CN1117307A - 润滑油泵及调节其泵送流量的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制润滑油泵排量的方法，它通过出口或用户处的压强来调节排量，从而当压强增加时使排量减小。这种可调排量润滑油泵特别是叶片泵有一压力控制部件。为使泵的总耗能减低，本发明提出一种附加独立的通过检测温度和转速控制排量的方法和一种这样的润滑油泵，其中控制部件(3)有一测温和/或测速传感器(4)以及一调控件(5)，这样除了通过压强调控外，还可根据温度和转速调控润滑油泵的有效排量。

Description

润滑油泵及调节其 泵送流量的方法

本发明涉及一种调节润滑油泵泵送流量的方法，该泵的泵送流量由泵出口处或在用户所在的位置处的压强来调节，以使当压强增加时，能有效地降低泵送流量。本发明还涉及一种能调节的润滑油泵，它有一个调节装置，以便能有效地降低泵送能力达到限制润滑油流量的目的。德国专利申请4011679号中，就介绍过这样一种相应的方法和相应的泵，特别是针对藉压强来调节的叶片泵。

在已知的装置中，泵出口端的压强作用在调节活塞上，而在活塞的另一面，则直接或间接地作用着一压缩弹簧。活塞于是就使叶轮泵上可位移环的偏心度发生变化从而影响润滑油的流动。泵及其调节装置是这样设计的：当泵出口处的压缩增加时，活塞就推动可位移环使其偏心度减小，以减少润滑油的流量来降低泵出口处的压强。通过选用合适的压缩弹簧与调节装置的几何形状，这种泵的调节性能可在一个广阔的范围内变动。

本发明的使用范围却并不只限于叶片泵。本发明可用于所有能调节的泵，特别适用于用所谓的损失控制来调节的泵。在这种泵中，当压强超过预定值时，多余的润滑油即从一环绕用户所在地的旁路分流走，因而减少的是流过系统的润滑油的有效流量，而不是被泵本身输送的总流量。很自然，与其采用这样一个系统，不如选用可控制的泵，它的泵送能力或润滑油流量可直接控制，而不仅仅是控制润滑油的有效流量。

术语“润滑油的有效流量是指在压强下，单位时间内通过用户所在处，如相应的输入、输出管线以及还可能包含的位于上游的辅助设备如油过滤器等的润滑油的体积。

至于那些虽被泵送、但从油槽出来经过例如旁路管线又回输到油槽去的那些油则不应计入润滑油的有效流量中。还有，经过旁路管线排走的油，使泵出口端的压强以及整个系统的压强降低，但由此并不能达到能量的节省。若想有效地降低能耗，只有在一开头就实现按需要来定输送量，就像在可调节的叶片泵或具有多级控制系统的固定位移泵中的情况那样。

这样一种润滑油泵特别适用于为各种内燃机中须润滑的诸位置供应润滑油，特别是适用于各种机动交通运输工具。

一台内燃机引擎对润滑油的需求量或最低需求量，随众多的因素而定。起主导作用的因素通常是引擎的工作温度及/或有关的需润滑的场所及润滑油的工作温度。当环境温度较低时，通常充润滑剂之用的油粘度较高，而通过需润滑场所处狭窄的空隙硬挤送进去也挺费劲。同时，一台冷的内燃机引擎对润滑油的需求也不会很高，这是因为其各活动部件还都处于“冷态”，彼此间的间隙通常较小，而油的粘度又高，所以只能压过少量的油。

正是着眼于此，过去的办法是：把润滑油泵的有效泵送流量调节到在泵的出口侧，其压强不得超过预定的最大压强。这么调节的目的是：当引擎还较“冷”时，其中的油就很粘稠，如引擎与润滑油泵的轴是直接连着又径直启动的话，润滑油泵出口侧的压强会因油流经须润滑部位的流动阻力很大，而在刚开始启动后上升得很快。这样一个过高的压强值就有使润滑系统中的个别部件如油过滤器损坏的危险。正是这一担心，通常在调节中要对压强值有所限制，其措施或者是将输送来的过剩的润滑油通过一个旁路管系排走，或者是直接限制通过泵输送的油流量，以使被输送的润滑油在不超过某一预定的压强值的情况下，安全地流过润滑系统。随着温度的升高，油在润滑系统中流动的阻力也就下降，润滑油的流量就会渐增，其原因之一，就是压强下降到略低于允许的极限值，于是润滑油的有效流量或泵送流量也就相应地增加了。这种可调控泵通常是这样来调节的：使输出压强大致维持不变，而润滑油流量则可随润滑系统中的流动阻力而改变。

人们以前认为，借助这样一种控制方式，就能把内燃机处于“冷”态及“温热”状态时，对润滑的不同要求充分地考虑进去，并予以兼顾了。考虑到成本，为内燃机服务的润滑油泵通常是这样设计的：无论转速如何变化，它们均能可靠地满足(留有一定的安全余量)引擎在最高工作温度下、以及润滑油在可接受的最低粘度下(＝临界润滑条件)对润滑油的需求量。决定润滑油的流量、须看在引擎空转而又很热、而相应的油粘度又低时，引擎对润滑油的需求量有多大而定。即使在此情况下，当泵轴是如前所述直接连接在引擎上(通常的连接法)时，泵应仍能提供一定量的最低润滑油流量，为此，就应能提供一定的、最低油压。

另一个临界状态是引擎既热、转速又高的情况。这时需要的油压远高于低转速时所需的油压。对这一工况的压力调节，从实质上来说，只是以相应的保险储备油来调节而已。

在目前已知的这种调节技术的基础上，因压强总是居高不下只在高温又兼低转速的情况下，压强才破例地降低一些。很明显，对极大多数正常工况而言，系统中泵送的油量以及保持的油压均比相应工况下的实际需求(最小的油需求量或最小的油压)高出很多。如果持续将压强维持不变，那么当温度变化时，就出现了内燃机转速变化时对润滑油的所谓的需求曲线，这些曲线示意地表示在图1上。

油泵的容积效率通常随温度的降低而提高，这是因为泄漏的损失变小了。同时，引擎对润滑油的需求，也因温降而减少。由此引出的推论是：当处于温度比油泵最高工作温度低的其它任何工况时，亦即在引擎的任何其它转速下，润滑油的供应量都大于引擎的实际需要量。图1所示的引擎润滑油的流量，并不表示在给定转速与给定温度下、引擎实际需要的润滑油应有的最小流量；而只是表示在该给定温度与转速下，当压强固定不变时，引擎得到了多少润滑油。泵入这些多余的、本不需要的润滑油，自然也要消耗能量的。

本发明的目的是设计出一种调控润滑油泵的方法，以及一种与此方法相应的节能润滑油泵。就上述方法而言，本发明实现目标的手段是：通过检测温度与/或转速的变动，来实现对润滑油有效流量的附加调节或限制，而这种附加的调节或限制是与依压强而作的调节相互独立无关的。

按本发明而提出的方法中，润滑油流量还能通过温度控制而随温度的增加而增加。

关于一开始提到的、优选的可控润滑油泵，本发明的目标是这样实现的：提供一个调节装置，该装置含有一个温度传感器和或一个转速传感器以及一个调节部件，用以按温度或/及转速的变化而削减润滑油的有效流量，这种调节与可能采用的按压强变动而作的调节无关。

本发明中用的词“与可能的压强调节无关”并不一定意味着在任何工况下温度或转速的调节对压强的调节毫无影响，或不受可能的压强调节的影响；而只意味着温度及/或转速在润滑油流量的调节中是作为额外的独立参数来使用的，而油压强的变动正是源出于这种调节。

因而润滑油流量不仅受到这样的调节，即在用户所在处或在某些可能位于上游或下游的装置所在处的压强不得超过某一预定的最大压强；而且对油流量的进一步限制也将随温度及/或转速而作调整，因而在泵出口侧或在压强测量点(为泵的调节而配置的)处的压强，当系统对润滑油的需求是小的，例如当转速较低或从适当配置的测温点测得的温度值并不高，从而不需在较高压强下供应润滑油时，也能维持在远比预定的最大压强低很多的水平上，而这种较高的压强特别对处于临界工况或需更小流量的情况(参图2)是必要的。

在本发明的一个优选实施例中，相应于本发明的润滑油泵是一台可调节的叶片。可调叶片泵的优点是：对其中润滑油的流量可以通过机械地移动它们的可位移环而相对简单地来进行调节，这样，虽说泵的轴可以是直接联接到引擎轴上，却仍能与引擎无关地对润滑油流量进行调节。自然，也可以用其它调节装置，例如润滑油泵的转速可以用调节部件按压强及/或温度的变化来控制。为此，润滑油泵就须配备有独立的驱动设备了。

在本发明的一个优先实施例中，采用一个带有热动开关(例如双金属片)的楔状物作为调节部件，楔的一侧与可位移环相接，这样，当楔发生移动时，可位移环也就随之而移动了。

当调节部件的一部分或调节部件自身可以采用例如一片双金属片时，而这样一块双金属片还可以，如果愿意的话，设计并安排得与可位移环直接接触，并可按双金属片自身温度的变化而使环发生相应的位移。

对于熟悉此技术的技术人员，自然还有其它的测量传感器或控制方法可选用，例如，可以借助电气元件来完成测量与控制。电阻器就是这种其电性能随温度而变化的一种电气元件，测量时，把电阻器装在一个控制回路中，电阻器遂给出一个电信号作为输出，从而使调节部件产生与电信号相应的位移。

这样一个系统的一个特殊情况是，例如，一个阶梯形的活塞，在该活塞的一个阶梯面上为调节压强而作用着泵的输出压强(或用户所在处的压强)。在该阶梯形活塞的另一阶梯面上借助一个受温度或转速控制的阀门，可以作用着一个随转速或温度而变的压强。

当温度或转速较低时，此阀门可以例如是开着的，这样，在该阶梯形活塞的第二个阶梯面上就会有压强作用，这就使阶梯形活塞发生较大的位移，于是可位移环就被调节到只产生一个较小的润滑油流量以及一个相对较低的工作压强。当处于较高温度或较高转速的情况时，经过温度或转速的调控，此阀门就会关上，这样，压强就只作用在阶梯形活塞的一个面积较小的活塞面上，于是泵就被调节到一个较大流量，较高输出压强的工况。

相应的作调节与控制用的元件，应该是越简单越好，以免使泵变得太复杂。此原则主要是对用于标准场合，例如供内燃机润滑用的润滑泵适用。对引擎或更一般的讲对要求润滑的系统而言，倘若它们的工况变化范围很大，那么可以，也有理由对润滑油的量作更昂贵的温度调节，只要这笔额外增支的调节费用能被由此而来的节油及节能收益所补偿。

本发明进一步的优点，特性及适用范围在下文对诸优先实施例结合附图作介绍时就会看到了。在诸附图中：

图1表示引擎的润滑油流量，在各个不同的温度下，是如何随引擎的转速而变化的，

图2表示一台引擎必须有的最小油压是如何随引擎转速而变化的，

图3表示联系图2的最小压强曲线而得到的引擎(润滑油)流量，

图4表示的是一台叶轮泵的可位移环是如何通过一个楔状物而受温度调控的动作原理，

图5表示如何通过一个双金属元件对可位移环随着温度的变动而作调控的，

图6表示如何通过一个电气控制元件，根据温度的变动而对可位移作调控的，以及

图7表示的是一台含有一个阶梯形活塞的叶轮泵，该活塞集压力调控元件与温度调控元件的双重功能于一身。

图1画出了一台引擎的4条所谓的润滑油流量曲线，其对应的温度分别是T1＝25℃，T2＝50℃，T3＝90℃与T4＝130℃。曲线表示的是润滑油流量或引擎消耗的润滑油量(单位：升/分钟)随引擎转速(单位：转/分钟)而变化的情况。从每条曲线的形状可看出，在压强不变时，转速增加，润滑油的流量也增加；但并不是成正比例增加的。而从图1中4条曲线(各对应不同的温度)的不同形状，还能发现：在一给定的转速下，低温时引擎需要的油远少于高温下需要的。

图1所示的流经引擎的(润滑油)流量都是在通向引擎的输油线路中的压强保持在同一数值(例如5bar)下得到的。

这一压强值是这样控制确定：在临界状况下，例如在对油量需求最大时，即在温度最高而转速也最高时，(在这一压强值的驱动下)仍能用接受粘度的润滑油来满足引擎对润滑油的需求。

从图2就不难看出：润滑系统中润滑油的最小油压通常随转速的增加而增加，一直增到约5bar为止。自然，曲线的准确形状和数值会因引擎的尺寸与类型、以及润滑系统的具体设计的不同而变化很大，所以此处给出的数据只应看作是供示意用的例子，而不应对本发明的主要实质内容强加任何限制。先有技术的泵通常是这么设计的：不管温度是多少，基本上也不管转速是多少，总把泵的压强维持在这样一个数值上，这个数值就是在临界工况下，泵应为有关的润滑系统提供的、作为最小油压的压强值，例如前文曾提到的5bar。通常使用的叶片泵能不费劲地就产生的这数值高得多的输出压强。在这种泵中，只有压强限制才在实践中被采用了，它使压强保持不变，然而只选了一个限制压强值，该值比临界工况下最小油压中的最大者还大出一个安全余量来，此值在较低的转速下即可达到。

由压力限制而规定的最大压强会很快就达到，特别是在温度较低时，而在此情况下，不可调控泵大多处于低转速区却泵送远大于引擎要求的油量。

以传统方式调控的泵只会始终如一地按已调好的最大压强来供应与之相应的润滑油，但这个最大压强值只是在高转速时为保证润滑油供应充分而才要求的最小油压值。在所有其它的工况下，对压强以及润滑油流量的需求可能都不会这么大。特别是对于低转速与低工作温度的情况，节约的潜力颇大，例如，借助于一种随转速及温度而变的调控，引擎的润滑油压显然可以调节到比通常系统的极限值要低的水平，这是因为常用系统中的调节系统只是着眼于保护对压强敏感的部件不受损坏而作调节的。若油压按图2所示的变化时，泵送润滑油流量或流经引擎的润滑油流量曲线就如图3中虚线所示的变化；而由图可见，即使在工作温度较高而转速较低时，仍有相当的节约潜力可供挖掘。这样一类工况在例如用内燃机驱动的交通工具跑城镇运输(town traffic)时，就经常存在。把在这些工况下泵送给引擎的润滑油量减下来而仍然完全能充分满足润滑的需要，这样一项措施，就使润滑油泵对能量的需求，因而也就是对引擎总能量的需求降了下来。本发明的重要目标之一也就由此而得以实现。把压强调控与温度调控结合起来，只有为确保引擎得到充分的润滑油供应所需的能量才是必须支付的能量。在实践中应用这些技术的例子，表示在图4一图7中。

图4示意地表示了一台含有一个可位移环2的叶片泵，图中还画出了一个用来调节可位移环2相对于泵轴6的偏心度大小的温度控制器。温度控制器3有一个温度传感器或对温度敏感的元件4，一块楔形物5以及一根弹簧7，它们配置成一排，且与可位移环紧挨着。温度控制器3位于例如泵的壳体内并与被泵送的润滑油直接接触(这些油穿过经向的孔流入可位移环中，并且还可以穿过壳体上轴向的孔而流出)。温度敏感元件4因而大体上就能与润滑油的温度相同。在最简单的情况下，元件4可以是例如这样一种元件，它在我们感兴趣的温度变动范围内具有很高的热膨胀能力(例如是一团气体)。若温度增高，元件4就会膨胀，从而就会反抗弹簧7的弹力而把楔5推向右方，这样，可位移环2就有可能绕枢轴8而向上方摆动了。为此，就不妨配置例如一条压缩弹簧9，使之作用在可位移环2上的一个用来调节环(偏度)的凸出部分10上，从而将环紧贴着楔的侧面向上移动，于是泵的性能就按期望得到了调整，即：润滑油流量按温度的增加而增加。可位移环2的位置相对于泵轴6是这样安排的：可位移环相对于泵轴6的偏心度、随环2绕枢轴8而向上位移的增加而增加，即当楔5右移时，偏心度也就增加。反之，当润滑油系统的温度下降或较低时，楔5就由右移向左，可位移环2就在楔5侧面的作用下顶着弹簧9的反抗而被推向下方。借助于适当的导轨，就可使楔5不能在垂直于调节路径的方向上发生移动。

图5所示的叶片泵5和图4所示的泵大体上相同，不同处只是调控装置3被一条片簧或双金属片4′所取代，这后者4′既具有温度传感器的功能又兼有调控元件的功能。随着温度的增加，双金属片4′中的两块金属片(而它们又是紧紧“束缚”在一起的)各自膨胀的程度也不同，按照这两金属元件事先设计好的相互配置情况，双金属片4′的曲率就会增加或减少，而可位移环2相对于泵轴的偏心度也就会相应地减少或增加。

图6表示了一个以电气控制的温度调节器来充当调控部件5的情况。当温度由一个温度传感器测得，并随即转换成一个控制讯号时，调控部件5就将可位移向期待的方向移动，即其偏心度随润滑油温度的增加而增加。有关可位移环2受弹簧9的预应力的其余细节，以及可位移环2，枢轴8与泵轴6之间的相对位置安排，可以大致与按图4的实施例一样。

图7中表示了使叶片泵的可位移环发生位移的又一种方法。它将依赖于压强的调节，依赖于温度的调节，以及可能还作的依赖于转速的调节都托付给了同一个调节部件5一一个具有阶梯形状的活塞。例如，泵的输出压强P2持久地作用在阶梯形活塞5的第一个辅面11上，于是就有了最大压强限制的功能。此外，活塞5的第二个台阶面12上则作用着压强P1，最简单的一种安排是让压强P1与压强P2相等，即从同一个场所引出来的。在一条通往压力腔的输送管线上的某处装着一个控制阀门13，由此管线可以将压力引来并作用在台阶面12上，阀门13可以根据温度及/或转速的情况“开”或者“关”。处于低转速与/或低温的情况，阀门13可以(比如)开启，这样一来，在面积11与12上都作用着一个压强，于是对抗弹簧9的总的力(向下)就比只有压强作用在面积11上时的力要大。而可位移环与叶片泵的轴则是这样配置的：若图7中的调节部件或阶梯形活塞5向下移动，则可位移环的偏心度就会减小。当温度与/或转速增加时，阀门13就会关闭，于是只在面积11上才作用着压强，在弹簧9的作用下、可位移环就会再向增大偏心度的方向发生位移，从而使叶片泵的泵送能力加大。如前已述，可以把阀门设计得既可随温度也可随转速的变化情况而开或关，这样，除了可以得到最大压强的限制以及润滑油流量的调节这两个好处之外，还能额外得到随引擎温度与/或转速的变化而对润滑油流量再附加上一个限制的好处。

虽说由于添加了调节元件而使泵的设计变得略为复杂了些，但这种泵在节能上的成就可以轻易地补偿这一小缺点；而且对图5所示的实施例来说，它使得按本发明而作的附加调节变得在实践上也非常简单了。

Claims (8)

1.一种调控润滑油泵的泵送能力的方法，包括可借助泵出口处的压强或用户所在处的压强而将有效泵送流量调小；其特征在于该方法还包括借助于检测温度与/或转速，对泵送流量进行附加的、独立的限制。

2.按权利要求1的方法，其特征在于：随着温度与/或转速的增加，由温度调控所允许的润滑油流量也会增加。

3.一种可调控的润滑油泵，特别是叶片泵，它包括一个受压强控制的调节装置(2)，其特征是该泵还包括有一个带有检测转速和/或温度用的传感器(4)的调控装置(3)以及一个调节部件(5)，从而除了压强调节装置外，该泵还可按温度或转速的情况调控泵中润滑油的有效流量。

4.按权利要求3的泵，其特征在于它是一台可调控的叶片泵。

5.按权利要求4的润滑油泵，其特征在于其中用以调节的部件是一可移动的楔状物，楔的侧面与叶片泵中的可移动环紧贴着。

6.按权利要求3—5中的任一项要求的润滑油泵，其特征在于其中的温度探测器是一个双金属片，它还能起到一个调节部件的作用。

7.按权利要求3—6中任一项要求的润滑油泵，其特征在于泵的调节元件是电气控制的。

8.按权利要求3—7中任一项要求的润滑油泵，其特征在于泵的调节部件是一个阶梯形的活塞，在该活塞的至少一部分面积上，作用着一通过一个受温度与/或转速控制的阀门，控制的压强。

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