同输出控制环提前位置的不同工作特性曲线。
图9示出了根据本发明的系统框图。
图10示出了位于最大流量位置的根据本发明的转子泵的第二个实施例。
图11和图12分别是沿线A-A和B-B的图10中油泵的截面图。
图13以中间提前(流量)模式示出了图10的油泵。
图14示出了位于对应近最小流量的大输出控制环提前位置的图10中的油泵。
图15-17示出了根据图10-14的油泵的各种工作特性曲线。
具体实施方式
如图1所示，转子泵10具有通过吸入管道13进油的进口12，以及出油给排出管道15的出口14。大致圆形的孔22形成于泵体16内，而且转子泵元件由大致圆形的孔22覆盖。输出控制环24具有带圆形外围表面24a的大致环形构造，而且24a具有中心。输出控制环24安装在大致圆形的孔22内。依靠施加于扭矩臂60的流体力的流体作用，输出控制环24可转动地设置于环形控制腔56内。实质上，扭矩臂60将环形控制腔56分成两个可变尺寸的腔。根据哪个腔被加压，引起扭矩臂60和输出控制环24旋转，从而改变油泵10的输出。扭矩臂60带有一个活动叶片61，活动叶片61维持扭矩臂60的末端和腔56的外壁之间的紧紧密封。减压阀32是传统设计。
如图9所示，油泵10从油源如机油箱96吸入油，然后以正压力输送到油道98。控制器100与油泵10和许多发动机工作参数传感器104工作连接，至少包含一个油压传感器以及可选的发动机转速和油温传感器。控制器100操作电磁阀76(如下所述)以控制油泵10的容量输出。
油泵10使用的转子泵系统具有安装在输出控制环24的圆形内孔24b内的外转子42。如图1、图3和图4所示，孔24b和输出控制环24的外围表面24a中心不同。因此，响应环形控制腔56内不平衡压力通过扭矩臂60的作用而产生的输出控制环24的转动将引起泵输出的改变。这种现象将在下面更全面地描述。
安装在传动轴52上的内转子46具有齿的数量比外传子42少一个。
图1示出了在最大流量位置的油泵10。关于泵腔经过的旋转位置，这些角坐标相对于油泵外壳进行划分，0°位于出口和进口之间，而180°位于进口和出口之间。经过0°位置的腔具有最小容量，经过180°位置的腔具有最大容量。如上面提到的，在图1中，扭矩臂60和输出控制环24位于完全逆时针或延迟位置，因此，经过180°位置的腔具有最大容量。这意味着泵出最大量的油，因为最大量的油从进口12移到180°位置处的出口14，而最小量的油从出口14移到0°位置处的进口12。
现在参看图4，示出了输出控制环24的近最大提前位置，可以看到，因为偏心的输出控制环24的移动容许泵腔达到了完全容量并且仍然保持与进口进行交换的同时容量在开始减小，所以从进口12移到出口14的油相对图1所示被减少很多。在泵腔从进口向出口传递油的180°位置，腔的容量远小于偏心输出控制环24位于具有零提前时的最大流量状况的容量。而且，在泵腔从出口向进口传递油的0°位置，腔运送了更大部分的油从出口到进口，这样进一步减小了油泵的容量输出。
图5示出了在图1和图4之间的中间输出控制环位置，在这里，180°腔的容量小于零提前(图1)的容量但是大于近最大提前(图4)的容量，而0°位置的腔的容量大于零提前的容量但是小于近最大提前情况的容量。
图6、图7和图8分别显示零控制环提前、大控制环提前和中间级控制环提前时的本发明的转子泵的工作特性曲线。图6显示在零输出控制环提前时，在泵腔经过相对于泵外壳的180°位置时达到了最大泵腔容量。最大流入量发生在90°，零流量在0°和180°，最大流出量在270°。进口和出口位于外壳内，因此在泵腔、在0°位置和180°的进口和出口之间有最小或零流量面积，在0°位置和180°位置，泵腔从一个端口移到另一个端口。
当输出控制环旋转到大提前(图7)，最大腔容量发生在180°位置之前，最大流量点、流入量点、零流量点和流出量点相对于外壳16、进口12和出口14相应提前。
图7说明当控制环24提前很大程度时，泵腔在相对于外壳的0°位置和180°位置从一个端口转到另一个端口，同时泵腔在容量上发生变化。如果泵腔在改变容量的同时与两个端口完全分离，不理想的大的压力变化可能在泵腔内出现。压力峰值可能出现在容量减小的泵腔内，同时气蚀可能出现在容量增大的泵腔内。
当泵腔在0°位置和180°位置经历容量变化时，为了确保泵腔不会与两个端口完全分离，多个辐射状延伸槽44形成在外转子42的轴向面上，以容许通过分流管道28和30的从每个泵腔到出口14和/或进口12的有限流量，分流管道28和30形成在输出控制环24的上部和下部。这些分流管道形成在控制环24上，并且具有变化的横剖面流量面积，这样当控制环24位于零提前位置(最大泵输出)时，确保在0°位置和180°位置的泵腔与分流管道28和30没有直接连通，但是当控制环24提前以减小泵输出时，在0°位置和180°位置的泵腔获得通往进口和出口的足够的分流流量面积以阻止不理想的压力峰值以及气蚀的发展。并联流量面积显示在图6-8的A1和A2。A1对应通往进口12的并联流量面积，A2对应通往出口14的并联流量面积。
当输出控制环24位于提前位置时，分流管道28和30能够提供从泵出口14到进口12的受限的泄漏通道。当输出控制环24位于零提前位置以及需要最大泵输出时，这条泄漏通道不存在。如果输出控制环24从其零提前位置(最大输出)提前90°，泵输出将减小到零。因为运转的发动机的润滑要求不会是零，没有实际理由来建造具有将输出控制环提前到那种程度的性能的发动机润滑泵，尽管在需要零或近零输出性能的场合下存在对转子泵的其他使用。
图2示出了根据本发明的一个方面的一种控制电磁阀。电磁阀76安装在油泵10的泵体16上的阀口62中。阀口62经由高压输送管道64从出口14接收高压油，并且能够通过油道74向发动机曲轴箱供油。当需要减小泵输出时，电磁阀76从高压输送管道64向提前管道68输送高压油，同时从延迟管道72泄油到排出管道74，从而如图4所示的，从图1的静止位置以顺时针方向移动扭矩臂。反过来，当需要增大泵输出时，电磁阀76从高压输送管道64向延迟管道72输送高压油，同时从提前管道68泄油到排出管道74。当需要在一种现有条件下保持泵的输出，电磁阀76关闭所有四条管道，锁定在控制腔56的提前侧和延迟侧的液体。如果电磁阀76或其控制系统不能位于锁定位置，泵内的内部泵压力和旋转齿轮的粘性阻力往往将控制环24旋转到最大泵流量的“失效保护”位置。
图10-14显示了本发明的油泵的第二实施例，其中，释放管道200和204容许在更改的分流管道206、208和泵进口、出口之间选择性地连通。图11显示了泵体16内的凹槽形释放管道200的更多细节。管道200从输出控制环24向内转子46辐射延伸。当输出控制环位于图10、图11和图12所示的零提前位置，流量不在0°位置的泵腔和分流管道208之间通过，也不在180°位置的泵腔和分流管道206之间通过。但是，如果油泵如图13和图14所示被调整，在泵腔和分流管道之间的连通是可能的，但仅仅是间歇性的；从出口到进口没有连续的液体流量。图13对应中间控制环提前，图14对应一个大的(近最大)控制环提前。
图15-17显示了图10-12所示的油泵的各种工作特性曲线。图15对应零流量控制环提前，说明了在泵腔经过在图10所示的泵构造中的一个完全转动时，泵腔经历的流动状况。在图10中可以看到，分流管道206和208与释放管道200和204没有接触，因此泵腔在经过0°位置和180°位置的释放管道200和204时，与分流管道206和208没有任何流量交换。在这种构造中，结合输出控制环24的零提前，油泵和带同样尺寸泵元件42和46的传统油泵具有一样的流量输出。
图16说明了在泵腔经过在图13所示的泵构造中的一个完全转动时，泵腔经历的流动状况，图13具有一个中间控制环提前。在图13中可以看到，分流管道206和208与释放管道200和204没有接触，因此位于180°位置的释放管道200通过分流管道206连接到出口14，以容许从泵腔到出口14的有限流量。同样地，分流管道208现在容许从进口12到释放管道204和经过0°位置的泵腔的有限流量。和前面一样，A1对应通往进口12的并联流量面积，A2对应通往出口14的并联流量面积。
图17说明了在泵腔经过在图14所示的泵构造中的一个完全转动时，泵腔经历的流动状况，图14具有一个大的控制环提前。对释放管道200、204和分流管道206、208之间的有效流量面积的检查显示，0°位置和180°位置的有效流量面积随着输出控制环24的提前而增加，但是当泵腔越过0°位置或180°位置的转移过程中，从出口14和进口12的直接泄漏仅是间歇地出现。以前所述的构造容许分流管道产生从出口到进口的连续泄漏，与之相比，减小的泄漏能够改善油泵的效率。
虽然结合特定实施例对本发明进行了描述，可以理解本领域技术人员可以在不背离本发明的精神和下面权利要求中阐明的发明范围的情况下对本发明进行各种修改、变更和改变。例如，电子压力传感器和电磁控制阀可以替换为液力控制系统。

Claims (13)

1.一种可变输出转子泵，包括：
外壳，在其中具有大致圆形的孔，所述外壳还包括进口和出口；
大致环形的输出控制环，其具有带中心的圆形外围表面、以及具有与所述外围表面中心相偏移的中心的圆形内表面，所述输出控制环转动地安装在所述大致圆形的孔内；
环形的从动外转子，其安装在所述环形输出控制环内，并且具有与所述输出控制环的内表面相匹配的圆形外围表面，以及齿形内表面；
内转子，其安装在旋转轴上并啮合于所述从动外转子的所述齿形内表面，以规定多个泵腔；以及
控制驱动机构，用于将所述输出控制环旋转到指定位置以控制所述可变输出转子泵的输出，所述控制驱动机构包括由泵输出提供动力的液力驱动机构，其中所述液力驱动机构包括安装在所述输出控制环的外围表面并且可在环形控制腔内移动的扭矩臂，以及在所述外壳内的将液体从所述可变输出转子泵的出口输送到所述环形控制腔的多条管道。
2.根据权利要求1所述的可变输出转子泵，其特征在于：所述液力驱动机构还包括控制液体从所述出口流经所述多条管道的阀门。
3.根据权利要求1所述的可变输出转子泵，其特征在于：所述多条管道至少包括用于提前所述输出控制环的第一管道和用于延迟所述输出控制环的第二管道。
4.根据权利要求1所述的可变输出转子泵，其特征在于：还包括形成在所述输出控制环的所述内表面的多条分流管道。
5.根据权利要求4所述的可变输出转子泵，其特征在于：所述多条分流管道中至少一条容许从所述出口到所述泵腔的有限流量。
6.根据权利要求4所述的可变输出转子泵，其特征在于：所述多条分流管道中至少一条容许从所述进口到所述泵腔的有限流量。
7.根据权利要求4所述的可变输出转子泵，其特征在于：所述多条分流管道至少包含一条具有非恒定面积的分流管道。
8.根据权利要求4所述的可变输出转子泵，其特征在于：还包括至少一条在所述外壳内的从所述输出控制环的内表面向所述内转子辐射延伸的释放管道。
9.一种可变输出转子泵，包括：
其中具有大致圆形的孔的外壳，所述外壳还包括进口和出口；
具有带中心的圆形外围表面以及具有与所述外围表面中心相偏移的中心的圆形内表面的大致环形的输出控制环，所述输出控制环转动地安装在所述大致圆形的孔内，所述输出控制环还包括安装在所述输出控制环的所述外围表面并且可在环形控制腔内移动的扭矩臂，所述环形控制腔延伸至所述外壳内的所述大致圆形的孔的部分外围；
环形的从动外转子，其安装在所述环形输出控制环内，并且具有与所述输出控制环的内表面相匹配的圆形外围表面，以及齿形内表面；
内转子，安装在旋转轴上并啮合于所述从动外转子的所述齿形内表面；以及
在所述外壳内的将液体从所述出口输送到所述环形控制腔的多条控制管道；
安装在所述外壳内的控制端口内部的阀门，所述阀门控制经过所述控制管道的液体流量以通过将液体从所述出口输送到所述环形控制腔来定位所述输出控制环，使得所述扭矩臂和所述输出控制环旋转到所述控制腔内的预定位置。
10.根据权利要求9所述的可变输出转子泵，其特征在于：所述阀门是电力驱动的。
11.根据权利要求9所述的可变输出转子泵，其特征在于：还包括限制所述可变输出转子泵的输出压力的减压阀。
12.一种内燃机的压力润滑系统，包括：
润滑油源；
产生压力信号的油压传感器；
向发动机提供润滑油的可变输出转子泵；以及
与所述可变输出转子泵和所述油压传感器工作连接的控制器，所述控制器以至少是所述压力信号的函数来操作所述可变输出转子泵以控制经过所述可变输出转子泵的润滑油流量；
其中所述可变输出转子泵包括：
外壳，在其中具有大致圆形的孔，所述外壳还包括进口和出口；
大致环形的输出控制环，其具有带中心的圆形外围表面、以及具有与所述外围表面中心相偏移的中心的圆形内表面，所述输出控制环转动地安装在所述大致圆形的孔内；
环形的从动外转子，其安装在所述输出控制环内，并且具有与所述输出控制环的内表面相匹配的圆形外围表面，以及齿形内表面；
内转子，其安装在旋转轴上并啮合于所述从动外转子的齿形内表面，以规定多个泵腔；以及
控制驱动机构，用于将所述输出控制环旋转到指定位置以控制所述泵的输出，所述控制驱动机构包括由泵输出提供动力的液力驱动机构，其中所述液力驱动机构包括安装在所述输出控制环的外围表面并且可在环形控制腔内移动的扭矩臂，以及在所述外壳内的将液体从所述泵的出口输送到所述环形控制腔的多条管道。
13.根据权利要求12所述的压力润滑系统，其特征在于：所述控制器以发动机转速和润滑油压力的函数操作所述可变输出转子泵。
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