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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schmierstoffkreislauf, insbesondere für die Schmierung eines Verbrennungsmotors wie etwa eines Otto- oder Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug.
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Da der Schmierstoffbedarf eines solchen Verbrennungsmotors mit ihrer Drehzahl zunimmt, umfasst ein Schmierstoffkreislauf dafür in der Regel eine fest an eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors gekoppelte und über diesen angetriebene Schmierstoffpumpe. Aufgrund dieser Kopplung nimmt der Durchsatz der Schmierstoffpumpe mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors zu. Da der Schmierstoffdurchsatz des Motors nicht exakt linear proportional zur Drehzahl ist, sondern von weiteren Faktoren, insbesondere der Temperatur des Verbrennungsmotors, abhängt, muss die Schmierstoffpumpe ausgelegt sein, um unter allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierstoffmenge bereitzustellen. Ist die von der Pumpe geförderte Schmierstoffmenge größer als der Durchsatz des Verbrennungsmotors, dann steigt der Druck am Ausgang der Schmierstoffpumpe und einer daran angeschlossenen, zu den einzelnen Schmierstellen führenden Ölgalerie, und der Anteil der Leistung des Verbrennungsmotors, der für den Antrieb der Schmierstoffpumpe aufgewandt werden muss, nimmt zu.
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Um Schäden im Schmierstoffkreislauf durch einen zu hohen Druck am Ausgang der Pumpe zu verhindern, ist es üblich, ein Überdruckventil unmittelbar am Ausgang der Schmierstoffpumpe vorzusehen, über welches Schmierstoff zurück in ein Reservoir fließen kann, wenn der Druck am Ausgang der Pumpe einen Grenzwert übersteigt. Eine solche Grenzwertüberschreitung tritt meist bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine auf, da dann der Druck wesentlich schneller als im kontinuierlichen Betrieb zunimmt und der Druck am Pumpenausgang über den Grenzwert hinausschießen kann, bevor er sich zu einer stromabwärts in der Ölgalerie angeordneten Regelvorrichtung ausgebreitet hat und diese in der Lage ist, gegenzusteuern. Aus diesem Grund wird dieses Überdruckventil auch als Kaltstartventil bezeichnet. Das Kaltstartventil bietet zwar einen wirksamen Schutz vor kritisch hohen Drücken im Schmierstoffkreislauf, doch geht auch jedes Mal, wenn das Kaltstartventil Schmierstoff durchlässt, Energie nutzlos verloren.
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Um einen Verbrennungsmotor energieeffizient betreiben zu können, wäre es daher wünschenswert, über einen Schmierstoffkreislauf zu verfügen, der einerseits in der Lage ist, den Verbrennungsmotor jederzeit mit ausreichend Schmierstoff zu versorgen, der andererseits aber unnütz hohe Schmierstoffdrücke, die das Ansprechen eines Kaltstartventils erforderlich machen, auf ein Minimum beschränken oder gar vollständig vermeiden kann. Wenn das Auftreten eines solchen kritisch hohen Drucks im Schmierstoffkreislauf vollständig vermieden werden kann, kann außerdem das Kaltstartventil entfallen, was wiederum zu Kostenvorteilen führt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei einem Schmierstoffkreislauf, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer Schmierstoffpumpe, die saugseitig mit einem Reservoir und druckseitig mit einem Verteiler verbunden ist, mindestens einer Schmierstelle, die mit dem Verteiler und einem zum Reservoir führenden Rücklauf verbunden ist, sowie einer elektronischen Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Pumpe die Steuereinheit eingerichtet ist, den Ausgangsdruck der Schmierstoffpumpe anhand der Temperatur des Schmierstoffs zu regeln. Da die Temperatur des Schmierstoffs bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine ermittelt werden kann, ist es möglich, bereits zum Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine einen Soll-Ausgangsdruck der Schmierstoffpumpe passend vorzugeben, so dass Druckspitzen am Ausgang der Pumpe, die herkömmlicherweise über das Kaltstartventil abgefangen werden müssen, von vornherein vermieden werden können.
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Einer ersten Ausgestaltung zufolge kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Temperatur des Schmierstoffs anhand eines Modells abzuschätzen. Ein solches Modell kann beispielsweise anhand des Verlaufs der Motorlast in der Vergangenheit und gegebenenfalls anderer Parameter die Schmierstofftemperatur abschätzen.
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Natürlich kann alternativ die Steuereinheit auch mit einem Temperatursensor verbunden sein. Herkömmliche Kraftfahrzeugmotoren sehen keine Sensoren zur Erfassung der Öltemperatur vor, jedoch können Messwerte eines üblicherweise vorhandenen Kühlwasser-Temperatursensors zur Abschätzung der Öltemperatur ohne Weiteres herangezogen werden. Um die Öltemperatur zumindest zeitweilig nach einem längeren Stillstand der Brennkraftmaschine abschätzen zu können, kann auch ein Ansaugluft-Temperatursensor herangezogen werden, der bei vielen modernen Kraftfahrzeugen für die Gemischsteuerung ohnehin vorhanden ist.
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Da bei hoher Temperatur der Brennkraftmaschine (und des Schmierstoffs) im Allgemeinen der Schmierstoffdurchsatz des Verbrennungsmotors hoch und die Viskosität des Schmierstoffs niedrig ist, ist es zweckmäßig, den Ausgangsdruck um so höher zu wählen, je höher die erfasste Temperatur ist. In der Praxis erweist sich eine einfache Schwellwertsteuerung als ausreichend, bei der die Steuereinheit einen niedrigen oder einen hohen Ausgangsdruck der Schmierstoffpumpe einstellt, je nach dem ob die erfasste Temperatur unter oder über einer Grenztemperatur liegt.
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Da der Schmierstoffdurchsatz des Verbrennungsmotors auch von anderen Einflüssen als der Drehzahl und der Temperatur abhängen kann bzw. in einem nicht exakt linearen Zusammenhang mit der Drehzahl stehen kann, ist es zweckmäßig, als Schmierstoffpumpe eine Pumpe mit veränderbarer Förderrate zu verwenden. Besonders bevorzugt ist eine Flügelzellenpumpe mit einem Gehäuse und einem Rotor, deren Exzentrizität relativ zueinander zur Steuerung der Förderrate unter dem Einfluss des im Verteiler herrschenden Drucks veränderbar ist. In der Praxis ist vorzugsweise die Achse des Rotors einer solchen Flügelzellenpumpe in Bezug auf eine Halterung der Pumpe ortsfest, und eine Änderung der Exzentrizität erfolgt, indem das Gehäuse der Pumpe bezogen auf die Drehachse in radialer Richtung verstellt wird.
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Um die Verstellung der Exzentrizität anzutreiben, kann zweckmäßigerweise ein mit dem Verteiler kommunizierendes erstes Stellglied vorgesehen sein.
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Das Stellglied kann insbesondere einerseits am Gehäuse und andererseits am Rotor der Schmierstoffpumpe bzw. an der Halterung angreifen.
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Um den Ausgangsdruck der Flügelzellenpumpe temperaturabhängig zu machen, steuert vorzugsweise die elektronische Steuereinheit ein Ventil, welches ein zweites Stellglied, das ebenfalls angeordnet ist, um die Exzentrizität der Schmierstoffpumpe zu verstellen, wahlweise mit dem Verteiler verbindet oder vom Verteiler trennt.
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Wenn sowohl das erste als auch das zweite Stellglied am Schmierstoffkreislauf vorhanden sind, dann sind sie zweckmäßigerweise so angeordnet, dass sie die Exzentrizität der Schmierstoffpumpe gleichsinnig verstellen. Wenn sich auf diese Weise beide Stellglieder gegenseitig unterstützen, genügt ein geringerer Druck am Ausgang der Pumpe, um eine gegebene Änderung der Exzentrizität – und damit eine gegebene Änderung der Förderrate der Pumpe – zu erzielen, als wenn nur ein einziges Stellglied wirksam ist.
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Damit das zweite Stellglied die Bewegung von Gehäuse und Rotor gegeneinander nicht blockiert, wenn es durch das Ventil vom Verteiler getrennt ist, ist das Ventil vorzugsweise als Wegeventil ausgeführt, welches in einer Stellung, in der es das zweite Stellglied von dem Verteiler trennt, dieses gleichzeitig mit dem Reservoir verbindet.
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Während das erste Stellglied im Allgemeinen mit einem stromabwärtigen Abschnitt des Verteilers verbunden ist, um sicherzustellen, dass auch dort ein erforderlicher Druck erreicht wird, ist das Ventil vorzugsweise mit einem stromaufwärtigen Abschnitt des Verteilers verbunden, um eine schnelle Reaktion des zweiten Stellgliedes auf Druckschwankungen am Ausgang der Pumpe zu ermöglichen.
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Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Abschnitt des Verteilers ein Drosselelement, insbesondere ein Schmierstoffkühler und/oder ein Schmierstofffilter angeordnet ist, das einen Druckabfall vom stromaufwärtigen zum stromabwärtigen Abschnitt bewirkt und/oder die Ausbreitung eines hohen Drucks vom Ausgang der Pumpe zum stromabwärtigen Abschnitt verzögert.
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Um eine ausreichende Schmierstoffversorgung bei gleichzeitig hoher Sicherheit vor unzulässigen Überdrücken unter allen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, den Ausgangsdruck der Schmierstoffpumpe ferner anhand der Drehzahl des Verbrennungsmotors zu regeln. Zu diesem Zweck kann sie mit einem Drehzahlsensor an einer Welle des Verbrennungsmotors verbunden sein.
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Die oben erwähnte Grenztemperatur ist dann zweckmäßigerweise eine Funktion der Drehzahl, oder, was auf dasselbe hinausläuft, es gibt zu jeder Temperatur eine Grenzdrehzahl, unterhalb derer die Steuereinheit den niedrigen und oberhalb derer sie den hohen Ausgangsdruck einstellt.
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Die Grenztemperatur ist zweckmäßiger Weise umso niedriger, je höher die erfasste Drehzahl ist, bzw. je höher die Temperatur ist, umso niedriger ist die Grenzdrehzahl, bei deren Überschreitung die Steuereinheit auf den hohen Ausgangsdruck umschaltet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Schmierstoffkreislaufs; und
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2 Schaltcharakteristika der Steuereinheit bei unterschiedlichen Starttemperaturen.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Ölkreislaufs in einem Kraftfahrzeugmotor. Eine Flügelzellenpumpe 1 ist über eine Saugleitung 2 mit einer Ölwanne 3 verbunden. Ein druckseitig an die Flügelzellenpumpe 1 angeschlossener Verteiler umfasst eine Zuleitung 4, auf der in Reihe ein Ölfilter 5 und ein Ölkühler 6 angeordnet sind, sowie eine Galerie 7, von der Stichleitungen 8 zu diversen Schmierstellen 9 des Motors wie etwa Lagern einer Kurbelwelle 10 abzweigen. Von den Schmierstellen 9 läuft das Öl ungeführt zurück in die Ölwanne 3.
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Die Flügelzellenpumpe 1 hat in an sich bekannter Weise ein Gehäuse 11 mit einem zylindrischen Hohlraum, in dem ein Rotor 12 mit mehreren durch Positionsringe in Kontakt mit einer Innenfläche des Gehäuses 11 gehaltenen, den Hohlraum in mehrere Zellen unterteilenden Flügeln 13 angeordnet ist. Der Rotor 12 hat eine feste Drehachse, gegen die das Gehäuse 11 unter dem Einfluss einer Feder 14 und zweier hydraulischer Stellglieder 15, 16 quer zu der Drehachse beweglich ist. In der Praxis ist diese Bewegung meist eine Schwenkbewegung um eine zu der Drehachse des Rotors parallele, außerhalb des Gehäuses 11 verlaufende Achse. Die zwei Stellglieder treiben eine Verschiebung des Gehäuses 11 in derselben Richtung an, entgegengesetzt zur Antriebsrichtung der Feder 14, die man sich in der Darstellung der 1 als eine Druckfeder vorstellen muss. Die Stellglieder 15, 16 sind in 1 schematisierend jeweils mit einem Zylinder und einem in dem Zylinder verschiebbaren Kolben dargestellt, wobei der Kolben auf das Gehäuse 11 einwirkt und der Zylinder starr mit einem Lager der Achse des Rotors 12 verbunden ist. In der Praxis sind die Stellglieder meist als Druckräume realisiert, die einerseits von einem in der 1 nicht dargestellten einstückigen Rahmenteil, welches auch das Lager der Achse enthält, und andererseits von Außenflächen des Gehäuses 11 begrenzt, auf die der Druck des Öls in den Druckräumen unmittelbar einwirkt.
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Die Feder 14 und die Stellglieder 15, 16 sind jeweils so angeordnet, dass eine von der Feder 14 ausgeübte Kraft auf eine Erhöhung der Exzentrizität des Rotors 12 im Bezug zum Gehäuse 11 und damit eine Steigerung der Förderrate der Pumpe 1, Druck der Stellglieder 15, 16 hingegen auf eine Verringerung der Exzentrizität und der Förderrate hinwirkt.
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Eine Steuerkammer des Stellglieds 15 ist über eine Messleitung 17 mit einem stromabwärtigen Ende der Galerie 7 verbunden, so dass der in der Galerie 7 herrschende Druck auch in der Steuerkammer des Stellglieds 15 ansteht und eine der Feder 14 entgegenwirkende Kraft auf das Gehäuse 11 ausübt. Die Querschnittsfläche der Steuerkammer des Stellglieds 15 und die Stärke der Feder 14 sind so aufeinander abgestimmt, dass, wenn das zweite Stellglied 16 drucklos ist, im stationären Betrieb ein Öldruck von ca. 4 bar in der Galerie 7 erreicht wird.
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Beim Start des Motors ist die Galerie 7 drucklos, und die Feder 14 hält das Gehäuse 11 in einer Stellung maximaler Exzentrizität. Infolge dessen ist die Förderrate der Pumpe 1 beim Start des Motors maximal, was an sich auch zweckmäßig ist, um in möglichst kurzer Zeit eine wirksame Ölversorgung an allen Schmierstellen 9 aufzubauen. Eine hohe Förderrate der Pumpe 1 bei gleichzeitig hoher Viskosität des Öls und geringem Volumenstrombedarf aufgrund der niedrigen Temperatur des Motors bewirkt jedoch einen kurzzeitig zu hohen Druck, der Bauteile schädigen kann und daher vermieden werden muss. Um dies zu erreichen, ist das Stellglied 16 über eine zweite Messleitung 18 unmittelbar mit dem Druckausgang der Flügelzellenpumpe 1 verbunden. Zu diesem Zweck ist die Messleitung 18 möglichst kurz gehalten und verläuft vorzugsweise vollständig innerhalb einer Baueinheit, in der die Flügelzellenpumpe 1 und die beiden Stellglieder 15, 16 zusammengefasst sind. Während es in der Praxis mehrere Sekunden dauern kann, bis sich ein hoher Druck am Ausgang der Flügelzellenpumpe 1 über den gesamten Verteiler bis zum Stellglied 15 ausgebreitet hat, wirkt dieser Druck praktisch ohne Verzögerung auf das Stellglied 16. Der Querschnitt von dessen Steuerkammer ist genau so groß wie derjenige des Stellglieds 15, so dass, wenn beide Stellglieder 15, 16 druckbeaufschlagt werden, sich im stationären Zustand ein Druck von 2 bar auf der Galerie 7 einstellt.
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Auch wenn beim Start des Motors der Druck des von der Pumpe 1 geförderten Öls sich noch nicht bis zum Stellglied 15 fortgepflanzt hat, ist das Stellglied 16 wirksam, um kritische Drücke auf der Zuleitung 4, die den Ölfilter 5 beschädigen könnten, zu vermeiden.
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Um eine ausreichende Schmierung der Lager 9 bei höheren Drehzahlen zu gewährleisten, sollte die Galerie 7 einen Druck von 4 bar erreichen können. Zu diesem Zweck ist in der Messleitung 18 ein Wegeventil 19 angeordnet, welches in der Lage ist, die Messleitung 18 zu unterbrechen und die Steuerkammer des Stellglieds 16 über eine zur Ölwanne 3 führende Verbindungsleitung 20 drucklos zu machen. Wenn das Stellglied 16 drucklos ist, steuert allein das Stellglied 15 die Förderrate der Pumpe 1 bzw. den Druck auf der Galerie 7.
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Das Wegeventil 19 ist gesteuert durch eine elektronische Steuereinheit 21, die mit einem Temperatursensor 22 und einem Drehzahlsensor 23 verbunden ist. Die Steuereinheit 21 ist vorzugsweise implementiert in Form eines zusätzlichen Softwaremoduls einer an sich bekannten programmgesteuerten Motorsteuereinheit (ECU). Da derartige Motorsteuereinheiten herkömmlicherweise meist mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Kühlwassertemperatur des Motors und einem Drehzahlsensor verbunden sind, ist die Steuereinheit 21 mit minimalem Aufwand realisierbar.
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Die Steuereinheit 21 ist programmiert, um jeweils bei einem Start des Motors zunächst für kurze Zeit die Messleitung 18 durchlässig zu schalten und so das Stellglied 16 mit Druck vom Ausgang der Pumpe 1 zu beaufschlagen. Der Zeitpunkt der Umschaltung auf den drucklosen Zustand des Stellglieds 16 hängt sowohl von der Drehzahl der Kurbelwelle 10 als auch von der gemessenen Temperatur ab, wie in 2 anhand mehrerer Kurven C1 bis C8 dargestellt. C1 beschreibt das Verhalten der Steuereinheit 21 bei einer Temperatur von –30°C: erst bei einer extrem hohen Drehzahl zwischen 5.000 und 6.000 min–1 schaltet die Steuereinheit 21 das Stellglied 16 drucklos, um den Öldruck in der Galerie 7 von 2 auf 4 bar zu steigern. Die gleiche Schaltschwelle gilt bei einer Temperatur von –20°C (C2). Bei –10°C (C3) ist die Schaltschwelle auf einen Wert zwischen 4.000 und 5.000 min–1 reduziert. Der gleiche Wert gilt auch bei einer Temperatur von 0°C (C4). Im Bereich 10 bis 20°C (C5, C6) ist die Umschaltschwelle auf 3.000 bis 4.000 min–1 reduziert, und bei im Dauerbetrieb auftretenden Temperaturen von 60 Grad Celsius und darüber liegt die Schaltschwelle bei 2.000 bis 3.000 min–1 (C7, C8). Indem somit auch bei stationären Temperaturen des Motors ein Betrieb der Pumpe 1 mit reduziertem Ausgangsdruck möglich ist, kann der Energiebedarf zum Fördern einer gegebenen Ölmenge zu Zeiten, in denen der Ölbedarf des Motors aufgrund niedriger Drehzahl gering ist, reduziert werden, was zusätzliche Energieeinsparungen beim Betrieb des Ölkreislaufs ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flügelzellenpumpe
- 2
- Saugleitung
- 3
- Ölwanne
- 4
- Zuleitung
- 5
- Ölfilter
- 6
- Ölkühler
- 7
- Galerie
- 8
- Stichleitung
- 9
- Schmierstelle
- 10
- Kurbelwelle
- 11
- Gehäuse
- 12
- Rotor
- 13
- Flügel
- 14
- Feder
- 15
- Stellglied
- 16
- Stellglied
- 17
- Messleitung
- 18
- Messleitung
- 19
- Wegeventil
- 20
- Verbindungsleitung
- 21
- Steuereinheit
- 22
- Temperatursensor
- 23
- Drehzahlsensor
