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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für eine Umlaufschmierung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 049 620 A1 aus. In dieser Offenlegungsschrift ist eine Regelvorrichtung, eine Druckregelvorrichtung, für eine Rotationsmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, offenbart, mit einer Pumpe mit einer regelbaren Fördermenge für ein Schmiermittel für eine Umlaufschmierung für zumindest eine Schmierstelle. Hierbei ist die Fördermenge über einen Steuerdruck (p
s) des Schmiermittels einstellbar, wobei der Steuerdruck (p
s) in Strömungsrichtung des Schmiermittels hinter einer ersten Drosselstelle und vor der ersten Schmierstelle anliegt. Die erste Schmierstelle ist für eine drehende Welle der Rotationsmaschine oder eine mit der Rotationsmaschine koppelbare drehende Welle vorgesehen. Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung der Regelvorrichtung ist eine durchsatzabhängige Regelung der Fördermenge, bzw. hydraulischen Leistung der Pumpe realisiert.
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Weiter ist es heute vielfach üblich, eine volumenstromgeregelte Schmiermittelpumpe für eine Brennkraftmaschine in der Großserie mit einer elektronischen Kennfeldregelung mittels Magnetventil zur Reduzierung des Ölpumpenantriebsmomentes und somit zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches vorzusehen.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik sind die relativ hohen Herstellkosten für die elektronische Schmiermitteldruckregelung mittels eines Kennfeldes.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellkosten für eine gattungsgemäße Regelvorrichtung für eine Umlaufschmierung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, zu reduzieren.
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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 kann das Magnetventil entfallen, der Kabelbaum des Kraftfahrzeuges einfacher ausgestaltet werden, entsprechende Steuerausgänge der digitalen Brennkraftmaschinenelektronik können entfallen, weiter sind die Bearbeitung der Schmiermittelpumpe sowie des Kurbelgehäuses einfacher, es ist kein hochwertiger Schmiermitteldrucksensor notwendig und zusätzlich entfallen die Kosten der Applikation der Kennfeldregelung, kurz gesagt: Die Herstellkosten, nicht nur für die Regelvorrichtung, werden in vorteilhafter Weise gesenkt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die Querschnittsveränderungen im Leitungssystem gemäß Patentanspruch 2 können in vorteilhafter Weise je nach Anwendungsfall ausgelegt werden.
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Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 3 sind bevorzugte Ausgestaltungen der Regelvorrichtung.
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Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 4 sind weitere bevorzugte Ausführungsvarianten.
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Auch wenn prinzipiell jede volumenstromgeregelte Schmiermittelpumpe zum Einsatz kommen kann, sind die Pumpen gemäß Patentanspruch 5 besonders bevorzugte Schmiermittelpumpen.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand des Standes der Technik, eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, einer Detaildarstellung des Ausführungsbeispieles und drei Diagrammen in sechs Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch ein Schaltbild für eine Regelvorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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2 zeigt schematisch ein Schaltbild für eine Regelvorrichtung gemäß der Erfindung.
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3 zeigt eine Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung.
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4 zeigt in einem ersten Diagramm eine Kraft auf ein Stellglied über den Weg des Stellgliedes vor einem Start einer Brennkraftmaschine.
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5 zeigt in einem zweiten Diagramm die Kraft auf das Stellglied über den Weg des Stellgliedes nach dem Start der Brennkraftmaschine bei geringem Schmiermitteldurchsatz.
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6 zeigt in einem dritten Diagramm die Kraft auf das Stellglied über den Weg des Stellgliedes bei sinkender Viskosität des Schmiermittels.
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Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in allen Figuren die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt schematisch eine Regelvorrichtung für eine Umlaufschmierung 1, insbesondere für eine Brennkraftmaschine 2 gemäß dem Stand der Technik, ohne Kennfeldregelung. Die Brennkraftmaschine 2 weist zumindest eine Schmiermittelversorgungsstelle 3 auf. Bei dieser Schmiermittelversorgungsstelle 3 kann es sich beispielsweise um ein Lager handeln oder auch um ein Stellelement oder ein sonstiges mit Druckschmiermittel zu versorgendes Bauteil. Eine Pumpe 4 mit einer regelbaren Fördermenge für das Schmiermittel saugt Schmiermittel aus einer Schmiermittelwanne 11, ein beliebiges Schmiermittelvorratsbehältnis und fördert dieses Schmiermittel durch eine Schmiermittelaustrittsstelle 5 in ein Leitungssystem und weiter in die Brennkraftmaschine 2 zur Schmiermittelversorgungsstelle 3. Überflüssiges bzw. druckloses Schmiermittel verlässt über eine nicht bezifferte Förderleitung die Brennkraftmaschine 2 und wird der Schmiermittelwanne 11 wieder zugeführt.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, nach der Schmiermittelversorgungsstelle 3 einen Schmiermitteldruck, ein Steuerdruck p1 über das Leitungssystem auf ein in einem Steuerelement 7 angeordnetes Stellglied 12 zurückzuführen. Dieser Steuerdruck p1 liegt auf einer ersten Steuerfläche A1 des Stellgliedes 12 an und wirkt gegen die Federkraft eines ersten Federelementes 8. Durch ein resultierendes Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft des Federelementes 8 und dem ersten Steuerdruck p1 wird die Fördermenge bzw. der Volumenstrom des geförderten Schmiermittels variiert und eingestellt.
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Derartige bekannte Systeme werden häufig auch mit einer Kennfeldregelung, wie sie beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 24 564 A1 bekannt ist, kombiniert, wobei dann der Steuerdruck p
1 aus einem Kennfeld ausgelesen und über ein Stellglied aktiv eingestellt wird.
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Nachteilig an dieser bekannten Ausgestaltung ist, dass die Kennfeldregelung für die Umlaufschmierung 1 baulich und finanziell aufwändig ist.
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Aus diesem Grund wird gemäß 2, in dem schematisch in einem Schaltbild eine Regelvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt ist, vorgeschlagen, dass zwischen der Pumpe 4 und der Schmiermittelversorgungsstelle 3 eine Querschnittsveränderung 6 in dem Leitungssystem vorgesehen ist und ein Schmiermitteldruck in der Querschnittsveränderung 6 als ein zweiter Steuerdruck p2 und ein Schmiermitteldruck zwischen der Pumpe 4 und der Querschnittsveränderung 6 oder ein Schmiermitteldruck nach der Querschnittsveränderung 6 und vor der Schmiermittelversorgungsstelle 3 als ein dritter Steuerdruck p3 verwendet wird. Gemäß dem zu 3 beschriebenen resultierenden Kräfteverhältnis kann die Querschnittsveränderung 6 sowohl eine Querschnittsvergrößerung als auch eine Querschnittsverkleinerung sein. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Fall einer Querschnittsverkleinerung. Bei einer Querschnittsvergrößerung sind an der Regelvorrichtung der zweite und der dritte Steuerdruck p2 und p3 zu tauschen.
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Das erfindungsgemäße Funktionsprinzip für die Regelvorrichtung für die Umlaufschmierung 1 ist grundsätzlich auf alle Fluidpumpenarten (Pendelschieberpumpe, Flügelzellenpumpe, Außenzahnradpumpe, Trochoidenpumpe, usw.) und alle Regelprinzipien (Volumenstromregelung, variable Regelung, konstant fördernd, usw.) anwendbar.
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3 zeigt in einer Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung schematisch die Wirkungsweise des Steuerelementes 7 für ein mögliches Ausführungsbeispiel. Zentral angeordnet ist die volumenstromvariable Pumpe 4 mit der Schmiermittelaustrittsöffnung 5. Auf dieser Seite (Pumpenausgang) der Pumpe 4 wird das Schmiermittel durch das nicht bezifferte Leitungssystem in Richtung der Schmiermittelversorgungsstelle 3 gefördert. Diametral gegenüber wird das Schmiermittel von der Pumpe 4 aus der Schmiermittelwanne 11 angesaugt (Pumpeneingang).
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Das Steuerelement 7, welches zur Volumenstromregelung für die Pumpe 4 vorgesehen ist, weist in diesem Ausführungsbeispiel einen weitgehend zylindrischen Innenaufbau auf, in dem das Stellglied 12, ein Doppelkolben, schiebebeweglich angeordnet ist. Das Stellglied 12 ist beidseitig jeweils gegen die Federkraft eines Federelementes, das erste Federelement 8 und das zweite Federelement 9 abgestützt. Das Stellglied 12 weist auf der, dem ersten Federelement 8 zugewandten Seite eine erste Steuerfläche A1 auf, an die der erste Steuerdruck p1 anlegbar ist. Durch diese Druckbeaufschlagung wird das Stellglied 12 in Richtung Pumpe 4 gedrückt. Weiter weist das Stellglied 12 auf der dem zweiten Federelement 9 abgewandten Seite eine zweite Steuerfläche A2 auf, die mit dem zweiten Steuerdruck p2 beaufschlagbar ist, wobei der zweite Steuerdruck p2 die Kraftwirkung des ersten Steuerdrucks p1 unterstützt und ebenfalls gegen die Federkraft des zweiten Federelementes 9 wirkt. Um der Kraft des ersten Steuerdrucks p1 und des zweiten Steuerdrucks p2 entgegenzuwirken, wirkt nun der dritte Steuerdruck p3 auf eine dritte Steuerfläche A3 des Stellgliedes 12, auf der dem zweiten Federelement 9 zugewandten Seite.
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Generell gilt im Steuerelement 7 das Kräfteverhältnis: p1·A1 + p2·A2 + Federkraft erstes Federelement 8 = p3·A3 + Federkraft zweites Federelement 9
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Je nach den vorliegenden Druckverhältnissen, die auch stark von der Temperatur und somit von der Viskosität des Schmiermittels abhängen, stellt sich ein entsprechendes Kräftegleichgewicht ein, mit dem die Fördermenge des Schmiermittels durch die Pumpe 4 eingestellt wird.
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Kurz gesagt: Der erste Steuerdruck p1 wirkt auf die erste Steuerfläche A1 und der zweite Steuerdruck p2 wirkt auf die zweite Steuerfläche A2 und der dritte Steuerdruck p3 wirkt auf die dritte Steuerfläche A3, wobei der erste und der zweite Steuerdruck p1, p2 entgegen dem dritten Steuerdruck p3 wirken, wobei der erste und der zweite Steuerdruck p1, p2 von der Federkraft des ersten Federelementes 8 und der dritte Steuerdruck p3 von der Federkraft des dritten Federelementes 9 unterstützt ist.
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Weiter sind in 3 die Steuerflächen A2, A3 für den zweiten und den dritten Steuerdruck p2, p3 und die Steuerfläche A1 für den ersten Steuerdruck p1 flächengleich, grundsätzlich ist die Funktion aber auch mit unterschiedlich großen Steuerflächen möglich.
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4 zeigt in einem ersten Diagramm qualitativ eine Kraft auf das Stellglied 12 über den Weg des Stellgliedes 12 aufgetragen, vor einem Start der Brennkraftmaschine 2. Die Kraft auf das Stellglied 12 ist normiert auf einer Skala von 0 bis 8, der Weg des Stellgliedes 12 ist normiert auf einen Weg von –2 bis +5, ohne Einheiten.
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Dargestellt in 4 ist die Kraft auf das Stellglied 12 ausgeübt durch das erste Federelement 8 und die Kraft auf das Stellglied 12 ausgeübt durch das zweite Federelement 9, jeweils über den Weg des Stellgliedes 12 (Die Steuerdrucke p1, p2 und p3 liegen noch nicht an). An der X-Achse ist mit Hilfe einer Klammer von ca. 0 bis +3 ein gesamter Verstellweg des Stellgliedes 12 markiert. Ist die Pumpe 4 im Stillstand, dann ist die Position des Stellgliedes 12 (Schieberposition bei Motorstart) bei einem Start der Brennkraftmaschine in diesem Beispiel auf einem Wert von 3 auf der X-Achse. Die zwei Federelemente 8, 9 wirken durch ihre Anordnung, wie oben bereits ausgeführt, kräftemäßig entgegengesetzt. Dies hat zur Folge, dass sich ein Kräftegleichgewicht der Federelemente 8, 9 in dieser Position X einstellt (Überschneidung der beiden Kennlinien). Die volle Exzentrizität des Stellgliedes 12 kann an diesem Punkt 3 vorliegen oder auch zuvor, beispielsweise durch einen mechanischen Anschlag, der in der Pumpe 4 vorgesehen wird. Bei stehender Pumpe 4 wirken nur die Kräfte der beiden Federelemente 8, 9 auf das Stellglied 12 und bestimmen somit dessen Position. Bei der Anwendung in einer Brennkraftmaschine 2 ist dies idealerweise die Position für die maximale Förderung der Pumpe 4.
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5 zeigt in einem zweiten qualitativen Diagramm die Kraft auf das Stellglied 12 über den Weg des Stellgliedes 12 für eine zweite Situation, bei der die Pumpenförderung bei hoher Viskosität des Schmiermittels (Fluids) bei geringem Schmiermitteldurchsatz (Fluiddurchsatz) im zu versorgenden System, der Brennkraftmaschine 2, dargestellt ist. Hier ergibt sich für die Lage des Stellgliedes 12 nach einem Start der Brennkraftmaschine bei geringem Schmiermitteldurchsatz eine Lage auf der X-Achse bei 1.
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Erklärung der Situation 2:
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Bei laufender Pumpe 4 liegt die Viskosität im vorliegenden Anwendungsfall auf vergleichsweise hohem Niveau (z. B. wegen niedriger Temperatur), das zu versorgende System (Brennkraftmaschine 2) setzt deshalb vergleichsweise wenig Schmiermittel durch. Dies führt zu:
- – einem niedrigen Volumenstrom, wenn die Querschnittsveränderung einer Querschnittsverringerung entspricht;
- – einem geringen Druckabfall (bzw. Druckanstieg bei Querschnittserweiterung);
- – einer geringen Kraftdifferenz aus p3/p2;
- – einem geringen Einfluss des Schmiermitteldurchsatzes auf die Position des Stellgliedes 12;
- – die Kraft des ersten Steuerdrucks p1 sorgt für die Verschiebung des Stellgliedes 12 entgegen der Summenkraft der Federelemente 8, 9;
- – einer Abregelung der Pumpe 4;
- – einem sinkenden Druck im Gesamtsystem;
- – einer Arbeitspunkteinstellung an der Pumpe 4, an dem sich die Kräfte aus den beiden Federelementen 8, 9 und des Drucks p1 gegenseitig aufheben;
- – einer Auslegung auf ein niedriges Druckniveau.
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6 zeigt nochmals den gleichen Zusammenhang wie die 4 und 5, jedoch für eine dritte Situation, bei der die Pumpenförderung bei sinkender Viskosität des Schmiermittels (Fluids), d. h. der Fluiddurchsatz im zu versorgenden System (Brennkraftmaschine 2) steigt.
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Für diese dritte Situation treten Änderungen im System (Brennkraftmaschine 2) auf, die einen höheren Schmiermitteldurchsatz verursachen wie z. B.
- – die Temperatur des Fluids steigt oder
- – der Druckverlust im zu versorgenden System (Brennkraftmaschine 2) wird geringer oder
- – eine Leckage im System (Brennkraftmaschine 2) wird größer (z. B. Verschleiß), etc.
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Dies bedeutet:
- – der Volumenstrom des Fluides (Schmiermittels) wird größer;
- – die Druckänderung an der Querschnittsveränderung 6 wird größer;
- – die Druckdifferenz zwischen p2 und p3 wird größer;
- – die resultierende Kraft der zwei Federelemente 8, 9 wirkt entgegen der Kraftrichtung des ersten Steuerdruckes p1;
- – das Stellglied 12 verändert die Position;
- – der erste Steuerdruck p1 nimmt zu;
- – die Kraft aus dem ersten Steuerdruck p1 nimmt zu und wirkt der Kraftdifferenz aus p3 und p2 entgegen;
- – es wird ein Arbeitspunkt an der Pumpe 4 eingestellt, an dem sich die Kräfte aus beiden Federelementen 8, 9, dem ersten Steuerdruck p1, dem zweiten Steuerdruck p2 und dritten Steuerdruck p3 gegenseitig aufheben;
- – der Druck im zu versorgenden System (Brennkraftmaschine 2) steigt.
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Im exemplarischen Anwendungsfall „Schmiermittelversorgung für eine Brennkraftmaschine” haben folgende Parameter Einfluss auf den Versorgungsdruck:
- – Wenn die Schmiermitteltemperatur steigt, steigt der Schmiermitteldruck;
- – bei steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine steigt der Schmiermitteldruck (wegen dem steigenden Schmiermitteldurchsatz);
- – bei steigender Motorlast steigt der Schmiermitteldruck;
- – geringe Leckage in der Brennkraftmaschine (Grenzmuster mit Minimalspiel, Brennkraftmaschine 2 ohne Verschleiß) führt zu sinkendem Schmiermitteldruck;
- – Verschleiß in der Brennkraftmaschine 2 führt zu steigendem Schmiermitteldruck.
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Anhand der Auslegungsdaten der Pumpe 4 (Federelementpositionen, Federelementvorspannung, Federelementhärte, Position der Steuerflächen A1, A2, A3, größere bzw. kleinere Steuerflächen A1, A2, A3,) sind die Zieldrücke beliebig wählbar.
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Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Umlaufschmierung 1, insbesondere für eine Brennkraftmaschine 2, werden im Wesentlichen folgende Vorteile erzielt:
- – Darstellung einer bedarfsgerechten Schmiermitteldruckregelung mit ähnlicher verbrauchsreduzierender Wirkung wie bei einer kennfeldgeregelten Schmiermittelpumpe;
- – Entfall der Kosten für eine elektronische Schmiermitteldruckregelung;
- – Reduzierung des Verschleißes in der Brennkraftmaschine 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umlaufschmierung
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Schmiermittelversorgungsstelle
- 4
- Pumpe
- 5
- Schmiermittelaustrittsöffnung
- 6
- Querschnittsveränderung
- 7
- Steuerelement
- 8
- erstes Federelement
- 9
- zweites Federelement
- 10
- Gehäuse
- 11
- Schmiermittelwanne
- 12
- Stellglied
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006049620 A1 [0002]
- DE 10124564 A1 [0023]