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Die
Erfindung betrifft eine Druckregeleinheit mit den Merkmalen aus
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Sie
geht von der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 51 780 A1 aus, in
der eine Druckregeleinheit und eine mit einer derartigen Druckregeleinheit
ausgestattete Schmiermittelpumpe für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen
wird. Die Druckregeleinheit verfügt über ein
Steuerelement, über
das der Druck im Schmiermittelkreislauf einstellbar, insbesondere
begrenzbar ist, wobei das Steuerelement einerseits von einer vom
Druck des Schmiermittelkreislaufs abhängigen Hydraulikkraft und andererseits
von der Federkraft einer mechanischen Feder beaufschlagbar ist.
Ferner wird in der
DE
100 51 780 A1 vorgeschlagen, dass bei der Druckregeleinheit der
mechanischen Feder ein selbsttätiges
Stellmittel, wie z. B. ein Dehnstoffelement oder ein Bimetallelement,
zur schmiermitteltemperaturabhängigen
Einstellung der Federkraft zugeordnet ist. Die vorgeschlagene Druckregeleinheit
findet vor allem Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.
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Nachteilig
bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist der Einsatz des zusätzlichen
Stellmittels, um den Druck des Schmiermittelkreislaufs temperaturabhängig zu
regeln bzw. zu steuern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Druckregeleinheit aufzuzeigen,
die ohne zusätzliche
Stellmittel eine temperaturabhängige
Druckregelung in einem Schmiermittelkreislauf gestattet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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In
vorteilhafter Weise wird die Auslenkung des Regelkolbens durch die
beiden Druckkräfte
und die Federkraft bestimmt. Je stärker die Auslenkung des Regelkolbens
in Richtung des Federelementes ist, desto mehr Schmiermittel wird über den
Bypass durch Verschließen
der Bypassöffnung
abgeregelt. Durch die mehrfache Schmiermittelrückführung wird auf einfachem Weg über die
Druckdifferenz die Schmiermitteltemperatur der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
Im Folgenden die Vorteile dieses Konzepts im Einzelnen:
- – Die
Kosten von Schmiermittelpumpen mit der vorgeschlagenen Regelung
sind nur geringfügig höher als
Schmiermittelpumpen mit einer üblichen Druckregelung,
aber sehr viel niedriger als Schmiermittelpumpen mit einer temperaturabhängig einstellbaren
Fördermenge.
- – Durch
die temperaturabhängige
Regelung wird die Antriebsleistung der Schmiermittelpumpe gesenkt
und somit in vorteilhafter Weise der Kraftstoffverbrauch gesenkt.
- – In
der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine treten geringere Schmiermittel-Massenströme im Schmierkreislauf
auf, die das Schmiermittel längere
Zeit im Schmiermittelwärmetauscher
verbleiben lassen, was einen lokalen Temperaturanstieg hervorruft
(in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine wärmt das Kühlwasser den Schmiermittelkreislauf).
- – Die
Brennkraftmaschinenbauteile werden mit einem wärmeren Schmiermittel beaufschlagt,
was eine Senkung des Reibmomentes und wiederum des Kraftstoffverbrauches
zur Folge hat. Durch den abgesenkten Druck bleibt das Schmiermittel längere Zeit
zwischen bewegten Brennkraftmaschinenbauteilen und es wird sich
ein lokal höheres
Temperaturniveau einstellen, was wiederum das Reibmoment der Brennkraftmaschine
senkt (warmes Schmiermittel an den Lagerstellen).
- – Das
Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine wird verbessert, wodurch
in vorteilhafter Weise eine kleinere Starterbatterie zum Einsatz
kommen kann.
- – Eine
bestehende Schmiermittelpumpe kann ohne große Änderung an Bauraum übernommen werden.
- – Durch
die Flächenverhältnisse
kann zusätzlich zur
Charakteristik des Federelementes der Schmiermittelbedarf angepasst
werden. Durch Veränderung
dieser Parameter kann auf den Schmiermittelbedarf von verschiedenen
Leistungsstufen der Brennkraftmaschinen relativ leicht eingegangen
werden.
- – Die
Lebensdauer eines Schmiermittelfilters steigt durch die geringen
Schmiermittelmassenströme
bei kalten Schmiermitteltemperaturen.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
2 stellt eine bevorzugte Ausführungsvariante
dar.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
in zwei Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Schmiermittelumlaufschmierung mit einer erfindungsgemäßen Druckregeleinheit;
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2 zeigt
schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Druckregeleinheit.
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1 zeigt
schematisch eine Schmiermittelumlaufschmierung 3 mit einer
Druckregeleinheit 1. Eine Pumpe 2, die in der
Schmiermittelumlaufschmierung 3 angeordnet ist, weist eine
Saugseite 2b sowie eine Förderdruckseite 2a auf.
Die Saugseite 2b ist schmiermittelführend mit einer Saugstelle 11a eines
Schmiermittelbehälters 11 verbunden.
Die Pumpe 2 fördert
das Schmiermittel förderdruckseitig durch
zumindest eine Schmiermittelleitung 4 zu, im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
vier, Schmiermittelverbrauchern 4a (z. B. Schmierstellen,
Kolbenkühlung
etc.) von wo es über
Rückführstellen 11b in
den Schmiermittelbehälter 11 fliest.
Die Druckregeleinheit 1 ist in der Schmiermittelumlaufschmierung 3 parallel zur
Pumpe 2 angeordnet. Die Druckregeleinheit 1 ist zwei
Mal schmiermittelführend
mit der Förderdruckseite 2a verbunden,
sowie ein Mal mit einer beliebigen späteren Stelle der Schmiermittelleitung 4,
in Förderrichtung
nach zumindest einem Schmiermittelverbraucher 4. Ferner
ist die Druckregeleinheit 1 schmiermittelführend mit
der Saugseite 2b der Schmiermittelumlaufschmierung 3 verbunden.
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Beim
Betrieb des Schmiermittelkreislaufs liegt an der Saugseite 2b ein
Druck P0 an, auf der Förderdruckseite 2a ein
Druck P1 und in der Schmiermittelumlaufschmierung 3 in
Förderrichtung
nach zumindest einem Schmiermittelverbraucher 4a ein Druck
P2. Über
die Schmiermittelverbraucher 4 herrscht ein Druckabfall
von ΔP.
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Im
Folgenden ist das Funktionsprinzip anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
der Druckregeleinheit 1 in 2 näher erläutert.
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2 zeigt
einen Schnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckregeleinheit 1.
Für gleiche
Bauteile gelten die gleichen Bezugszeichen wie in 1.
Die Druckregeleinheit 1 ist in einem Ge häuse 5 integriert.
Dieses Gehäuse 5 kann
ein separates Gehäuse
oder ein Maschinengehäuse,
beispielsweise ein Kurbelgehäuse
einer Brennkraftmaschine, sein. In dem Gehäuse 5 ist ferner die
Pumpe 2 integriert, die gemäß dem Blockschaltbild in 1 mit
der Druckregeleinheit 1 schmiermittelführend verbunden ist. Die Pumpe 2 kann
auch als separate Pumpe ausgeführt
sein.
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Die
Druckregeleinheit 1 besteht im Wesentlichen aus einem in
dem Gehäuse 5 axial
schiebebeweglichen Steuerkolben 6. Der Steuerkolben 6 ist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein weitgehend zylindrischer Stufenkolben, der mit dem Gehäuse 5 eine
Bypasskammer 7 mit einer verschließbaren Bypassöffnung 7a bildet.
Der Steuerkolben 6 weist in der Bypasskammer 7 eine
erste Steuerfläche 6a auf, die
den Schmiermittelmassenstrom durch die Bypassöffnung 7a steuert.
Durch die Bypasskammer 7 sind die Förderdruckseite 2a und
die Saugseite 2b schmiermittelführend verbindbar, wobei durch
ein Verschieben des Steuerkolbens 6 in dem Gehäuse 5 ein
Strömungsquerschnitt
der Bypassöffnung 7a verändert wird.
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An
einer Stirnseite weist der Steuerkolben 6 ferner eine zweite
Steuerfläche 6b und
eine koaxial zu dieser angeordnete dritte Steuerfläche 6c auf.
Die zweite Steuerfläche 6b bildet
mit dem Gehäuse 5 eine
zweite Steuerkammer 9, die dritte Steuerfläche 6c bildet
mit dem Gehäuse 5 eine
dritte Steuerkammer 10. Die zweite Steuerkammer 9 ist
schmiermittelführend
mit der Förderdruckseite 2a verbunden.
Die dritte Steuerkammer 10 ist schmiermittelführend mit der
Schmiermittelumlaufschmierung 3 in Förderrichtung nach einem Schmiermittelverbraucher 4a verbunden.
Werden die Steuerkammern 9, 10 mit Schmiermitteldruck
beaufschlagt, wirken die zweite und die dritte Steuerfläche 6b, 6c gegen
eine Federkraft eines Federelementes 8, das auf der den
Steuerflächen 6b, 6c gegenüberliegenden
Stirnseite des Steuerkolbens 6 angeordnet und gegen das
Gehäuse 5 abgestützt ist.
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Beim
Betrieb der Pumpe 2 wird der Steuerkolben 6 entsprechend
dem Druckverhältnis
in den zwei Steuerkammern 9 und 10 gegen die Federkraft des
Federelementes 8 gedrückt,
wodurch sich ein definierter Schmiermitteldruck in der Schmiermittelumlaufschmierung 3 einstellt.
Die Kraft auf das Federelement 8 berechnet sich folgender
maßen: F = P2 × (A2 – A1) + P1 × A1,wobei:
A1 =
(D1 2 × pi)/4
und A2 = (D2 2 × pi)/4,
mit pi = 3,14, ist,
F die Kraft auf das Federelement 8 ist,
P2 der Schmiermitteldruck in der Schmiermittelleitung 4 nach
einem Schmiermittelverbraucher 4a,
A2 – A1 die Fläche
der dritten Steuerfläche 6c,
P1 der Schmiermitteldruck auf der Förderdruckseite 2a,
A1 die Fläche
der zweiten Steuerfläche
(A2 – A1 = Fläche
der dritten Steuerfläche 6c).
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Hieraus
resultiert beim Umordnen der Formel: F = P2 × A2 + (P1 – P2) × A1,wobei
P1 – P2 eine Funktion der Temperatur und der Viskosität ist.
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Durch
diese Berücksichtigung
der Schmiermitteltemperatur wird der Schmiermittelbedarf besser an
die Anforderungen der Brennkraftmaschine angepasst. Da der Schmiermitteldruck
im Schmiermittelkreislauf nach der Pumpe 2 immer weiter
abnimmt, kann die dritte Steuerkammer 10 an belie biger
Stelle mit der Schmiermittelleitung 4 in Förderrichtung
nach einem Schmiermittelverbraucher 4a schmiermittelführend verbunden
sein. Durch den immer vorhandenen Druckabfall über die Weglänge in der
Schmiermittelleitung 4 ist somit immer eine temperaturabhängige Regelung
gegeben. Durch die Wahl des Querschnittes der Bypassöffnung 7a und
der Flächenverhältnisse
der zweiten und der dritten Steuerfläche 6b, 6c kann
das System nach geforderten Angaben abgeglichen werden. Die Federsteifigkeit
des Federelementes 8 sowie die Federvorspannung sind wie
bei den üblichen
Pumpen entsprechend der Regelung auszulegen.
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Zusammengefasst
ergeben sich nochmals folgende Vorteile:
- – Die Kosten
von Schmiermittelpumpen mit der erfindungsgemäßen Regelung sind nur geringfügig höher als
für Schmiermittelpumpen
mit einer üblichen
Druckregelung, aber sehr viel niedriger als für Schmiermittelpumpen mit einer
verstellbaren Fördermenge.
- – Die
geringere Antriebsleistung der Schmiermittelpumpe senkt den Kraftstoffverbrauch.
In der Warmlaufphase treten geringere Massenströme auf, die das Schmiermittel
längere
Zeit im Schmiermittelwasserwärmetauscher
verbleiben lässt,
was einen lokalen Temperaturanstieg hervorruft.
- – Die
Brennkraftmaschinenbauteile werden mit einem wärmeren Schmiermittel beaufschlagt,
was eine Senkung des Reibmomentes und wiederum des Kraftstoffverbrauches
zur Folge hat.
- – Durch
den abgesenkten Druck bleibt das Schmiermittel längere Zeit zwischen den bewegten
Brennkraftmaschinenbauteilen und es wird sich ein lokal höheres Temperaturniveau
einstellen, was wiederum das Reibmoment der Brennkraftmaschine senkt.
- – Das
Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine wird verbessert.
- – Bestehende
Schmiermittelpumpen können ohne
große Änderung
Bauraum übernommen werden.
- – Durch
die Flächenverhältnisse
der zweiten und der dritten Steuerfläche 6b und 6c kann
zusätzlich zur
Charakteristik des Federelementes 8 der Schmiermittelbedarf
angepasst werden. Durch Veränderung
dieser Parameter kann auf den Schmiermittelbedarf von verschiedenen
Leistungsstufen der Brennkraftmaschine relativ leicht eingegangen
werden.
- – Die
Lebensdauer des Schmiermittelfilters wird verlängert.
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- 1
- Druckregeleinheit
- 2
- Pumpe
- 2a
- Förderdruckseite
- 2b
- Saugseite
- 3
- Schmiermittelumlaufschmierung
- 4
- Schmiermittelleitung
- 4a
- Schmiermittelverbraucher
- 5
- Gehäuse
- 6
- Steuerkolben
- 6a
- erste
Steuerfläche
- 6b
- zweite
Steuerfläche
- 6c
- dritte
Steuerfläche
- 7
- Bypasskammer
- 7a
- Bypassöffnung
- 8
- Federelement
- 9
- zweite
Steuerkammer
- 10
- dritte
Steuerkammer
- 11
- Schmiermittelbehälter
- 11a
- Saugstelle
- 11b
- Rückführstelle