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Die Erfindung betrifft ein Ölfördersystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuggetriebes, und ein Verfahren zum Betreiben desselben.
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Aus der Praxis ist es bekannt, zur Versorgung von Baugruppen eines Kraftfahrzeuggetriebes eines Kraftfahrzeugs mit Öl ein Ölfördersystem zu nutzen, wobei das Ölfördersystem mindestens eine Ölpumpe umfasst. So sind Ölpumpen bekannt, die ausgehend von einer rotierenden Welle des Kraftfahrzeuggetriebes mit Antriebsleistung versorgbar sind, um die Ölpumpe anzutreiben.
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Aufgrund der geforderten Drücke und Volumenströme werden für Kraftfahrzeuggetriebe, insbesondere Automatikgetriebe, hydrostatische Pumpen verwendet, welche auch als Verdrängerpumpen bezeichnet werden. Hierbei sind Arbeitsräume in einer mittels eines Drehmoments angetriebenen Fördereinrichtung der Pumpe ausgebildet, welche sich über eine Umdrehung vergrößern und verkleinern. Bei der Vergrößerung der Arbeitsräume entsteht in diesen ein Unterdruck, welcher eine Saugwirkung bewirkt, so dass die Arbeitsräume mit einem flüssigen Betriebsmedium, üblicherweise Öl, gefüllt werden. Bei der nachfolgenden Verkleinerung der Arbeitsräume wird das Öl aus diesen verdrängt und damit zu einer Druckseite der Pumpe gefördert. Das Volumen, welches bei einer Umdrehung einer Pumpe verdrängt und damit gefördert werden kann, wird als Verdrängungsvolumen bezeichnet. Man unterscheidet bei den Verdrängerpumpen zwischen so genannten Konstantpumpen und Verstellpumpen.
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Bei den so genannten Konstantpumpen ist das Verdrängungsvolumen pro Umdrehung nicht veränderlich. Der von einer solchen Pumpe erzeugbare Volumenstrom ist damit proportional von der Drehzahl der Pumpe abhängig. Eine verbreitete Bauform der Konstantpumpe ist Innenzahnradpumpe mit Sichel oder die Außenzahnradpumpe. Die Fördereinrichtung umfasst im Beispiel der Innenzahnradpumpe die beiden Zahnräder sowie ein sichelförmiges Füllstück.
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Bei Verstellpumpen kann das Verdrängungsvolumen pro Umdrehung verändert werden, so dass der von einer Verstellpumpe erzeugbare Volumenstrom sowohl von der Drehzahl der Pumpe bzw. deren Fördereinrichtung als auch von dem Umfang der Verstellung abhängt. Diese beiden Parameter können sich gegenseitig beeinflussen, so dass der Volumenstrom über der Drehzahl konstant bleiben kann, wenn gleichzeitig über der Drehzahl das Verdrängungsvolumen reduziert wird. Damit ist der Verlauf des Volumenstroms über der Drehzahl vorteilhafterweise innerhalb konstruktiver Grenzen beliebig veränderbar. Ein Ausführungsbeispiel einer Verstellpumpe ist die Flügelzellenpumpe. Die Fördereinrichtung der Flügelzellenpumpe umfasst einen Rotor, Flügel, einen Hubring und eine Verstellmechanik bzw. -hydraulik zur Verstellung des Hubrings relativ zum Rotor.
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Um dann, wenn von einer Welle eines Kraftfahrzeuggetriebes keine ausreichende Antriebsleistung bzw. Drehzahl für eine Ölpumpe bereitgestellt werden kann, dennoch eine ausreichende Ölversorgung des Kraftfahrzeuggetriebes zu gewährleisten, ist es bekannt, dass ein Ölfördersystem eine elektrische Ölpumpe aufweist, die ausgehend von einem Elektromotor angetrieben wird. Bei solchen elektrisch angetriebenen Ölpumpen handelt es sich nach der Praxis um Ölpumpen mit konstanter Förderleistung, also um Konstantpumpen. Ein Ölfördersystem mit einer elektrisch angetriebenen Konstantpumpe verfügt über einen eingeschränkten Betriebsbereich.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Ölfördersystem eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ölfördersystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die elektromotorisch antreibbare Ölpumpe als Verstellpumpe ausgebildet, über die bei konstanter Drehzahl des Elektromotors durch Einstellung eines Ölhubvolumens einer Fördereinrichtung der Ölpumpe ein variables Ölfördervolumen bereitstellbar ist.
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Die Erfindung schlägt erstmals ein Ölfördersystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuggetriebes vor, welches eine elektromotorisch antreibbare Verstellpumpe umfasst. Mit der Verstellpumpe kann bei konstanter Drehzahl des Elektromotors durch Einstellung eines Ölhubvolumens der Fördereinrichtung der Verstellpumpe ein variables Ölfördervolumen bereitgestellt werden. Hierdurch ist es letztendlich möglich, den Betriebsbereich des Ölfördersystems zu vergrößern. Die elektrische Maschine, die dem Antreiben der Verstellpumpe des Ölfördersystems dient, kann wirkungsgradoptimal in einem definierten Drehzahlbereich betrieben werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Ölhubvolumen der Fördereinrichtung der Ölpumpe zumindest abhängig von einem gewünschten Ölfördervolumen und vorzugsweise weiterhin abhängig von einem gewünschten Ölförderdruck derart einstellbar, dass unter Bereitstellung des gewünschten Ölfördervolumens und gegebenenfalls des unter Bereitstellung des gewünschten Ölförderdrucks der Elektromotor mit einer Drehzahl innerhalb eines wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereichs betreibbar ist. Das Ölhubvolumen der Fördereinrichtung der Ölpumpe ist dabei durch Einstellung der Fördereinrichtung maximal bis auf ein maximales Ölhubvolumen verstellbar. Die Drehzahl der elektrischen Maschine ist hierbei innerhalb des wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereichs ausschließlich unter Einhaltung einer von der elektrischen Maschine maximal bereitstellbaren Leistung bestimmbar bzw. festlegbar. Hiermit ist ein besonders vorteilhafter Einsatz der Ölförderpumpe möglich, nämlich unter Einhaltung von definierten Randbedingungen wirkungsgradoptimal.
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Das Verfahren zum Betreiben des Ölfördersystems ist in Anspruch 6 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines Ölfördersystems eines Kraftfahrzeugs;
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2 ein Kennfeld eines Elektromotors über dem Drehmoment desselben;
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3 ein Kennfeld eines Elektromotors über der Drehzahl desselben;
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4 Diagramme zur Verdeutlichung einer ersten Betriebsart des Ölfördersystems;
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5 Diagramme zur Verdeutlichung einer zweiten Betriebsart des Ölfördersystems;
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6 Diagramme zur Verdeutlichung einer dritten Betriebsart des Ölfördersystems;
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7 Diagramme zur Verdeutlichung einer vierten Betriebsart des Ölfördersystems;
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8 Diagramme zur Verdeutlichung einer fünften Betriebsart des Ölfördersystems;
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9 Diagramme zur Verdeutlichung einer sechsten Betriebsart des Ölfördersystems; und
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10 Diagramme zur Verdeutlichung einer siebten Betriebsart des Ölfördersystems.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ölfördersystems 1 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeuggetriebes, um Baugruppen des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Kraftfahrzeuggetriebes, zur Kühlung und/oder Schmierung mit Öl zu versorgen.
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Das Ölversorgungssystem 1 verfügt über eine Ölpumpe 2. Die Ölpumpe 2, nämlich eine Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2, ist von einem Elektromotor 4 des Ölfördersystems 1 elektrisch angetrieben.
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Die Ölpumpe 2 ist erfindungsgemäß als Verstellpumpe ausgebildet. Die Verstellpumpe kann bei konstanter Drehzahl des Elektromotors 4 durch Einstellung eines Ölhubvolumens der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 ein variables Ölfördervolumen bereitstellen.
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2 und 3 zeigen Kennfelder der elektrischen Maschine 4 des Ölfördersystems 1, die dem elektrischen Antreiben der Ölpumpe 2 dient, nämlich dem Antreiben der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2.
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So sind in 2 über dem Moment M des Elektromotors 4 Kurvenverläufe 5, 6, 7 und 8 gezeigt, wobei der Kurvenverlauf 5 die Drehzahl des Elektromotors 4 visualisiert, wobei der Kurvenverlauf 6 eine Stromaufnahme des Elektromotors 4 visualisiert, wobei der Kurvenverlauf 7 die elektrische Leistung des Elektromotors 4 visualisiert und wobei der Kurvenverlauf 8 den elektrischen Wirkungsgrad des Elektromotors 4 zeigt.
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In 3 sind über der Drehzahl n des Elektromotors 4 Kurvenverläufe 9, 10, 11 und 12 gezeigt, wobei der Kurvenverlauf 9 das von dem Elektromotor 4 bereitgestellte Moment visualisiert, wobei der Kurvenverlauf 10 den von der elektrischen Maschine 4 aufgenommenen elektrischen Strom darstellt, wobei der Kurvenverlauf 11 die elektrische Leistung des Elektromotors 4 und der Kurvenverlauf 12 den elektrischen Wirkungsgrad des Elektromotors 4 zeigen.
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Die hydraulische Ölförderleistung der Ölpumpe 2 ist dabei zur Drehzahl n des Elektromotors 4. Ein hydraulischer Öldruck, der von der Ölpumpe 2 bereitgestellt werden kann, ist proportional zum Moment M des Elektromotors 4.
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2 und 3 kann demnach entnommen werden, dass bei relativ hohem Ölförderdruck mit relativ geringer Ölförderleistung ein relativ schlechter elektrischer Wirkungsgrad des Elektromotors 4 einhergeht, wobei bei relativ geringem Ölförderdruck mit relativ hoher Ölförderleistung der Elektromotor 4 bei relativ gutem elektrischen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Nach 3 ist ein Drehzahlbereich ∆n gezeigt, in welchem der Elektromotor 4 wirkungsgradoptimal betrieben werden kann.
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In diesem Zusammenhang sei ausgeführt, dass die vom Elektromotor 4 bereitgestellte elektrische Leistung P nach folgenden Abhängigkeiten beschrieben werden kann: P = U·I P = M·n P = p·Q·k·ε wobei U die elektrische Versorgungsspannung und I der elektrische Versorgungsstrom für den Elektromotor 4 sind, wobei M das Moment und n die Drehzahl des Elektromotors 4 sind, wobei p der Ölförderdruck und Q das Ölfördervolumen der vom Elektromotor 4 angetriebenen Ölpumpe 2 sind, wobei k eine Proportionalitätskonstante ist, und wobei ε der Gesamtwirkungsgrad des Ölfördersystems 1 ist, der vom elektrischen Wirkungsgrad des Elektromotors 4, vom mechanischen Wirkungsgrad des Elektromotors 4, vom mechanischen Wirkungsgrad der Ölpumpe 2 und vom hydraulischen Wirkungsgrad der Ölpumpe 2 abhängig ist.
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Erfindungsgemäß umfasst das Ölfördersystem 1 die elektrisch vom Elektromotor 4 aus angetriebene, als Verstellpumpe ausgebildete Ölpumpe 2. Diese als Verstellpumpe ausgebildete Ölpumpe 2 ist derart betreibbar, dass das Ölhubvolumen der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 abhängig von einem gewünschten Ölfördervolumen und/oder abhängig von einem gewünschten Ölförderdruck, vorzugsweise zumindest abhängig von dem gewünschten Ölfördervolumen und ggf. zusätzlich abhängig vom gewünschten Ölförderdruck, einstellbar ist, und zwar derart, dass unter Bereitstellung des gewünschten Ölfördervolumens und/oder unter Bereitstellung des gewünschten Ölförderdrucks der Elektromotors 4 mit einer Drehzahl innerhalb des wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereichs ∆n mit einer entsprechenden, wirkungsgradoptimalen Drehzahl n betreibbar ist.
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Hierbei ist das Ölhubvolumen der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 durch Einstellung der Fördereinrichtung 3 bis auf ein maximal zulässiges Ölhubvolumen derselben verstellbar. Die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 ist innerhalb des wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereichs ausschließlich unter Einhaltung einer von der elektrischen Maschine 4 maximal bereitstellbaren Leistung wählbar.
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Diesbezügliche Details werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Diagramme der 4 bis 10 beschrieben, wobei in 4 bis 10 jeweils über der Drehzahl n mehrere zeitliche Kurvenverläufe 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 und 16 gezeigt sind. Bei den Kurvenverläufen 9, 10, 11 und 12 handelt es sich um die bereits unter Bezugnahme auf 3 genannten Kurvenverläufe, nämlich beim Kurvenverlauf 9 um den Momentverlauf des Elektromotors 4, beim Kurvenverlauf 10 um die elektrische Stromaufnahme des Elektromotors 4, beim Kurvenverlauf 11 um die elektrische Leistung des Elektromotors 4 und beim Kurvenverlauf 12 um den elektrischen Wirkungsgrad des Elektromotors 4. Hierbei visualisiert die gestrichelte Linie MAX11 die maximale elektrische Leistung der elektrischen Maschine 4.
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Der Kurvenverlauf 13 visualisiert einen angeforderten bzw. gewünschten Ölförderdruck des Ölfördersystems 1, wohingegen der Kurvenverlauf 14 ein gewünschtes bzw. angefordertes Ölfördervolumen des Ölfördersystems 1 zeigt.
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Der Kurvenverlauf 15 zeigt das Ölhubvolumen der Fördereinrichtung 3, wobei MAX15 das maximal zulässige Ölhubvolumen der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 zeigt. Der Kurvenverlauf 16 verdeutlicht ein Pumpmoment der Ölpumpe 2, welches vom Ölhubvolumen der Ölpumpe 2 abhängig ist.
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4 betrifft eine Betriebsart des Ölfördersystems 1 für den Fall einer mittleren Ölförderdruckanforderung und einer mittleren Ölfördervolumenanforderung. Das angeforderte Ölfördervolumen ist durch den Kurvenverlauf 14 und der angeforderte Ölförderdruck durch den Kurvenverlauf 13 gezeigt. Der Drehzahlbereich ∆n definiert denjenigen Drehzahlbereich, in welchem der Elektromotor 4 wirkungsgradoptimal betrieben werden kann. Abhängig vom angeforderten Ölfördervolumen sowie abhängig vom angeforderten Ölförderdruck wird das Ölhubvolumen 15 der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 eingestellt, wobei in 4 der Elektromotor 4 im gesamten wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereich ∆n abhängig vom jeweiligen Ölhubvolumen 15 wirkungsgradoptimal betrieben werden kann. So verletzt die Leistung des Elektromotors gemäß dem Kurvenverlauf 11 nicht das entsprechende Maximum MAX11, das Ölhubvolumen 15 verletzt nicht die entsprechende Grenze MAX15.
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5 visualisiert die oben bereits beschriebenen Kurvenverläufe 9 bis 16 für den Fall, in dem ein mittlerer Ölförderdruck 13 und ein geringes Ölfördervolumen 14 angefordert werden. Daher kann abhängig vom angeforderten Ölfördervolumen 14 das Ölhubvolumen 15 der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 abgesenkt werden, wobei der Elektromotor 4 wiederum im gesamten wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereich ∆n wirkungsgradoptimal betrieben werden kann, nämlich unter Berücksichtigung der entsprechenden maximalen Leistung MAX11.
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Gemäß 4 und 5 kann demnach das Ölfördersystems 1 bei mittlerer Ölförderdruckanforderung und mittlerer oder geringer Ölfördervolumenanforderung so betrieben werden, dass der Elektromotor 4 in seinem wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereich ∆n betrieben wird. Beim Wechsel von einem angeforderten mittleren Ölfördervolumen auf ein angefordertes geringes Ölfördervolumen wird das Ölhubvolumen 15 der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 reduziert, wodurch auch das Pumpenaufnahmemoment 16 der Ölpumpe 2 sinkt. Bei gleichbleibender Drehzahl n des Elektromotors 4 sinkt dadurch auch das vom Elektromotor 4 bereitzustellende Drehmoment. Somit sinkt auch die elektrische Leistung 11 des Elektromotors 4.
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6 zeigt eine Betriebsart des Ölfördersystems 1 bei mittlerer Öldruckanforderung und hohem Ölfördervolumenbedarf. Dabei visualisiert 6, dass der Elektromotor 4 innerhalb des wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereichs ∆n nicht bei jeder Drehzahl unter Einhaltung der maximalen Leistung MAX11 des Elektromotors 4 betrieben werden kann. Ebenso wird das maximale Ölhubvolumen MAX15 für die Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 bei gewissen Drehzahlen verletzt. So liegt bei geringeren Drehzahlen des Elektromotors 4 innerhalb des Drehzahlbereichs ∆n die Leistung 11 des Elektromotors 4 oberhalb der entsprechenden Grenze MAX11. Ferner liegt dann auch das Ölhubvolumen 15 der Fördereinrichtung 3 oberhalb der entsprechenden Grenze MAX15. Hierdurch reduziert sich dann derjenige Drehzahlbereich, innerhalb dessen der Elektromotor 4 wirkungsgradoptimal betrieben werden kann, auf den in 6 visualisierten Teilbereich ∆n1.
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6 visualisiert, dass in einer Betriebssituation mit mittlerer Öldruckanforderung und hoher Ölfördervolumenanforderung das Ölfördersystem so ausgelegt sein sollte, dass das angeforderte Ölfördervolumen mit einer auf 100% Förderleistung stehenden bzw. eingestellten Ölpumpe 2 bereitgestellt werden kann. Hierdurch ergibt sich dann auch ein hoher Leistungsbedarf des Elektromotors 4.
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7 visualisiert eine Betriebsart, in welcher eine geringe Öldruckanforderung 13 bei mittlerer Ölfördervolumenanforderung 14 vorliegt. Über den gesamten Drehzahlbereich ∆n kann der Elektromotor 4 mit wirkungsgradoptimaler Drehzahl betrieben werden, nämlich derart, dass weder das Ölhubvolumen 15 der Ölpumpe 2 noch die Leistung des Elektromotors 4 die entsprechenden Grenzwerte MAX11 bzw. MAX15 verletzen. Im Betrieb mit relativ niedriger Öldruckanforderung und mittlerer Ölfördervolumenanforderung reduziert sich grundsätzlich das Pumpenaufnahmemoment 16 der Ölpumpe 2, auch die elektrische Leistung 11 des Elektromotors 4 ist relativ gering.
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8 verdeutlicht einen Betrieb des Ölfördersystems 1 bei relativ hoher Öldruckanforderung 13 und mittlerer Ölfördervolumenanforderung 14, wobei hierbei wiederum über den gesamten Drehzahlbereich ∆n unter Einhaltung der Grenzwerte MAX11 und MAX15 für die Leistung des Elektromotors 4 und das Ölhubvolumen der Ölpumpe 2 der Elektromotor 4 wirkungsgradoptimal betrieben werden kann. Beim Betrieb des Ölfördersystems 1 mit hoher Öldruckanforderung und mittlerer Ölfördervolumenanforderung steigt das Pumpenaufnahmemoment 16, somit steigt auch die elektrische Leistung 11. 9 verdeutlicht eine Betriebsart des Ölfördersystems 1 bei hoher Öldruckanforderung 13 und geringer Ölfördervolumenanforderung 14. Gegenüber 8 wird ein geringeres Ölhubvolumen 15 an der Fördereinrichtung 3 der Ölpumpe 2 eingestellt, das Pumpenaufnahmemoment 16 sinkt, ebenso wie die vom Elektromotor 4 benötigte elektrische Leistung.
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10 verdeutlicht eine Betriebsart des Ölfördersystems 1 bei hoher Öldruckanforderung und hoher Ölfördervolumenanforderung. 10 zeigt, dass in diesem Fall der Elektromotor 4 innerhalb des wirkungsgradoptimalen Drehzahlbereichs ∆n überhaupt nicht unter Einhaltung des Grenzwerts MAX11 für die Leistung des Elektromotors 4 betrieben werden kann.
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In diesem Fall muss dann zur Bereitstellung des angeforderten Ölförderdrucks 14 und des angeforderten Ölfördervolumens 13 der Elektromotor 4 mit einer Drehzahl betrieben werden, die außerhalb des wirkungsgradoptimalen Bereichs ∆n liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölfördersystem
- 2
- Ölpumpe / Verstellpumpe
- 3
- Fördereinrichtung
- 4
- Elektromotor
- 5
- Kurvenverlauf
- 6
- Kurvenverlauf
- 7
- Kurvenverlauf
- 8
- Kurvenverlauf
- 9
- Kurvenverlauf
- 10
- Kurvenverlauf
- 11
- Kurvenverlauf
- 12
- Kurvenverlauf
- 13
- Kurvenverlauf
- 14
- Kurvenverlauf
- 15
- Kurvenverlauf
- 16
- Kurvenverlauf
