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Die vorliegende Erfindung betrifft eine regelbare Schraubenspindelpumpe mit kompakten Abmessungen, die sich zur Schmierölversorgung von Verbrennungsmaschinen in Fahrzeugen, insbesondere in PKWs, eignet.
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In Fahrzeugen werden im Allgemeinen Flügelzellenpumpen und Zahnradpumpen als Ölpumpen eingesetzt, die von einer Antriebswelle der Verbrennungsmaschine angetrieben werden. Flügelzellenpumpen und Zahnradpumpen sind Verdrängerpumpen, die eine geringe axiale Abmessung aufweisen und auch als Varianten mit einer variablen Pumpengeometrie verfügbar sind. Eine variable Geometrie kann das Fördervolumen im Verhältnis zur Wellenumdrehung verändern, wodurch insbesondere in Bezug auf Anwendungen mit stark schwankenden Drehzahlen, wie im Betrieb der Verbrennungsmaschine in PKWs, eine Fördermenge bzw. ein Öldruck angepasst werden kann.
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Nach langjähriger Optimierung erreichen Flügelzellenpumpen in einem günstigen Betriebspunkt einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 70%. In weiten Bereichen des Drehzahl-Druck Kennfelds fällt der Gesamtwirkungsgrad stark ab, bei hohen Drehzahlen beispielsweise auf lediglich 35%. Ferner lässt die technische Reife dieser Pumpentypen wenig Spielraum für weitere Wirkungsgradverbesserungen erwarten.
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Demgegenüber arbeiten Schraubenspindelpumpen bei den für Schmierölanwendungen üblichen Drehzahlen, Drücken und Volumenströmen mit niederviskosen Schmierölen bei Gesamtwirkungsgraden von 70% bis 85%. Demnach könnten durch den Einsatz von Schraubenspindelpumpen weitere Einsparungspotenziale des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emission erlangt werden.
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Der Aufbau von Schraubenspindelpumpen weist keine filigranen Elemente oder Gleitpassungen auf, wodurch der Pumpentyp auch in langen Wartungsintervallen relativ unempfindlich gegenüber Verunreinigungen wie Ruß oder metallischem Abrieb im Schmieröl ist. Zudem weisen sie eine hohe Leistungsdichte auf, wodurch sie hohe Förderdrücke in Bezug auf eine Schmierölversorgung erzielen können.
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Allerdings sind Schraubenspindelpumpen Konstantpumpen, deren Verdrängungsvolumen nicht verstellt werden kann. Ferner weist der Aufbau durch die Schraubenspindeln eine größere axiale Abmessung im Vergleich zu einer Flügelzellenpumpe oder einer Zahnradpumpe auf. Demzufolge ist die Anwendung von Schraubenspindelpumpen als Ölpumpen vorwiegend zur Schmierölversorgung an großvolumigen Verbrennungsmaschinen in Schiffen oder auch in LKWs bekannt, in denen mehr Bauraum zur Verfügung steht und die Verbrennungsmaschine auf relativ konstanten Drehzahlen betrieben wird.
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Wenn eine Schraubenspindelpumpe in der Anwendung als Ölpumpe eingesetzt wird, kann der Förderdruck während raschen Drehzahlzunahmen oder hohen Drehzahlen den zulässigen Betriebsbereich des Öldrucks in der Verbrennungsmaschine übersteigen. Bei den genannten Anwendungen in Schiffen oder LKWs wird beispielsweise eine Verstellung des Fördervolumens der Schraubenspindelpumpe vorgenommen, indem ein Teil des Fördervolumens durch einen einstellbaren Bypass von einem Auslass wieder zu einem Einlass der Schraubenspindelpumpe rezirkuliert und die Spindelkammer erneut durchläuft, wodurch der resultierende Förderstrom im Schmierölfördersystem herabgesetzt wird. So beschreibt die
DE 10 2009 056 218 A1 eine Schraubenspindelpumpe, an der ein Druckbegrenzungsventil mit einer Rückführung integriert ist, wodurch oberhalb eines eingestellten Förderdrucks ein hydraulischer Kurzschluss zwischen der Druckseite und der Saugseite der Pumpe hergestellt wird. Das Ansprechverhalten einer derartigen Regelung ist jedoch relativ träge und erscheint im Hinblick auf die schnellen Drehzahlschwankungen im Betrieb von Verbrennungsmotoren in PKWs als ungeeignet.
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Die zum Anmeldetag der vorliegenden Erfindung noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung
DE 10 2018 109 886.9 derselben Anmelderin schlägt ein regelbares Schmierölfördersystem für Verbrennungsmaschinen von Nutzfahrzeugen mit einem verbesserten Ansprechverhalten vor, bei dem eine Saugdrosselung zu der Schraubenspindelpumpe vorgeschaltet ist. In dem System wird ein Druck des Schmieröls hinter einem Drosselventil und vor einem Pumpeneinlass zu dem Unterdruck der Saugseite der Pumpenkammer bzw. der Spindelkammer herabgesetzt, wodurch eine Druckdifferenz, die zur Befüllung der Spindelkammer innerhalb einer drehzahlabhängigen Zeit erforderlich ist, nicht erreicht wird. Die
DE 10 2018 109 886.9 befasst sich mit dem Prinzip der Saugdrosselung und einer steuerungstechnischen Umsetzung des Systems, ohne auf eine spezifische Konstruktion der Schraubenspindelpumpe oder des vorgeschalteten Drosselventils im Hinblick auf die Anwendung in Nutzfahrzeugen bzw. LKWs einzugehen.
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Wie obenstehend erläutert, besteht ein Bedarf für eine effiziente Schraubenspindelpumpe, die sich für den Einsatz als Ölpumpe in einem PKW eignet. Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Aufbau für eine Schraubenspindelpumpe und eine Regelung der Fördermenge bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine regelbare Schraubenspindelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die regelbare Schraubenspindelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass in dem Pumpengehäuse eine Drosselkammer und eine Steuerkammer ausgebildet sind, die mit dem zu fördernden Schmieröl in Kontakt stehen; wobei die Drosselkammer zwischen dem Pumpeneinlass und der Spindelkammer angeordnet ist, und die Drosselkammer ein Drosselventil umfasst, durch das ein Durchflussquerschnitt eines Förderstroms einstellbar ist; die Steuerkammer ein hydraulisches Regelventil mit einem Kolben umfasst, der auf einen hydraulischen Steuerdruck in der Steuerkammer anspricht, und die Steuerkammer in Bezug zu einem Stellweg des Kolbens parallel zu der Spindelkammer ausgerichtet ist; und ein Ventilkörper des Drosselventils mit dem Kolben des hydraulischen Regelventils gekoppelt ist.
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Die Erfindung sieht somit erstmals einen integrierten Aufbau einer Schraubenspindelpumpe und einer hydraulisch gesteuerten Saugdrosselung vor.
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Das kompakte Design der regelbaren Schraubenspindelpumpe bietet eine Lösung für den Bedarf nach einer erheblich effizienteren Schmierölversorgung in PKWs. Dabei bleibt die robuste Grundkonstruktion der Schraubenspindelpumpe mit den Vorteilen des hohen Wirkungsgrades, der Robustheit und der Pulsationsarmut gegenüber anderen Verdrängerpumpen erhalten.
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Durch die Integration der Saugdrosselung im Pumpengehäuse können der Bauraum und die Installation einer Komponente im Schmierölsystem entfallen. Es wird eine Baugruppe vergleichbar zu den bekannten Typen von Verstellpumpen mit variabler Geometrie geschaffen.
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Die parallele Anordnung des hydraulischen Regelventils zu den Schraubenspindeln ermöglicht eine ähnliche Hüllgeometrie des Pumpengehäuses, bei der trotz Integration der Saugdrosselung die axiale Abmessung im Wesentlichen unverändert bleibt und eine radiale Abmessung unwesentlich erhöht wird. Somit wird die Optimierung eines Bauraums in neuen Systemen oder ein Austausch der Pumpe in laufenden Anwendungen mit vorgegebenem Bauraum erleichtert.
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Die hydraulische Umsetzung ermöglicht eine höhere Leistungsdichte in Bezug auf die Stellkraft zur Einstellung der Saugdrosselung, sodass das hydraulische Regelventil im Vergleich zu elektrischen Stellgliedern oder dergleichen kleiner ausfallen kann und weiterer Bauraum eingespart wird.
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Durch den integrierten Aufbau wird eine hohe Regelungsdynamik erzielt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Saugdrosselung eine Totzeit zwischen Regeleingriff und Sprungantwort in einem Verhältnis zu der gedrosselten Saugstrecke steht. Infolge der kurzen Entfernung zwischen dem Drosselventil und der Spindelkammer kann die Fördermenge hochdynamisch verändert werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des regelbaren Schmierölfördersystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Stellweg des Ventilkörpers des Drosselventils parallel zu der Spindelkammer ausgerichtet sein, und ein Ventilsitz des Drosselventils an einer Mündung des Pumpeneinlasses in die Drosselkammer ausgebildet sein. Somit sind sowohl das hydraulische Regelventil als auch das Drosselventil parallel zu der Spindelkammer angeordnet, wodurch ein kompaktes Design des Pumpenaufbaus begünstigt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können der Ventilkörper des Drosselventils und der Kolben des hydraulischen Regelventils auf einem gemeinsamen Ventilschaft sitzen. Somit kann eine separate Führung des Ventilkörpers des Drosselventils entfallen und die integrierte Ausgestaltung beider Ventile begünstigt das kompakte Design des Pumpenaufbaus.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Schraubenspindelpumpe zwei Schraubenspindeln aufweisen, wobei ein Querschnitt der Spindelkammer durch zwei sich überschneidende Kreisradien gebildet wird, und ein Querschnitt der Steuerkammer kann im Bereich einer Schnittachse einer Überschneidung der Kreisradien zu der Spindelkammer benachbart angeordnet sein. Durch diese Ausgestaltung kann die radiale Gesamtabmessung verringert werden, wodurch das kompakte Design der Schraubenspindelpumpe begünstig wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Steuerkammer zwei hydraulische Anschlüsse zur Einleitung von zwei hydraulischen Steuerdrücken aufweisen, die auf gegenüberliegende Seiten des Kolbens des hydraulischen Regelventils wirken. Somit wird neben einer Variante eines hydraulischen Regelventils, bei dem ein Steuerdruck entgegen einer Federvorspannung wirkt, eine weitere Variante in Bezug auf die hydraulische Ansteuerung bereitgestellt, die weniger kritisch bezüglich einer Abdichtung des Kolbens ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann zu einer Seite des Kolbens des hydraulischen Regelventils eine Druckfeder in der Steuerkammer angeordnet sein. Durch eine Druckfeder kann eine Fail-Safe Funktion realisiert werden, sodass eine Saugdrosselung bei einem Steuerdruckverlust aufgrund eines Ausfalls der hydraulischen Ansteuerung auf eine vorgegebene oder vollständige Öffnungsposition des Ventilelements eingestellt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Pumpengehäuse zu einer Stirnseite der Spindelkammer einen Kragenabschnitt aufweisen, der einen Gehäusedurchtritt und ein Wellenlager für eine Antriebswelle umfasst, und ein Zahnkranz, der auf der Antriebswelle sitzt, eine radiale Ausnehmung für den Kragenabschnitt aufweisen, sodass sich eine Verzahnung des Zahnkranzes und das Wellenlager axial überschneiden. Durch diese Ausgestaltung kann die axiale Gesamtabmessung verringert werden, wodurch das kompakte Design der Schraubenspindelpumpe begünstig wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
- 1 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht durch den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen regelbaren Schraubenspindelpumpe.
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In der Ausführungsform der schematischen Darstellung aus 1 wurde ein relativer Maßstab eines hydraulischen Regelventils 4 zugunsten einer besseren Wahrnehmung gewählt. Das hydraulische Regelventil 4 kann jedoch ebenso kleiner ausfallen. Ferner ist zur Vermeidung einer überlagerten Darstellung des hydraulischen Regelventils 4 mit einer Spindelkammer 12 in 1 eine Position des hydraulischen Regelventils 4 versetzt zu der Spindelkammer 12 abgebildet. Eine Position und ein Abstand des hydraulischen Regelventils 4 zu der Spindelkammer 12 können jedoch ebenso zugunsten einer kompakteren Anordnung variieren.
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Unter dem Begriff Schraubenspindelpumpe werden im Sinne dieser Offenbarung schrägverzahnte Rotationskolbenpumpen mit einer Gewindesteigung zur Verdrängung des Fördermediums verstanden. Derartige Pumpentypen umfassen in der Regel eine angetriebene Schraubenspindel 2a und wenigstens eine weitere Schraubenspindel 2b, die über einen Eingriff der Verzahnung mitgeschleppt wird.
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Die Schraubenspindelpumpe der abgebildeten Ausführungsform weist eine angetriebene Schraubenspindel 2a und eine mitgeschleppte Schraubenspindel 2b auf, die in einer Spindelkammer 12 eines Pumpengehäuses 10 drehbar aufgenommen sind. Die angetriebene Schraubenspindel 2a steht mit einer Antriebswelle 5 in Verbindung, die über einen Zahnkranz 50 von einer Verbrennungsmaschine angetrieben wird. Die Antriebswelle 5 tritt in einem Kragenabschnitt 15 aus dem Pumpengehäuse 1 aus. In dem Kragenabschnitt 15 ist ein Wellenlager 51 in Form eines Kompaktlagers mit zwei Kugellagerreihen eingepasst. Der Zahnkranz 50 sitzt auf dem heraus stehenden freien Ende der Antriebswelle 5 und weist eine Ausbuchtung für den Kragenabschnitt 15 auf, sodass sich eine radiale Außenverzahnung mit dem Wellenlager 51 axial überschneidet.
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Zu der Antriebseite der Schraubenspindeln 2a, 2b befindet sich eine Druckseite der Spindelkammer 12, die mit einem Pumpenauslass 11 in Form eines Druckstutzens in Verbindung steht. Zu der Seite der Schraubenspindeln 2a, 2b, die dem Antrieb gegenüberliegt, befindet sich eine Saugseite der Spindelkammer 12. Die Saugseite der Spindelkammer 12 steht über eine Drosselkammer 3 mit einem Pumpeneinlass 10 in Form eines Saugstutzens in Verbindung. In Betrachtung der Förderrichtung, wird Schmieröl durch einen Unterdruck auf der Saugseite der Spindelkammer 12, der durch eine Schraubensteigung der drehenden Schraubenspindeln 2a, 2b erzeugt wird, über den Pumpeneinlass 10 und die Drosselkammer 3 angesaugt, durch die Spindelkammer 12 gefördert und auf der Druckseite über den Pumpenauslass 11 aus der Spindelkammer 12 ausgestoßen.
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Eine Ansaugstrecke vor der Schraubenspindelpumpe führt zu einem Ölsumpf der Verbrennungsmaschine. Nach der Schraubenspindelpumpe schließt sich eine Zuführstrecke eines nicht dargestellten Schmierölfördersystems an. Die Zuführstrecke führt zu Verzweigungen einer Schmierölversorgung der Verbrennungsmaschine, die dazu dient, Gleitflächen zwischen bewegten Teilen in einem Kurbetrieb, einem Ventiltrieb sowie Zylinderlaufbahnen und dergleichen unter einem erforderlichen Öldruck zu schmieren.
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Die Drosselkammer 13 des Pumpengehäuses 1 bildet eine Einlasskammer zu einer Stirnseite der Spindelkammer 12. An einer Mündung, an welcher der Saugstutzen des Pumpeneinlasses 10 in die Drosselkammer 3 eintritt, ist ein ringförmiger Ventilsitz 31 eines Drosselventils 3 ausgebildet. Ein Ventilkörper 30 des Drosselventils 3 ist an einem Ventilschaft 34 axial gegenüberliegend zu dem Saugstutzen des Pumpeneinlasses 10 geführt und weist eine sphärische Dichtfläche auf. Durch eine Öffnungsposition entlang eines Stellwegs des Ventilkörpers 30 zu dem Ventilsitz 31 wird ein Durchflussquerschnitt des Förderstroms des Schmieröls zwischen dem Pumpeneinlass 10 und der Spindelkammer 12 eingestellt bzw. begrenzt, wodurch eine Saugdrosselung der Schraubenspindelpumpe realisiert wird. Auf der anderen Seite des Ventilschafts 34, die dem Ventilkörper 30 gegenüberliegt, ist ein Kolben 40 angeordnet, der in einer zylindrischen Steuerkammer 14 des Pumpengehäuses 1 aufgenommen ist. Der Kolben 40 und die Steuerkammer 14 bilden ein hydraulisches Regelventil 4, das durch eine gesteuerte Druckzufuhr des Schmieröls eine Öffnungsposition des Drosselventils 3 einstellt.
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Die Spindelkammer 12 weist eine Querschnittskontur in der Form eines sogenannten Achtergehäuses auf, d.h. sie wird durch zwei Bohrungen im Pumpengehäuse 1 gebildet, deren Radien sich überschneiden, um einen Eingriff der Schraubenspindeln 2a, 2b zu gewährleisten. Die zylindrische Steuerkammer 14 des hydraulischen Regelventils 4 wird ebenfalls durch eine Bohrung in dem Pumpengehäuse 1 gebildet, die parallel zu dem den Bohrungen der Spindelkammer 12 verläuft. In einer bevorzugten kompakten Ausführungsform, die von der schematischen Darstellung in 1 abweicht, ist die zylindrische Steuerkammer 14 nahe einer Ausbuchtung des Achtergehäuses, d.h. zwischen den Achsen der Bohrungen der Spindelkammer 12 nahe zu einer Kammerwand der Spindelkammer 12 angeordnet, sodass eine enge Packung zylindrischer Hohlräume und somit eine kompakte Hüllgeometrie des Pumpengehäuses 1 geschaffen wird.
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Die integrierte Anordnung des hydraulischen Regelventils 4 und des Drosselventils 3 wird durch eine gemeinsame Schaftführung 43 getrennt, die zwischen der Steuerkammer 14 und der Drosselkammer 13 ausgebildet ist. Die Schaftführung 43 stellt eine axiale Führung für den gemeinsamen Ventilschaft 34 bereit. Eine Position des Kolbens 40 entlang eines Stellwegs des hydraulischen Regelventils 4 wird durch zwei hydraulische Steuerdrücke p1 und p2 eingestellt, die zu beiden Seiten des Kolbens 40 in der Steuerkammer 14 anliegen. Der Steuerdruck p1 wird über einen hydraulischen Anschluss 41 zu einer Seite des Kolbens 40 in der Steuerkammer 14 erzeugt. Der Steuerdruck p2 wird über einen hydraulischen Anschluss 42 zu der anderen Seite des Kolbens 40 in der Steuerkammer 14 erzeugt. Eine Stellbewegung des Kolbens 40 spricht auf eine Druckdifferenz der beiden Steuerdrücke p1, p2 an und hält eine Position im Falle eines Kräftegleichgewichts zu beiden Seiten des Kolbens 40.
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Auf der Seite des Steuerdrucks p1 ist vorzugsweise eine nicht dargestellte Druckfeder angeordnet, die in das Kräfteverhältnis der Steuerdrücke p1, p2 eingreift. Die Länge der Druckfeder ist derart gewählt, dass ohne die beiden Steuerdrücke p1, p2 eine Schließposition des Drosselventils 3 verhindert wird. Der Einsatz einer Druckfeder stellt eine Fail-Safe Funktion sicher, sodass im Falle eines Ausfalls der hydraulischen Regelung eine Absperrung der Schmierölzufuhr bei laufender Verbrennungsmaschine durch ein geschlossenes Drosselventil 3 verhindert wird. Ebenso kann optional durch eine weitere Druckfeder auf der gegenüberliegenden Seite eine vollständige Öffnungsposition des Drosselventils 3 unterbunden werden. Je nach Auslegung des Schmierölsystems kann somit im Falle eines Ausfalls der hydraulischen Regelung verhindert werden, dass ein kritischer Förderdruck überschritten wird.
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Eine hydraulische Ansteuerung der beiden Steuerdrücke p1, p2 erfolgt in einem nicht dargestellten Schmierölsystem über eine elektrisch-hydraulische Regelvorrichtung, die aus dem Schmierölkreislauf der Verbrennungsmaschine und durch den Förderdruck der Schraubenspindelpumpe gespeist wird. Eine solche elektrisch-hydraulische Regelvorrichtung weist ein elektromagnetisches 4/3 Proportionalventil auf. Das 4/3 Proportionalventil umfasst vier Anschlüsse, darunter ein Eingangsanschluss zur Zufuhr von Öl aus einer Ölkulisse der Verbrennungsmaschine und drei Ausgangsanschlüsse, von denen zwei Ausgangsanschlüsse die beiden Steuerdrücke p1, p2 mit einer geregelten Druckdifferenz bereitstellen und ein Ausgangsanschluss Öl mit einem überschüssigen Differenzdruck aus der Regelung in den Ölsumpf zurückführt. Die Ausgangsanschlüsse der beiden Steuerdrücke p1, p2 werden mittels eines Ventilkörpers geregelt, der einen jeweiligen hydraulischen Widerstand und somit eine jeweilige Druckdifferenz zwischen dem Eingangsanschluss und den drei Ausgangsanschlüssen einstellt. Der Ventilkörper wird durch ein elektromagnetisches Stellglied mit einer Spule und einem Anker sowie durch eine Druckfeder verstellt. Das elektromagnetische Stellglied wird durch eine Pulsweitenmodulation einer zugeführten elektrischen Leistung angesteuert. Eine Steuerung der Steuerdrücke p1, p2 des hydraulischen Regelventils 4 zur Regelung des Fördervolumens eines Schmierölkreislaufs über die Saugdrosselung des Drosselventils 3 in der Schraubenspindelpumpe kann von einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit einer Last, einer Drehzahl und einer Temperatur der Verbrennungsmaschine durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpengehäuse
- 2a
- angetriebene Schraubenspindel
- 2b
- mitgeschleppte Schraubenspindel
- 3
- Drosselventil
- 4
- hydraulisches Regelventil
- 5
- Antriebswelle
- 10
- Pumpeneinlass
- 11
- Pumpenauslass
- 12
- Spindelkammer
- 13
- Drosselkammer
- 14
- Steuerkammer
- 15
- Kragenabschnitt
- 30
- Ventilkörper
- 31
- Ventilsitz
- 34
- Ventilschaft
- 40
- Kolben
- 41
- hydraulischer Anschluss mit Steuerdruck p1
- 42
- hydraulischer Anschluss mit Steuerdruck p2
- 43
- Schaftführung
- 50
- Zahnkranz
- 51
- Wellenlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009056218 A1 [0007]
- DE 102018109886 [0008]
