DE102016226117A1

DE102016226117A1 - Flügelzellenpumpe, Fluidsystem und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016226117A1
Application number: DE102016226117.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gitt-Gehrke; Christian Schneck; Jürgen Olfe
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Eine einflutige Flügelzellenpumpe (12) umfasst zumindest einen Stator (16) und einen innerhalb eines einzelnen von dem Stator (16) mittels einer Innenseite begrenzten Förderraums (30) drehbar gelagerten Rotor (18), wobei der Rotor (18) einen Grundkörper (22) und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers (22) verteilt angeordneten Flügeln (24) aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse (26) des Rotors (18) verlagerbar in dem Grundkörper (22) gehalten sind, wobei die Flügel (24) den von dem Stator (16) und dem Grundkörper (22) begrenzten Förderraum (30) in mehrere Druckkammern unterteilen und wobei innerhalb des Förderraums (30) eine Einlassmündung (62) eines Einlasskanals und eine Auslassmündung (64) eines Auslasskanals angeordnet ist. Eine solche Flügelzellenpumpe (12) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenseite des Stators (16) nicht-zylindrisch ist. Die Form der Innenseite des Stators (16) kann dabei insbesondere derart ausgebildet sein, dass ein maximales Volumen einer der Druckkammern vorliegt, wenn die von der Druckkammer überdeckte Öffnungsfläche der Einlassmündung (62) maximal ist. Eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe (12) kann sich durch einen relativ guten Wirkungsgrad und eine relativ niedrige Druckpulsation des geförderten Fluids auszeichnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine einflutige Flügelzellenpumpe mit einem Stator und einem innerhalb eines einzelnen von dem Stator mittels einer Innenseite begrenzten Förderraums drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor einen Grundkörper und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers verteilt angeordneten Flügeln aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse des Rotors verlagerbar in dem Grundkörper gehalten sind, wobei die Flügel einen von dem Stator und dem Grundkörper begrenzten Förderraum in mehrere Druckkammern unterteilen und wobei innerhalb des Förderraums eine Einlassmündung eines Einlasskanals und eine Auslassmündung eines Auslasskanals angeordnet ist. Die Flügelzellenpumpe kann insbesondere als Schmiermittelpumpe einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fluidsystem, insbesondere ein Schmiermittelsystem, mit einer solchen Flügelzellenpumpe sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Fluidsystem.
Eine Schmiermittelpumpe in Form einer einflutigen Flügelzellenpumpe ist beispielsweise aus der DE 10 2005 034 712 A1 bekannt. Bei dieser ist in für Flügelzellenpumpen üblicher Weise ein mehrere Flügel aufweisender Rotor exzentrisch innerhalb eines Stators gelagert, wobei zwischen diesen ein sichelförmiger Förderraum ausgebildet ist, der mittels der Flügel des Rotors in mehrere Druckkammern unterteilt wird, wobei sich die Größen dieser Druckkammern innerhalb einer Umdrehung des Rotors zunächst vergrößern, wodurch ein Unterdruck erzeugt wird, der zu einem Ansaugen von Schmiermittel über einen entsprechend positionierten Einlasskanal führt, und sich anschließend wieder verkleinern, wodurch ein Überdruck erzeugt wird, der zu dem gewünschten Fördern des Schmiermittels zu der zu schmierenden Komponente führt. Der Stator selbst ist verlagerbar innerhalb eines Gehäuses der Flügelzellenpumpe angeordnet, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, das Ausmaß der Größenänderung, die die Druckkammern erfahren, und damit die Förderleistung der Schmiermittelpumpe beeinflusst werden.
Eine Flügelzellenpumpe ist weiterhin aus der DE 10 2007 039 172 A1 bekannt. Eine Besonderheit dieser Flügelzellenpumpe liegt in einer sich entlang der Rotationsachse des Rotors verjüngenden Form eines Flügels radial verschiebbar aufnehmenden Grundkörpers des Rotors, wodurch die Effizienz der Flügelzellenpumpe verbessert werden soll.
Die WO 2013/068531 A2 beschreibt einen regelbaren Flügelzellenverdichter, bei dem die gekrümmt ausgebildeten Flügel nicht radial verschiebbar in Aufnahmeschlitzen des Grundkörpers des Rotors angeordnet sind, sondern in einer bezüglich der jeweils radialen Ausrichtung geneigten Ausrichtung drehbar an dem Grundkörper angeordnet sind, wobei eine Regelung der Verdichtungsleistung in bekannter Weise durch eine Veränderung der Volumina der durch die Flügel begrenzten Druckkammern erfolgt, die mit einer Veränderung der Winkelausrichtung der Flügel einhergeht. Die WO 2013/068531 A2 beschreibt eine einflutige Ausgestaltung eines solchen Flügelzellenverdichters, bei dem die Innenseite des den Förderraum begrenzenden Stators zylindrisch ist, sowie eine zweiflutige Ausgestaltung, bei dem die den Förderraum begrenzende Innenseite des Stators im Querschnitt oval ausgebildet ist.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine einflutige Flügelzellenpumpe hinsichtlich des Betriebsverhaltens und insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrads und/oder der Druckpulsation im geförderten Fluid zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mittels einer Flügelzellenpumpe gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Fluidsystem mit einer solchen Flügelzellenpumpe und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Fluidsystem sind Gegenstände der Patentansprüche 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe und damit des erfindungsgemäßen Fluidsystems und der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine gattungsgemäße (einflutige) Flügelzellenpumpe umfasst einen Stator und einen innerhalb eines einzelnen von dem Stator mittels einer Innenseite begrenzten Förderraums drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor einen Grundkörper und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers verteilt angeordneten Flügeln aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse des Rotors verlagerbar in dem Grundkörper gehalten sind, wobei die Flügel einen von dem Stator und dem Grundkörper begrenzten Förderraum in mehrere Druckkammern unterteilen und wobei innerhalb des Förderraums eine Einlassmündung eines Einlasskanals und eine Auslassmündung eines Auslasskanals angeordnet sind. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Flügelzellenpumpe dadurch, dass die Form der Innenseite des Grundkörpers nicht-zylindrisch ist.
Als „Flügelzellenpumpe“ beziehungsweise „Pumpe“ wird erfindungsgemäß allgemein eine Fluidarbeitsmaschine verstanden, die zur Förderung von Fluiden, d.h. von Gasen und/oder Flüssigkeiten, vorgesehen ist, wobei eine Verwendung zur Förderung von Flüssigkeiten vorzugsweise vorgesehen ist.
Als „Förderraum“ wird erfindungsgemäß ein von der Außenseite des Rotors und der Innenseite des Stators begrenztes (Teil-)Volumen verstanden, in dem bezüglich jeder einzelnen der durch die Flügel des Rotors voneinander separierten Druckkammern über einer vollständigen Umdrehung des Rotors einmalig sowohl ein Ansaugen als auch ein Ausstoßen von zu förderndem Fluid erfolgt. Eine erfindungsgemäße, einflutige Flügelzellenpumpe umfasst somit lediglich einen einzelnen Förderraum, der von der gesamten Außenseite des Rotors insgesamt und der gesamten Innenseite des Stators begrenzt wird, wobei über einer vollständigen Umdrehung des Rotors bezüglich jeder einzelnen der Druckkammern nur einmalig ein Ansaugen sowie ein Ausstoßen von Fluid erfolgt. Bei einem doppelflutigen Flügelzellenverdichter, wie er beispielsweise in der WO 2013/068531 A2 offenbart ist, begrenzen die Innenseite des Stators und die Außenseite des Rotors dagegen zwei Förderraume, in denen jeweils über einer vollständigen Umdrehung des Rotors bezüglich jeder einzelnen der Druckkammern ein Ansaugen sowie ein Ausstoßen von Fluid erfolgt.
Unter der Angabe, wonach die Flügel „in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse des Rotors verlagerbar in dem Grundkörper gehalten“ sind, ist zu verstehen, dass sich zumindest die die Innenseite des Stators kontaktierenden Enden der Flügel hinsichtlich des radialen Abstands von der Rotationsachse verlagern können. Hierzu kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Flügel verschiebbar in Aufnahmen des Grundkörpers angeordnet sind, wobei nicht erforderlich (aber bevorzugt vorgesehen) ist, dass die Flügel und/oder die diese verschiebbar aufnehmenden Aufnahmen des Rotors eine exakt radiale Ausrichtung bezüglich der Rotationsachse des Rotors aufweisen müssen. Vielmehr ist hierfür eine Ausrichtung ausreichend, die zumindest eine solche exakt radiale Richtungskomponente umfasst. In einer mögliche Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe kann auch eine schwenkbare Halterung der Flügel an dem Grundkörper, wie es von der Flügelzellenpumpe gemäß der WO 2013/068531 A2 bekannt ist, vorgesehen sein.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene nicht-zylindrische Ausgestaltung der Innenseite des Stators wird eine möglichst optimale Auslegung der sich zyklisch ändernden Volumina der Druckzellen, insbesondere in Relation zu der Anordnung der Einlassmündung und der Auslassmündung ermöglicht, wodurch in vorteilhafter Weise das Betriebs- und insbesondere der Wirkungsgrad sowie die sich aus dem Verdrängerprinzip ergebende Druckpulsation im geförderten Fluid beeinflusst werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe kann vorgesehen sein, dass die Flügel mittels mindestens eines Beaufschlagungselements des Rotors gegen die Innenseite des Stators beaufschlagt sind, wobei dieses vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass durch dieses die Flügel unter elastischer Vorspannung gegen die Innenseite des Rotors beaufschlagt sind. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Flügel ausschließlich aufgrund von auf diese infolge einer Drehung des Rotors wirkenden Fliehkräften gegen die Innenseite des Stators beaufschlagt sind.
Eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe kann vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass deren Förderleistung auch unabhängig von der Drehzahl des Rotors einstellbar ist. Hierzu kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Rotor und der Stator relativ zueinander verlagerbar sind. Durch eine Relativverlagerung von Stator und Rotor wird die Größe und/oder die Form des Förderraums verändert. Hierzu kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der Rotor oder der Stator (direkt oder indirekt, d.h. unter Zwischenschaltung mindestens eines weiteren Elements) mit einem Gehäuse der Flügelzellenpumpe einen Druckraum veränderlicher Größe begrenzt. Der Druckraum kann dafür vorgesehen sein, dass in diesen ein Fluid eingeleitet wird, wobei sich in Abhängigkeit von der Höhe des Drucks des Fluids in dem Druckraum eine definierte Relativanordnung zwischen Stator und Rotor einstellt.
Zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe, die in konstruktiv einfacher und damit vorteilhafter Weise eine Steuerung oder Regelung der spezifischen Förderleistung in Abhängigkeit von einem Druck des Fluids, der in dem Druckraum vorliegt, ermöglicht, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Rotor und/oder der Stator derart an einem Federelement abgestützt ist, dass eine Vergrößerung des Druckraums zu einer zunehmenden Vorspannung des Federelements führt. Der Druck des Fluids in dem Druckraum arbeitet somit gegen ein Federelement, so dass durch eine relative Erhöhung des Drucks eine Verlagerung des Rotors und des Stators relativ zueinander mit der Wirkung einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Förderleistung realisiert werden kann, während eine relative Verringerung des Drucks infolge der dann temporär überwiegenden Rückstellkraft des Federelements zu einer solchen Verlagerung des Rotors und des Stators relativ zueinander führt, durch die die Förderleistung entgegengesetzt verändert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe kann vorgesehen sein, dass die Form der Innenseite des Stators derart ausgebildet ist, dass ein maximales Volumen einer (jeder) der Druckkammern erreicht ist, wenn die von der (jeweiligen) Druckkammer überdeckte Öffnungsfläche der Einlassmündung maximal ist. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich das Volumen der Druckkammer noch vergrößert, wenn die Größe der überdeckten Öffnungsfläche der Einlassmündung aufgrund einer andauernden Drehbewegung des Rotors bereits wieder abnimmt, wie dies bei gattungsgemäßen Flügelzellenpumpen mit zylindrischen Innenseiten der Statoren der Fall ist. Auf diese Weise können Drosselverluste, die sich infolge eines andauernden Ansaugens von Fluid über die Einlassmündung einstellen würden, so weit wie möglich vermieden werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Flügelzellenpumpe auswirken kann. Bei einer hinsichtlich der Förderleistung einstellbar ausgebildeten, erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Ausgestaltung der Innenseite des Stators derart ist, dass die beschriebene Wirkung erreicht wird, wenn eine Relativanordnung des Rotors und des Stators zueinander eingestellt ist, die einer maximalen Förderleistung entspricht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung einer solchen erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe kann dann noch vorgesehen sein, dass die Form der Innenseite des Stators derart ausgebildet ist, dass das maximale Volumen der Druckkammer konstant bleibt, bis die Druckkammer aus einer Überdeckung mit der Einlassmündung des Einlasskanals gelangt. Dadurch wird eine Verringerung des Volumens der Druckkammern vermieden, solange sich diese noch in einer (teilweisen) Überdeckung mit der Einlassmündung befinden, womit ein teilweises Ausstoßen von zuvor angesaugtem Fluid und dadurch bedingt eine Verringerung des Wirkungsgrads der Flügelzellenpumpe verbunden wäre. Bei einer hinsichtlich der Förderleistung einstellbar ausgebildeten, erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Ausgestaltung der Innenseite des Stators derart ist, dass die beschriebene Wirkung erreicht wird, wenn eine Relativanordnung des Rotors und des Stators zueinander eingestellt ist, die einer maximalen Förderleistung entspricht.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung einer solchen erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe kann dann noch vorgesehen sein, dass die Form der Innenseite des Stators derart ausgebildet ist, dass das maximale Volumen der Druckkammer konstant bleibt, bis die Druckkammer in eine (beginnende) Überdeckung mit der Auslassmündung des Auslasskanals gelangt. Folglich soll eine Verringerung des (maximalen) Volumens der Druckkammern so lange verhindert sein, bis infolge einer Überdeckung mit der Auslassmündung auch tatsächlich ein Ausstoßen von Fluid aus der jeweiligen Druckkammer vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung kann sich insbesondere vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst geringen Druckpulsation in dem geförderten Fluid auswirken. Bei einer hinsichtlich der Förderleistung einstellbar ausgebildeten, erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Ausgestaltung der Innenseite des Stators derart ist, dass die beschriebene Wirkung erreicht wird, wenn eine Relativanordnung des Rotors und des Stators zueinander eingestellt ist, die einer maximalen Förderleistung entspricht.
Ein erfindungsgemäßes Fluidsystem umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe und zumindest einen Fluidkreislauf, in dem ein Fluid mittels der Flügelzellenpumpe förderbar ist.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Fluidsystem und einen in den Fluidkreislauf des Fluidsystems integrierten Verbrennungsmotor.
Bei dem Fluidsystem kann es sich beispielsweise um ein Schmiermittelsystem handeln, indem zumindest zeitweise ein flüssiges Schmiermittel gefördert werden soll, so das für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Fluidverbindung zwischen dem Einlasskanal der Flügelzellenpumpe und einem Schmiermittelreservoir vorgesehen sein kann. Alternativ kann es sich bei dem Fluidsystem um beispielsweise ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine handeln, wobei das zu fördernde Fluid dann eine Kühlflüssigkeit sein kann.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
2: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe;
3: den Verlauf der Größe der von einer der Druckkammern überdeckten Öffnungsfläche einer Einlassmündung der Flügelzellenpumpe gemäß der 2 sowie den zeitlgleichen Verlauf des Volumens dieser Druckkammer; und
4: die Verläufe gemäß der 3 einer zu der Flügelzellenpumpe gemäß der 2 vergleichbaren Flügelzellenpumpe gemäß dem Stand der Technik.

Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 10 sowie ein erfindungsgemäßes Fluidsystem mit einem Fluidkreislauf. Bei dem Fluidkreislauf kann es sich beispielsweise um einen Schmiermittelkreislauf handeln, der unter anderem der Versorgung des Verbrennungsmotors 10 mit Schmiermittel dient.
In den Fluidkreislauf des Fluidsystems ist weiterhin eine erfindungsgemäße, einflutige Flügelzellenpumpe 12 integriert, durch die ein Fluid in dem Fluidkreislauf gefördert werden kann. Dazu saugt die Flügelzellenpumpe 12 das Fluid aus einem Fluidreservoir 58 an und drückt dieses unter erhöhtem hydraulischem Druck in den stromab der Flügelzellenpumpe 12 angeordneten Abschnitt des Fluidkreislaufs.
Die Flügelzellenpumpe 12 kann gemäß der 2 als hinsichtlich der spezifischen Förderleistung veränderbar ausgebildet sein. Dazu umfasst diese ein Gehäuse 14, innerhalb dessen ein in einem Abschnitt ringförmig ausgebildeter Stator 16 schwenkbar gelagert ist, wobei der Stator 16 ein Innenvolumen begrenzt, innerhalb dessen ein Rotor 18 angeordnet ist.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 wird der Rotor 18 der Flügelzellenpumpe 12 direkt oder unter Zwischenschaltung eines Getriebes von dem Verbrennungsmotor 10 selbst angetrieben. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit eines andersartigen Antriebs des Rotors 18, beispielsweise mittels eines separaten Antriebsmotors, der insbesondere elektromotorisch ausgebildet sein kann.
Der Rotor 18 umfasst neben einer Antriebswelle 20 einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 22, der drehfest mit der Antriebswelle 20 verbunden ist. Über dem Umfang des Grundkörpers 22 verteilt sind eine Mehrzahl (hier konkret sieben) von sich radial und parallel zur Rotationsachse 26 des Rotors 18 erstreckenden, schlitzförmigen Aufnahmen 38 vorgesehen, in denen jeweils ein Flügel 24 des Rotors 18 in (exakt) radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 26 verschiebbar angeordnet ist. Ein innerhalb des Grundkörpers 22 angeordnetes, ringförmiges Beaufschlagungselement 28, bestehend aus einem relativ hochelastischen Werkstoff, beispielsweise einem Elastomer, beaufschlagt die Flügel 24 des Rotors 18 in radialer Richtung nach außen, wodurch diese mit ihren bezüglich des Beaufschlagungselements 28 distalen Stirnseiten gegen die das Innenvolumen begrenzende Innenseite des Stators 16 beaufschlagt sind.
In allen möglichen (Schwenk-)Stellungen des Stators 16 innerhalb des Gehäuses 14 (gegebenenfalls mit Ausnahme einer Nullstellung, in der die Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 trotz eines rotierenden Antriebs des Rotors 16 im Wesentlichen Null beträgt) ist die Rotationsachse 26 des Rotors 18 dezentral bezüglich einer Mittelachse des von dem Stator 16 begrenzten Innenvolumens angeordnet. Dadurch ist zwischen der das Innenvolumen begrenzenden Innenseite des Stators 16 und der Außenseite des Grundkörpers 22 des Rotors 18 ein im Querschnitt in etwa sichelförmiger Förderraum 30 begrenzt, der mittels der Flügel 24 des Rotors 18 in Druckkammern unterteilt ist, deren Volumina sich im Betrieb der Flügelzellenpumpe zyklisch verändern.
In der 2 ist eine Betriebsstellung der Flügelzellenpumpe 12 dargestellt, in der die Exzentrizität des Rotors 18 bezüglich des Innenvolumens des Stators 16 maximal ist, so dass die Außenseite des Grundkörpers 22 des Rotors 18 an einem Umfangsabschnitt die Innenseite des Stators 16 nahezu oder sogar leicht kontaktiert. In der 2 ist dieser Umfangsabschnitt durch die Lage einer (gedachten) Trennebene 60 visualisiert, wobei die Trennebene 60 insgesamt die Unterteilung des durch die Innenseite des Stators 16 und die Außenseite des Rotors 18 begrenzten Förderraums 30 in einen Unterdruckabschnitt und einen Überdruckabschnitt aufzeigt.
Bei einem Rotationsantrieb des Rotors 18 im Uhrzeigersinn gemäß der 2 stellt der bezüglich der Trennebene 60 links dargestellte Abschnitt des Förderraums 30 den Unterdruckabschnitt dar, in dem sich die radiale Breite des Förderraums 30 in Drehrichtung des Rotors 18 kontinuierlich vergrößert, wodurch in denjenigen Druckkammern, die durch die sich in dem Unterdruckabschnitt befindlichen Flügel 24 begrenzt sind, bei einer Rotation des Rotors 18 ein Unterdruck erzeugt wird, der zu einem Ansaugen von Fluid über einen eine Einlassmündung 62 eines Einlasskanals, die in dem Unterdruckabschnitt des Förderraums 30 angeordnet ist, führt. Dagegen verkleinert sich die radiale Breite des in der 2 rechts dargestellten Überdruckabschnitts bezüglich der Drehrichtung des Rotors 18, wodurch der Druck des Fluids, das in den dortigen Druckkammern vorhanden ist, bei einer Rotation des Rotors 18 erhöht wird. Dies führt zu einem Ausstoßen dieses Fluids über eine Auslassmündung 64 eines Auslasskanals, der in dem Überdruckabschnitt des Förderraums 30 angeordnet ist.
Infolge der maximal möglichen Exzentrizität des Rotors 18 bezüglich des Stators 16 gemäß der 2 ist in dem entsprechenden Betriebszustand der Flügelzellenpumpe 12 auch die jeweilige Größenänderung in dem Unterdruckabschnitt und auch in dem Überdruckabschnitt des Förderraums 30 größtmöglich. Dies führt zu einer maximalen spezifischen Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12. In Richtung dieser Stellung wird der Stator 16, der mittels eines Schwenkgelenks 32 in dem Gehäuse 14 gelagert ist, mittels eines auf Druck vorgespannten Federelements 34 beaufschlagt.
Für eine Veränderung beziehungsweise Verkleinerung der spezifischen Förderleistung muss der Stator 16 unter zunehmender Vorspannung des Federelements 34 aus der in der 2 dargestellten Stellung verschwenkt werden. Dies erfolgt hydraulisch, indem einem Druckraum 36 Fluid mit einem Druck zugeführt wird, der unter Berücksichtigung der Fläche, über der der Druck wirksam ist, zu einer der Rückstellkraft des Federelements 34 entgegenwirkenden Kraft führt, die temporär größer als diese Rückstellkraft ist. Ein Verschwenken des Stators 16 erfolgt dann so weit, bis wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen der druckbedingten Kraft und der mit zunehmender Vorspannung des Federelements 34 ansteigenden Rückstellkraft erreicht ist.
Eine Steuerung oder Regelung der spezifischen Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 erfolgt demnach mittels eines veränderlichen hydraulischen Drucks in dem Druckraum 36, wobei dieser hydraulische Druck mittels einer entsprechenden Fluidverbindung in einem Abschnitt des Fluidkreislaufs abgegriffen wird, der stromauf oder innerhalb des Verbrennungsmotors 10, beispielsweise in einem Fluidkanal, der in einen Zylinderkopf oder ein Zylindergehäuse des Verbrennungsmotors 10 integriert ist, und stromab eines Fluidfilters 40 angeordnet ist (vgl. 1). Dabei wird eine Zufuhr von Fluid in den Druckraum 36 mittels eines Steuerventils 42 gesteuert, das in die entsprechende Fluidverbindung integriert ist.
Das Steuerventil 42 weist einen in einem Ventilgehäuse 44 verschiebbaren Ventilköper auf, der mit dem Ventilgehäuse 44 einen Steuerdruckraum 46 veränderlicher Größe begrenzt, wobei dieser Steuerdruckraum 46 über einen entsprechenden Abschnitt der Fluidverbindung mit dem entsprechenden Abschnitt des Fluidkreislaufs und damit indirekt mit dem Hochdruckabschnitt der Flügelzellenpumpe 12 verbunden ist. Der hydraulische Druck des Fluids in dem Steuerdruckraum 46 des Steuerventils 42 erzeugt eine Kraft auf den Ventilkörper, die einer Rückstellkraft eines vorgespannten Federelements 48 des Steuerventils 42 entgegenwirkt.
Übersteigt diese hydraulisch erzeugte Kraft infolge einer Förderung von Fluid durch die Flügelzellenpumpe 12 über dem Bedarf des Verbrennungsmotors 10 die Rückstellkraft des Federelements 48 so weit, dass das Steuerventil 42 umgeschaltet wird, wird der erste Druckraum 36 mit dem entsprechenden Abschnitt des Fluidkreislaufs verbunden. Der so erzeugte relativ hohe hydraulische Druck in dem Druckraum 36 führt dann zu einem Verschwenken des Stators 16 innerhalb des Gehäuses 14 der Flügelzellenpumpe 12 und folglich zu einer Verringerung der spezifischen Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 in Abhängigkeit von dem konkreten hydraulischen Druck in dem entsprechenden Abschnitt des Fluidkreislaufs. Mittels des Steuerventils 42 wird folglich eine Selbstregelung der spezifischen Förderleistung der Pumpe 12 in Abhängigkeit von dem hydraulischen Druck des von der Flügelzellenpumpe 12 geförderten Fluids realisiert.
Um eine möglichst exakte Anpassung der absoluten Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 an den Fluidbedarf des Verbrennungsmotors 10 (und gegebenenfalls an den Fluidbedarf anderer in den Fluidkreislauf integrierter Komponenten) zu erreichen, kann das Steuerventil 42 ergänzend auch mittels eines aktiv ansteuerbaren Aktors 50 umgeschaltet werden. Dabei kann ein Ansteuern des Aktors 50 insbesondere in Abhängigkeit von verschiedenen (gemessenen oder auf andere Weise ermittelten) Betriebsparametern der Brennkraftmaschine mittels einer nicht dargestellten Steuervorrichtung (insbesondere einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine) erfolgen.
Insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bei relativ niedrigen Umgebungstemperaturen und folglich bei einer relativ hohen Viskosität des Fluids (insbesondere bei einem Schmiermittel relevant) kann es dazu kommen, dass die Flügelzellenpumpe 12 infolge eines kurzfristig oder unmittelbar nach dem Kaltstart vorliegenden Antriebs des Verbrennungsmotors 10 mit relativ hohen Betriebsdrehzahlen und in Kombination mit der durch das Federelement 34 eingestellten Stellung des Stators 16, die zu einer maximalen spezifischen Förderleistung führt, eine relativ hohe absolute Förderleistung aufweist, die infolge der relativ schlechten Fließfähigkeit des Fluids (Schmiermittels) zu einem hohen hydraulischen Druck in dem Hochdruckabschnitt der Flügelzellenpumpe 12 und in dem sich direkt daran anschließenden Abschnitt des Fluidkreislaufs (insbesondere in dem sich bis zu dem Fluidfilter 40 erstreckenden Abschnitt) führt, während der hydraulische Druck in demjenigen Abschnitt des Fluidkreislaufs, in dem die das Steuerventil 42 integrierende Fluidverbindung abgeht, deutlich darunter liegt. Dies könnte zu einer vergleichsweise hohen Belastung der Flügelzellenpumpe 12 und der Fluidleitungen in dem sich an die Flügelzellenpumpe 12 unmittelbar anschließenden Abschnitt des Fluidkreislaufs sowie zu einem unnötig hohen Antriebswiderstand für den Verbrennungsmotor 10, der durch die Flügelzellenpumpe 12 erzeugt wird, führen. Da der hydraulische Druck in dem Abschnitt des Fluidkreislaufs, in dem die das Steuerventil 42 integrierende Fluidleitung abgeht, dann deutlich niedriger als in dem Hochdruckabschnitt der Flügelzellenpumpe 12 ist, kann über den hydraulischen Druck in dem Druckraum 36 keine geeignete Regelung der spezifischen Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 erreicht werden.
Um diesen Nachteil zu vermeiden ist ein Druckbegrenzungsventil 52 in direkter und möglichst kurzer Verbindung mit dem Hochdruckabschnitt des Förderraums 30 vorgesehen. Bei der Flügelzellenpumpe 12 gemäß der 2 ist das Druckbegrenzungsventil 52 in das Gehäuse 14 der Flügelzellenpumpe 12 selbst integriert. Das Druckbegrenzungsventil 52, das vorzugsweise in Form eines einfachen Rückschlagventils ausgebildet ist, öffnet beim Überschreiten eines Grenzwerts des hydraulischen Drucks in dem Hochdruckabschnitt des Förderraums 30 und leitet dadurch einen Teil des von der Flügelzellenpumpe 12 geförderten Fluids in das Fluidreservoir 58 zurück.
Der Fluidfilter 40 der Brennkraftmaschine gemäß der 1 ist mittels eines über ein Rückschlagventil 54 gesteuerten Bypasses 56 umgehbar ausgeführt, um insbesondere bei einer Verstopfung des Fluidfilters 40 eine ununterbrochene und ausreichende Versorgung des Verbrennungsmotors 10 mit dem Fluid zu gewährleisten.
Um einen möglichst großen Wirkungsgrad für die Flügelzellenpumpe sowie eine relativ geringe Druckpulsation in dem geförderten Fluid zu erreichen ist die Innenseite des Stators 16 erfindungsgemäß nicht-zylindrisch ausgebildet, wobei sich eine Abweichung der Form der Innenseite des Stators 16 von einer zylindrischen Grundform (vgl. die gestrichelt in der 2 angedeutete Form der Innenseite des Status 16) auf einen den Unterdruckabschnitt des Förderraums begrenzenden Abschnitt beschränkt. Vorgesehen ist eine im Vergleich zu der zylindrischen Grundform etwas größere radiale Tiefe in einem Anfangsbereich (bezogen auf die Drehrichtung des Rotors) des Unterdruckabschnitts, wobei diese derart bemessen ist, dass ein maximales Volumen für die Druckkammern spätestens und vorzugsweise in etwa genau dann erreicht wird, sobald die von der jeweiligen Druckkammer überdeckte Öffnungsfläche der Einlassmündung maximal ist, wie dies anhand der 3 verdeutlicht ist.
Die 3 zeigt über dem Verlauf einer Teildrehung des Rotors 18 die Änderung der Größe der von einer der Druckkammern überdeckten Öffnungsfläche der Einlassmündung 62 (Verlaufslinie 66) sowie die zeitgleiche Änderung des Volumens dieser Druckkammer (Verlaufslinie 68). Zu erkennen ist, dass kurz vor dem Erreichen eines Maximum der von der Druckkammer überdeckten Öffnungsfläche der Einlassmündung 62 bereits das maximale Volumen dieser Druckkammer erreicht worden ist. Dabei ist weiterhin vorgesehen, dass dieses maximale Volumen der Druckkammer im Wesentlichen konstant bleibt, solange die Druckkammer noch in einer (nach dem Erreichen des Maximums hinsichtlich der überdeckten Öffnungsfläche abnehmenden) Überdeckung mit der Einlassmündung angeordnet ist.
Bei einer zylindrischen Form der Innenseite des Stators 16, wie es in der 2 anhand des gestrichelten Verlaufs für eine ansonsten identische Flügelzellenpumpe dargestellt ist, würde sich dagegen das Volumen der betrachteten Druckkammer weiter vergrößern, nachdem das Maximum für die von der Druckkammer überdeckte Öffnungsfläche der Einlassmündung 62 erreicht worden ist (vgl. 4).
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Flügelzellenpumpe
14: Gehäuse
16: Stator
18: Rotor
20: Antriebswelle
22: Grundkörper des Rotors
24: Flügel
26: Rotationsachse des Rotors
28: Beaufschlagungselement des Rotors
30: Förderraum
32: Schwenkgelenk
34: Federelement der Pumpe
36: Druckraum
38: Aufnahme des Grundkörpers
40: Fluidfilter
42: Steuerventil
44: Ventilgehäuse
46: Steuerdruckraum
48: Federelement des Steuerventils
50: Aktor
52: Druckbegrenzungsventil
54: Rückschlagventil
56: Bypass
58: Fluidreservoir
60: Trennebene
62: Einlassmündung
64: Auslassmündung
66: Verlauf der Größe der von einer der Druckkammern überdeckten Öffnungsfläche der Einlassmündung
68: Verlauf der Größe des Volumens der Druckkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005034712 A1 [0002]
DE 102007039172 A1 [0003]
WO 2013/068531 A2 [0004, 0009, 0010]

Claims

Flügelzellenpumpe (12) mit einem Stator (16) und einem innerhalb eines einzelnen von dem Stator (16) mittels einer Innenseite begrenzten Förderraums (30) drehbar gelagerten Rotor (18), wobei der Rotor (18) einen Grundkörper (22) und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers (22) verteilt angeordneten Flügeln (24) aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse (26) des Rotors (18) verlagerbar in dem Grundkörper (22) gehalten sind, wobei die Flügel (24) den von dem Stator (16) und dem Grundkörper (22) begrenzten Förderraum (30) in mehrere Druckkammern unterteilen und wobei innerhalb des Förderraums (30) eine Einlassmündung (62) eines Einlasskanals und eine Auslassmündung (64) eines Auslasskanals angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenseite des Stators (16) nicht-zylindrisch ist.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenseite des Stators (16) derart ausgebildet ist, dass ein maximales Volumen einer der Druckkammern vorliegt, wenn die von der Druckkammer überdeckte Öffnungsfläche der Einlassmündung (62) maximal ist.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenseite des Stators (16) derart ausgebildet ist, dass das maximale Volumen der Druckkammer konstant bleibt, bis die Druckkammer aus einer Überdeckung mit der Einlassmündung (62) des Einlasskanals gelangt.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) und der Stator (16) relativ zueinander verlagerbar sind, um eine Einstellbarkeit der Förderleistung der Flügelzellenpumpe (12) zu realisieren, die unabhängig von einer Antriebsdrehzahl des Rotors (18) ist.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 2 und gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenseite des Stators (16) derart ausgebildet ist, dass bei derjenigen Relativanordnung des Rotors (18) und des Stators (16) zueinander, die einer maximalen Förderleistung entspricht, das maximale Volumen der Druckkammer erreicht ist, wenn die von der Druckkammer überdeckte Öffnungsfläche der Einlassmündung (62) maximal ist.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 3 und gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenseite des Stators derart ausgebildet ist, dass bei derjenigen Relativanordnung des Rotors (18) und des Stators (16) zueinander, die einer maximalen Förderleistung entspricht, das maximale Volumen der Druckkammer konstant bleibt, bis die Druckkammer aus einer Überdeckung mit der Einlassmündung (62) des Einlasskanals gelangt.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenseite des Stators (16) derart ausgebildet ist, dass das maximale Volumen der Druckkammer konstant bleibt, bis die Druckkammer in eine Überdeckung mit der Auslassmündung (64) des Auslasskanals gelangt.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 4 oder einem der von Anspruch 4 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) oder der Stator (16) mit einem Gehäuse (14) der Flügelzellenpumpe (12) einen Druckraum (36) veränderlicher Größe begrenzt.
Fluidsystem mit einer Flügelzellenpumpe (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Fluidkreislauf, in dem ein Fluid mittels der Flügelzellenpumpe (12) förderbar ist.
Brennkraftmaschine mit einem Fluidsystem gemäß Anspruch 9 und mit einem in den Fluidkreislauf integrierten Verbrennungsmotor (10).