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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Schmieröldruckes
einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
ist allgemein bekannt, bei Verbrennungsmotoren zur Versorgung des Ölkreislaufs
starr angetriebene Außen-
bzw. Innenzahnradpumpen einzusetzen. Dabei handelt es sich um Ölpumpen
mit variablem oder konstantem Fördervolumen
pro Pumpenradumdrehung. Sogenannte Konstantförderpumpen sind mit einem Druckbegrenzungsventil
ausgestattet, mit deren Hilfe der maximale Öldruck eingestellt werden kann. Öffnet das Öldruckbegrenzungsventil
bei einem vorab eingestellten Maximalöldruck, so wird das überschüssige Ölvolumen
in den Niederdruckteil der Ölpumpe
zurückgeführt.
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Da
der für
die Schmierung des Motors erforderliche Ölvolumenstrom nicht immer proportional zur
Drehzahl des Motors bzw. zur Drehzahl der Ölpumpe ist, gibt es Vorschläge, den Öldruck zu
regeln, um insbesondere im Teillastbereich die Antriebsleistung
der Motorölpumpe
reduzieren zu können.
So ist beispielsweise aus der
JP-OS
9-88533 eine Vorrichtung zur Regelung des Öldrucks
einer Zahnradpumpe bekannt, bei der der über ein Kolbenventil überwachte
Bypass der Zahnradpumpe druckabhängig geöffnet- bzw.
geschlossen werden kann. Dazu ist der Kolbenboden mit einer Öffnung bzw.
Drossel versehen, die mit einem auf der Rückseite des Kolbenventils ausgebildeten
Innenraum in Verbindung steht. Dem Innenraum des Kolbenventils ist
ein Steuerventil vorgeschaltet, mit dessen Hilfe der zwischen Vorder-
und Rückseite
des Kolbenventils herrschende Differenzdruck verändert und damit der Öffnungs-Öldruck eingestellt
werden kann. Diese Vorrichtung zur Öldruckregelung im Zusammenhang
mit einer Schmierölpumpe
einer Brennkraftmaschine ist relativ aufwendig und erfordert eine
Menge zusätzlicher Bauteile.
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Aus
der
DE 710 328 A ist
eine Einrichtung zum Regeln der Ölzufuhr
beim Anlassen von Brennkraftmaschinen bekannt, bei der eine Federkennlinie einer
zum Druckregulierventil gehörenden
Feder einstellbar ist. Dabei wird durch eine entsprechende Ölzufuhr über einen
Kanal die Feder im kalten Betriebszustand der Brennkraftmaschine
zusätzlich
vorgespannt, so dass das kalte und zähflüssige Schmieröl an alle
Schmierstellen gelangen kann. Darüber hinaus ist aus der
DD 265 662 A1 eine
Einrichtung zum Regeln des Schmierölumlaufes bekannt, bei der
eine mit dem Kolben des Öldruckregelventils
verbundene Kolbenstange vorgesehen ist, mit der der Hub des Kolbenventils
variiert wird. Weiterhin sind aus den Druckschriften
DE 43 3385402 und
DE 43 43 115 A1 Mehrwegventile
bekannt, die in Hydraulikschmierölkreisläufe von
Brennkraftmaschinen verwendet werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Öldruckregelung für eine Brennkraftmaschine
zu entwickeln, die sich durch einen einfachen und robusten Aufbau
auszeichnet.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Die Öffnungscharakteristik
des die Bypassleitung überwachenden
Kolbenventils kann auf einfache Art und Weise dadurch geändert bzw.
gesteuert werden, dass über
eine von der Druckseite zur Rückseite
des Kolbens führende
Hydraulikleitung Öldruck auf
die Kolbenrückseite
aufgebracht wird, der dem durch die Ölpumpe erzeugten Öldruck auf
der Kolbenvorderseite und damit der Öffnung des Öldruckregelventils entgegenwirkt.
Durch eine entsprechende Steuerung des über die Hydraulikleitung in
den Gehäuseraum
des Kolbenventils geführten
Schmieröls können entsprechend
den verschiedenen Betriebszuständen
des Motors unterschiedliche Öldrücke eingestellt
werden.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der
erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Regelung des Schmieröldruckes
einer Brennkraftmaschine enthalten.
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In
vorteilhafter Weise ist die Rückseite
des Kolbenventils mit einer Kolbenstange verbunden, die im Gehäuseraum
längsverschieblich
geführt
ist. Durch die Kolbenstange wird die auf der Rückseite des Kolbens vorhandene
wirksame Druckfläche
gegenüber
der Druckfläche
auf der Vorderseite des Kolbenventils reduziert; damit ist die Funktionsweise
des Druckbegrenzungsventils sichergestellt, da auf der Kolbenvorderseite
bei gleichen Druckverhältnissen immer
eine größere Kraft
anliegt.
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Alternativ
zur Kolbenstange wäre
es auch denkbar, das Kolbenventil als Freikolben auszubilden, wobei
dann der Freikolben auf seiner Rückseite mit
einer Stufe versehen ist, die wiederum sicherstellt, dass die wirksame
Druckfläche
auf der Rückseite
des Kolbens kleiner ist, als auf seiner Vorderseite. Neben der Ausbildung
unterschiedlicher Druckflächen
auf der Kolbenvorder- und der Kolbenrückseite ist eine Umsetzung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch dadurch erreichbar, dass über
eine in der Hydraulikleitung angeordnete Drossel der auf der Rückseite
des Kolbenventils anliegende Öldruck
reduzierbar ist.
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Ein
einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Druckregelventils zeichnet
sich dadurch aus, dass die im Druckregelventil vorgesehene Druckfeder
die Kolbenstange koaxial umschließt.
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Die
Druckfeder ist zwischen der Rückseite des
Kolbens und einer den Gehäuseraum
begrenzenden Anschlaghülse
angeordnet; die Anschlaghülse
weist eine zentrale Öffnung
auf, in der die Kolbenstange geführt
ist. Die Anschlaghülse
ist auf einfache Art und Weise in das Druckregelventil eingeschraubt. Damit
kann gleichzeitig die Vorspannkraft der Druckfeder bzw. die Öffnungscharakteristik
des Öldruckregelventils
voreingestellt werden.
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Die
dem Gehäuseraum
des Öldruckregelventils
zugeführte Ölmenge kann über ein
in der Hydraulikleitung angeordnetes Schaltventil gesteuert werden.
Dazu ist beispielsweise ein 3/2-Wegeventil vorgesehen, das als Zweipunktregler
bzw. als Proportionalregelventil ansteuerbar ist. Alternativ dazu sind
auch 3/3-Wegeventile denkbar, durch dessen zusätzliche Schaltposition „geschlossen" eine gedämpftere
Regelung des Öldrucks
erreicht werden kann.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Steuerung des Öldrucks
einer Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
Vorrichtung zur Steuerung des Öldrucks
einer Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsform und
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3 ein
Diagramm zur Darstellung des erforderlichen Öldrucks in Abhängigkeit
von Drehzahl und Last.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Mit
Hilfe einer Ölpumpe 2,
die beispielsweise als Zahnradpumpe über eine nicht dargestellte
Kurbelwelle starr angetrieben ist, wird aus einer Ölwanne 4 eines
nicht näher
dargestellten Motors Schmieröl angesaugt
und den mit V gekennzeichneten Verbrauchern, wie z. B den Lagerstellen
der Kurbelwelle, den Pleuel- und Nockenwellenlagern, zugeführt. Zwischen
der Ausgangsseite 6 der Ölpumpe 2 und den Verbrauchern
ist ein Öldruckregelventil 8 dazwischen geschaltet.
Das Öldruckregelventil 8 besteht
aus einem als Arbeitskolben ausgebildeten Ventilkörper, im folgenden
als Kolbenventil 10 bezeichnet, das in einer Bohrung 12 des
Gehäuses 14 des Öldruckregelventils 8 längsverschiebbar
angeordnet ist. Die Vorderseite 10a des Kolbenventils 10 wird
durch das im Druckraum 16 befindliche Schmieröl-schematisch dargestellt
durch die gestrichelte Flusslinie-beaufschlagt. Gegen den sich im
Druckraum 16 aufbauenden Schmieröldruck wirkt auf der Rückseite 10b des Kolbenventils 10 eine
in der Bohrung 12 des Öldruckregelventils 8 angeordnete
Druckfeder 18, die sich an dem dem Kolben entgegengesetzten
Ende an einer in der Bohrung 12 eingeschraubten Anschlaghülse 20 abstützt. In
der Anschlaghülse 20 ist
eine zentrale Öffnung
vorgesehen, in der eine mit der Rückseite 10b des Kolbenventils 10 verbundene
Kolbenstange 22 längsverschiebbar
geführt
ist.
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Im
Gehäuse 14 ist
weiterhin eine mit der Bohrung 12 verbundene und dazu senkrecht
angeordnete Öffnung 24 vorgesehen,
die in bestimmten Betriebszuständen
des Motors durch den Kolbenmantel 10c des Kolbenventils 10 freigegeben
wird. Die Öffnung 24 steht
mit einem schematisch dargestellten Rücklaufkanal 26 in
Verbindung, der zur Saugseite der Ölpumpe 2 zurückführt.
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An
dem die Druckfeder 18 aufnehmenden Gehäusebohrungsabschnitt, im folgenden
als Gehäuseraum 30 bezeichnet,
ist ein Ölkanal 32 angeschlossen,
der ebenfalls mit dem Rücklaufkanal 26 in Verbindung
steht. Von einem zweiten Gehäusebohrungsabschnitt 34,
der sich zwischen der Anschlaghülse 20 und
einer am Gehäuse 14 angeordneten Verschlusseinrichtung 36 erstreckt,
zweigt ebenfalls ein Ölkanal 38 zum
Rücklaufkanal 26 ab.
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Der
Druckraum 16 ist mit der Rückseite des Kolbenventils 10,
d. h. mit dem Gehäuseraum 30 über eine
Hydraulikleitung 40 verbunden. In der Hydraulikleitung 40 ist
ein Steuerventil, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein 3/2-Wegeventil 42 vorgesehen,
mit dessen Hilfe der Gehäuseraum 30 wahlweise,
wie noch später
näher erläutert, mit Öldruck beaufschlagbar
ist.
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Mit
Hilfe der vorbeschriebenen Einrichtung kann der maximale Öldruck nach
dem Öldruckbedarf des
Motors eingestellt werden. Wie in 3 veranschaulicht,
besteht in Abhängigkeit
vom Betriebszustand des Motors unterschiedlicher Öldruckbedarf, so
dass der Öldruck
zur Reduzierung der aufgenommenen Antriebsleistung der Ölpumpe 2 drehzahl- und
lastabhängig
geregelt werden kann. Bei niedrigen Drehzahlen wird ein deutlich
geringerer Öldruck für eine ausreichende
Lagerversorgung benötigt,
als bei hohen Drehzahlen. Bei einem durch die Stellung der Drosselklappe
signalisierten hohen Lastzustand des Motors wird ein höherer Öldruck als
bei kleineren und mittleren Lasten benötigt. Darüber hinaus ist es erforderlich,
den Öldruck
temperaturabhängig
zu regeln. Extrem hohe bzw. niedrige Öltemperaturen erfordern einen
höheren Öldruck,
um einerseits dem höheren
Kühlungsbedarf
der Lager gerecht zu werden und andererseits den Leitungsdruckverlust
und den Lagereintrittsdruck bei niedrigen Öltemperaturen kompensieren
zu können.
Die Öldruckregelung
kann zweistufig und wenn das 3/2-Wegeventil 42 als
Proportionalventil ausgebildet ist, kontinuierlich erfolgen.
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Im
folgenden wird die Wirkungsweise der Vorrichtung anhand einer zweistufigen
Druckregelung bei der beispielsweise mit einem Öldruck von 2 und 7 bar große Teile
der Betriebspunkte abgedeckt werden, beschrieben. In der in 1 dargestellten Position
des Steuerventils 42 erfolgt keine Öldruckbeaufschlagung zum Gehäuseraum 30,
so dass der Öffnungsdruck,
bei dem durch das Kolbenventil 10 die Öffnung 24 freigegeben
wird, lediglich durch die Druckfeder 18 bestimmt ist. In
diesem Fall wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit zunehmenden
Druck des Schmieröls
das Kolbenventil 10 entgegen der Kraft der Druckfeder 18 soweit
verschoben, bis die Öffnung 24 teilweise
oder vollständig durch
den Ventilmantel 10c freigegeben wird. Damit ist beispielsweise
der maximale Öldruck
in der Brennkraftmaschine auf 2 bar begrenzt und der nicht zum Verbraucher
gelangende Teilölstrom
kann über die Öffnung 24 und
den Rücklaufkanal 26 zur
Saugseite 28 der Ölpumpe 2 zurückfließen. Da
die beiden Gehäusebohrungsabschnitte 30 und 34 ebenfalls
mit Schmieröl
gefüllt
sind, kann bei der Bewegung des Kolbenventils 10 bzw. der
Kolbenstange 22 entgegen der Kraft der Druckfeder 18 über die
beiden Ölkanäle 32 und 38 ein
entsprechender Druckausgleich erfolgen. Wird nunmehr das Steuerventil 42 umgeschaltet und
der Gehäuseraum 30 vom
Druckraum 16 mit Schmieröl beaufschlagt, erhöht sich
der Öffnungsdruck,
bei dem der Kolbenmantel 10c des Kolbenventils 10 die Öffnung 24 freigibt.
Durch die Kolbenstange 22 ist sicher gestellt, dass die
auf der Rückseite 10b des
Kolbenventils 10 anliegende Kraft kleiner ist, als die
auf die Vorderseite 10a des Kolbenventils 10 wirkende
Kraft. Die Steuerung des Öldruckes
kann nach folgendem Schema erfolgen: unterhalb einer Mindestöltemperatur
(z. B. –15°C) werden die
Verbraucher in allen Betriebspunkten bei dem hohen Öldruckniveau
(z. B. 7 bar) mit Schmieröl
versorgt. Ist die Öltemperatur > –15°C, die Motordrehzahl nmot < einer
definierten Schaltdrehzahl (z. B 4000 U/min) und das Drehmoment
mD < einem
definierten Maximalmoment (z. B < ¾ des Maximalmomentes) werden
die Verbraucher bei dem geringeren Öldruck (z. B. 2 bar) mit Schmieröl versorgt.
Bei einer Unterbrechung der Spannungsversorgung ist vorgesehen, dass
das unbestromte Steuerventil 42 die Stellung beibehält, bei
der die Kolbenrückseite 10b weiterhin mit
Drucköl
beaufschlagt ist. Dadurch ist sicher gestellt, dass bei fehlender
Spannungsversorgung der hohe Regeldruck eingestellt ist.
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Die
in 2 dargestellte Ausführungsform des Öldruckregelventils 8 unterscheidet
sich lediglich dadurch, dass das 3/2-Wegeventil 42 durch
ein 3/3-Wegeventil 44 ersetzt wurde. Durch den zusätzlichen
Schaltzustand „geschlossen" kann eine gedämpftere Öldruckregelung
erfolgen. Wie bereits eingangs erwähnt, ist es auch möglich, durch
die Verwendung von Proportional-Regelventilen beliebige Öldrücke zwischen
beispielsweise 2 und 7 bar einzustellen. Über die bereits beschriebenen
Abhängigkeiten
hinaus, bei der eine Öldruckregelung
sinnvoll erscheint, kann der Öldruck
durch die Regeleinrichtung angehoben werden, wenn bestimmte Verbraucher
(z. B. Ölspritzdüsen für die Kolbenkühlung) einen
höheren
Druck zur Funktionserfüllung
für eine
bestimmte Zeit erfordern.