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Die
Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung mit den Merkmalen
aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die
Erfindung geht von der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 51 780 A1 aus, in
der eine Druckregeleinheit für
einen Ölkreislauf
eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors beschrieben ist. In der
DE 100 51 780 A1 wird
eine Ölpumpe
mit einer derartigen Druckregeleinheit für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen,
mit einem Steuerelement, über das
der Druck im Ölkreislauf
einstellbar ist. Das Steuerelement ist einerseits von einer vom
Druck des Ölkreislaufs
abhängigen
Hydraulikkraft und andererseits von der Federkraft einer mechanischen
Feder beaufschlagbar. Erfindungsgemäß ist bei der Druckregeleinheit
der mechanischen Feder ein selbständiges Stellelement zur öltemperaturabhängigen Einstellung
der Federkraft zugeordnet.
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Da
der Schmiermittelbedarf einer Brennkraftmaschine jedoch nicht nur
temperatur-, sondern auch drehzahlabhängig ist, ist es von Nachteil,
dass die Drehzahlabhängigkeit
bei der gattungsgemäßen Druckregeleinheit
nicht berücksichtigt
ist.
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Weiter
ist aus der deutschen Patentschrift
DE 43 02 610 C2 ein Verfahren zum Regeln
der Pumpleistung von Schmiermittelpumpen sowie eine Schmiermittelpumpe
zur Durchführung
des Verfahrens beschrieben. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren sowie
mit der vorgeschlagenen Schmiermittelpumpe sind sowohl die Temperatur
als auch die Drehzahl bei der Regelung der Pumpleistung berücksichtigbar,
jedoch sind hierfür
aktive Temperatur- und/oder
Drehzahlerfassungssysteme notwendig, um die Förderleistung der Schmiermittelpumpe
entsprechend zu regeln.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine drehzahlabhängige Druckregelvorrichtung
für eine
Schmiermittelpumpe aufzuzeigen, die gleichzeitig einen äußerst einfachen
und robusten Aufbau aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird
eine äußerst einfache,
robuste, d. h. störunanfällige und
extrem kostengünstige
passive Druckregelvorrichtung erzielt. Da keine aktiven Bauelemente
für die
Drehzahlerfassung zum Einsatz kommen, ist das Ausfallrisiko der
Druckregelvorrichtung äußerst gering.
Darüber
hinaus sind die Anforderungen an das Package für die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung
sehr gering.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
2 kann die resultierende Druckregelkennlinie an den drehzahlabhängigen Schmiermittelbedarf
der Rotationsmaschine angepasst werden, insbesondere kann ein zu
starkes Ansteigen des Drucks bei hohen Drehzahlen verhindert werden.
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Durch
die Variation der Durchflussquerschnitte gemäß Patentanspruch 3 ist neben
der drehzahlabhängigen
Druckregelung auch eine temperaturabhängige Regelung der Schmiermittelfördermenge
möglich,
wobei die Bauteil- und/oder
Schmiermitteltemperatur als Regelgröße dient.
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Die
Wellen gemäß Patentanspruch
4 sind besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele.
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Die
Ausführungen
gemäß Patentanspruch
5 sind ebenfalls besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
6 ist eine besonders bevorzugte Variante, mit der die Drehzahlabhängigkeit
der Druckregelvorrichtung nochmals verbessert wird.
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Im
Folgenden ist die Erfindung für
ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
anhand von zwei Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung.
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2 zeigt
ein berechnetes Diagramm für die
Drehzahl- und Temperaturabhängigkeit
einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Druckregelvorrichtung.
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles einer
erfindungsgemäßen Druckregeleinheit 1 für eine drehzahl-
und temperaturabhängige
Regelung einer Pumpe 2 einer nicht dargestellten Rotationsmaschine,
insbesondere einer Brennkraftmaschine. In einer Schmiermittelauffangwanne 8 ist
flüssiges Schmiermittel
gesammelt. Ein Schmiermittelpegel ist gestrichelt dargestellt. Eine
Saugstelle 9 der Pumpe 2 ragt unter den Schmiermittelpegel.
Die Pumpe 2 saugt das Schmiermittel aus der Schmiermittelauffangwanne 8 an
und fördert
dieses in eine Umlaufschmierung 3 der Rotationsmaschine.
In Strömungsrichtung
des Schmiermittels wird dieses zuerst durch eine erste Drosselstelle 4,
anschlie ßend
durch eine zweite Drosselstelle 6, weiter durch eine erste Schmierstelle 5 und
anschließend
wieder zurück
in die Schmiermittelauffangwanne 8 gefördert. Bei Bedarf kann auch
noch eine weitere Schmierstelle 12 oder mehrere weitere
Schmierstellen 12 von der Pumpe 2 mit Schmiermittel
beaufschlagt werden. Erfindungsgemäß ist die erste Schmierstelle 5 für eine drehende
Welle der Rotationsmaschine oder eine mit der Rotationsmaschine
koppelbare drehende Welle vorgesehen.
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In
der Schmiermitteauffangwanne 8 herrscht ein Druck P0, d. h. das Schmiermittel ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
drucklos gegenüber
einem Umgebungsdruck. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Schmiermittel
auch mit einem Über- oder
Unterdruck beaufschlagt sein. Nach der Pumpe 2 und vor
der weiteren Schmierstelle 12, bzw. der ersten Drosselstelle 4 liegt
in der Umlaufschmierung 3 ein Druck p1 an.
Zwischen der ersten Drosselstelle 4 und der zweiten Drosselstelle 6 liegt
in der Umlaufschmierung 3 ein Steuerdruck ps an,
mit dem die Schmiermittelfördermenge
der Pumpe 2 über
ein Federelement 7 regelbar ist. Diese Regelung wird hier nicht
weiter beschrieben, da sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Um erfindungsgemäß eine drehzahlabhängige Fördermenge
des Schmiermittels zu erzielen, ist die erste Schmierstelle 5 ein
Lager einer drehenden Welle der Rotationsmaschine oder ein Lager
einer mit der Rotationsmaschine koppelbaren drehenden Welle. Vorzugsweise
ist die Welle eine Antriebswelle der Pumpe 2 bzw., für den Fall,
dass die Rotationsmaschine eine Brennkraftmaschine ist, das Lager
einer Nockenwelle oder einer Kurbelwelle oder auch einer Ausgleichswelle.
Nach der ersten Schmierstelle 5 strömt das Schmiermittel wieder
zurück
in die Schmiermittelauffangwanne 8.
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Beim
Betrieb der Rotationsmaschine weist die Druckregelvorrichtung 1 einen
ersten Druckabfall an der ersten Drosselstelle 4, einen
zweiten Druckabfall an der zweiten Drosselstelle 6 und
einen dritten Druckabfall an der ersten Schmierstelle 5 auf.
Wird die Drehzahl der Rotationsmaschine erhöht, so tritt durch die erste
Schmierstelle 5, dem Lagerspalt der Welle, entsprechend
mehr Schmiermittel aus und der Steuerdruck ps fällt ab,
wodurch die Pumpe 2 entsprechend mehr Schmiermittel fördert, bis
der Steuerdruck ps wieder seinen Sollwert
angenommen hat, d. h. konstant bleibt. Somit ist gewährleistet,
dass an allen Schmierstellen 5, 12 der Rotationsmaschine stets
ein ausreichender Schmiermitteldruck p1 anliegt.
Um einen definiert drehzahlabhängigen Schmiermitteldruckverlauf
p1 einstellen zu können, ist die zweite Drosselstelle 6 vorgesehen.
Da der Schmiermitteldurchsatz durch die erste Schmierstelle 5 mit
steigender Drehzahl zunimmt, wirkt ab einer bestimmten Drehzahl
(die Durchflussquerschnitte der ersten Schmierstelle 5 und
der zweiten Drosselstelle 6 sind bei dieser Drehzahl in
etwa gleich groß) der
Rotationsmaschine der Durchflussquerschnitt der zweiten Drosselstelle 6 als
eine den maximalen Schmiermitteldurchfluss bestimmende Drosselstelle. Somit
wird die von der Pumpe 2 geförderte Schmiermittelmenge bis
zu dieser Drehzahl vorwiegend von dem Durchflussquerschnitt der
ersten Schmierstelle 5 und über dieser Drehzahl vorwiegend
von der zweiten Drosselstelle 6 bestimmt.
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Da
sich der Durchflussquerschnitt (Lagerspalt) der ersten Schmierstelle 5 mit
verändernder Schmiermittel-
und/oder Bauteiltemperatur ebenfalls verändert, weist die Druckregelvorrichtung 1 auch eine
Temperaturabhängigkeit
auf. Eine weitere Berücksichtigung
der Temperatur ist dadurch möglich, dass
die erste Drosselstelle 4 und/oder die zweite Drosselstelle 6 ebenfalls
einen von der Schmiermittel- und/oder Bauteiltemperatur abhängigen Durchflussquerschnitt
aufweisen. Dies kann beispielsweise durch eine gezielte Paarung
von unterschiedlichen Materialien mit beispielsweise unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
wie z. B. Eisen und Aluminium oder Kunststoff und Aluminium, erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Welle
der Pumpe (2) und/oder die erste Drosselstelle (5)
eine Ausgestaltung auf, mit der der drehzahlabhängige Schmiermitteldurchsatz
beeinflussbar ist. Dies kann beispielsweise über die Rauhigkeit oder durch
das Einbringen von schmiermittelabführenden Geometrien, wie z.
B. Riefen oder Rillen in die Lageroberfläche erfolgen.
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2 zeigt
ein beispielhaft berechnetes Diagramm für verschiedene drehzahl- und
temperaturabhängige
Volumenstromverläufe V .(T,n) bzw. Druckverläufe p(T,n) über die
Drehzahl n der Rotationsmaschine, wobei V .(T,n)
dem Volumenstromverlauf durch die erste Schmierstelle 5 und
p(T,n) dem o. g. Förderdruck p1 entspricht. Über die
Y-Achse ist der Förderdruck
p1 von null bis sechs bar aufgetragen, bzw.
der Volumenstrom V .(T,n) von 0 bis 6 Kubikzentimeter
pro Sekunde [cc/s]. Über
die X-Achse ist die Drehzahl n der Rotationsmaschine in einem Bereich
von 800 bis 6.400 Umdrehungen pro Minute [1/min] aufgetragen. Der
Steuerdruck ps für die Pumpe 2 beträgt aufgrund der
Drucksteuerung über
den gesamten Drehzahlbereich konstant 1 bar.
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Die
erste Kurvenschar V .(T,n) stellt den drehzahlabhängigen Schmiermittelvolumenstrom
durch die erste Schmierstelle 5 dar, wobei jede Gerade
einen unterschiedlichen Durchflussquerschnitt der ersten Schmierstelle 5 darstellt,
wie er sich für
unterschiedliche Temperaturen, beispielsweise bei einer typischen
geometrischen Auslegung der Schmierstelle 5, einstellt.
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Eine
zweite, im Verlauf über
die Drehzahl gekrümmte
Kurvenschar P(T,n) stellt für diese
Durchflussquerschnitte der ersten Schmierstelle 5 den sich einstellenden
Druck p1 dar, der sich aus der Regelung
der Pumpe 2 (ps = const.) bei einem überlagerten
Temperatureinfluss der ersten Drosselstelle 4 ergibt. Dieser
dient dem teilweisen Ausgleich der Temperaturabhängigkeit der Schmierstelle 5.
Somit ist für jeden
Betriebszustand der Rotationsmaschine jede Schmierstelle 5, 12 mit
ausreichend Schmiermitteldruck beaufschlagt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Temperatureinfluss durch eine geeignete, wie oben dargestellte
Materialpaarung realisiert. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Strömungsquerschnitt
auch durch aktive Bauelemente verändert werden, was jedoch den
baulichen Aufwand der Druckregeleinrichtung 1 wieder unerwünscht erhöht.
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Erfindungsgemäß wird für die Druckregeleinheit 1 eine
passive Regelung über
Drosselstellen 4, 5, 6, die im Rückführzweig
den Steuerdruck ps für die Pumpe 2 geeignet
modifizieren, vorgeschlagen, wobei mindestens eine Drosselstelle
drehzahlabhängig ist.
Hier bietet sich die Schmiermitteversorgung eines Gleitlagers an,
vorzugsweise die mit der Motordrehzahl mal einer Übersetzung
drehende Pumpenwelle (Der Schmiermitteldurchsatz im Gleitlager ist
typischerweise ≈ die
Drehzahl n × Lagerspiel^2,5). Der Temperatureinfluss auf das Lagerspiel
kann mit einem geeigneten Temperaturverhalten einer oder mehrerer
der übrigen
Drosselstellen 4, 6 ausgeglichen oder modifiziert
werden. Für
eine temperatur- und drehzahlabhängige
Regelung der Fördermenge des
Schmiermittels wird im einfachsten Fall ein System aus drei Drosseln,
die erste Drosselstelle 4, die erste Schmierstelle 5 und
die zweite Drosselstelle 6 in Reihe verwendet, wobei der
Steuerdruck ps, den das pumpeninterne Federelement 7 konstant
hält, zwischen
der ersten Drosselstelle 4 und der ersten Schmierstelle 5 abgenommen
wird. Die erste Drosselstelle 4 kann als temperaturabhängige Engstelle in
der Zuführung,
ggf. kalibrierbar, ausgeführt
sein. Die erste Schmierstelle 5 ist z. B. die Zuführbohrung zu
einem Gleitlager der Rotationsmaschine oder eine mit der Rotationsmaschine
koppelbare drehende Welle.
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In
vorteilhafter Weise sind die Kosten für die erfindungsgemäße Druckregeleinheit 1 extrem
gering, ebenso wie das Ausfallrisiko der Druckregeleinheit 1.
Darüber
hinaus stellt die erfindungsgemäße Ausgestaltung
Minimalanforderungen an das Package.
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- 1
- Druckregeleinheit
- 2
- Pumpe
- 3
- Umlaufschmierung
- 4
- erste
Drosselstelle
- 5
- erste
Schmierstelle
- 6
- zweite
Drosselstelle
- 7
- Federelement
- 8
- Schmiermittelauffangwanne
- 9
- Saugstelle
- 10
- Rückführstelle
- 11
- Schmiermittelpegel
- 12
- weitere
Schmierstelle