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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Druckregelung von Ölpumpen
mit Fördermengenverstellung
zur Schmierung von Verbrennungsmotoren. Derartige Regelvorrichtungen
haben die Aufgabe, die Fördetleistung
der Ölpumpe
an den wechselnden Bedarf des Schmiersystems des Verbrennungsmotors
hinsichtlich Öldruck
und Ölmenge
anzupassen. Hierdurch werden unnötig
hohe Öldrücke vermieden wie
auch die Antriebsleistung der Schmierölpumpe im Hinblick auf einen
guten Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors gering gehalten.
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Stand der Technik
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Bekannte Ölpumpen
mit Fördermengenregelung,
bei denen sich die Ölfördermenge
entsprechend der Ölpumpenauslegung
an den Bedarf des zu versorgenden Verbrennungsmotors anpasst, weisen eine
geringere Ölpumpenantriebsleistung
als Ölpumpen
mit Kurzschlussregelung auf. Die Fördermengen werden im Wesentlichen
durch den Öldruck
geregelt, wobei insbesondere bei höheren Motordrehzahlen wie auch
bei niedrigen Betriebstemperaturen entsprechende Fördermengenabregelungen
stattfinden.
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Bei
einfachen Ölpumpenausführungen
mit Fördermengenregelung
wird der Öldruck
direkt von einer Regelfeder bestimmt. Diese Ausführungsform hat jedoch den Nachteil,
dass die Regelfederauslegung entsprechend dem maximalen Öldruckbedarf bei
Motorhöchstdrehzahl
des Verbrennungsmotors vorzunehmen ist, was dann unnötig hohe Öldrücke mit
entsprechend hohen Antriebsleistungen im unteren Drehzahlbereich
zur Folge hat. Eine Fördermengenregelung
ausschließlich
durch eine Regelfeder, wie beispielsweise in
DE 3028573 A1 und
DE 3528651 A1 vorgeschlagen,
führt weiterhin
mit zunehmendem Hub der Regelfeder durch deren ansteigende Federkraft
zu einer zusätzlichen Öldruckerhöhung, so
dass der angestrebte Antriebsleistungsvorteil durch Fördermengenreduzierung
infolge des unnötigen Öldruckanstiegs
zumindest teilweise wieder kompensiert wird.
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Die
in
DE 10043842 A1 vorgeschlagene
Außenzahnrad-Ölpumpe mit
axialer Zahnradverschiebung vermeidet weitgehend den unerwünschten Öldruckanstieg
bei zunehmender Fördermengenabregelung
durch eine das Öldruckniveau
stabilisierende Drosselregelung. Ihr Öldruck pulsiert bei Regelungsbetrieb
jedoch durch eine regelungsbedingt ständige Variation der axialen
Eingriffsüberdeckung
der beiden Förderzahnräder. Der
axialen Zahnradverschiebung entgegenwirkende Reibungskräfte verstärken diesen
Pulsationseffekt zusätzlich,
so dass für
eine betriebssichere Öldruckbereitstellung
die Öldruckregelung
auf ein entsprechend erhöhtes
Druckniveau eingestellt werden muss.
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Aus
der
US 4,259,039 ist
eine fördermengenregelbare
Flügelzellenpumpe
bekannt.
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Aus
der
US 3,549,281 ist
eine Flügelzellenpumpe
bekannt, bei der über
ein Handrad der Soll-Druck eingestellt wird, wobei diese Stellbewegung
auch hydraulisch erfolgen kann.
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Aus
der
DE 34 46 603 A1 ist
eine Flügelzellenpumpe
mit einem einstufigen Regelzylinder bekannt, der über eine
Feder mittels eines Handrads verstellbar ist.
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Aus
der
DE 42 24 973 C2 ist
eine Überlastschutzvorrichtung
bekannt, mittels der ein der Pumpe nachgelagertes Ölfilter
vor Überdruck
geschützt
wird. Dazu wird dann, wenn der Öldruck
vor dem Ölfilter kritisch
wird, hoher Druck auf die Ölpumpe
geschaltet. Das unterstützt
die Feder, die das Förderzahnrad außer Eingriff
drückt
und senkt die Fördermenge.
So sinkt der Druck am Ölfilter.
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Durch
die Verwendung eines elektrischen Ventils ermöglicht die Ölpumpenregelung der
DE 100438842 A1 eine
Umschaltung der Öldruckregelung
auf ein zweites Druckregelniveau, insbesondere entsprechend dem
geringeren Öldruckbedarf
bei niedrigen Motordrehzahlen.
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Die
DE 753580 C beschreibt
eine Ölpumpe, bei
der abhängig
vom Betriebszustand einer Brennkraftmaschine deren Schmiermittelfördermenge
bemessen wird. Hierbei bewirkt der Fliehkraftregler einer Einspritzpumpe über eine
mechanische Koppelung zur Ölpumpe
eine drehzahlabhängige
Fördermengeneinstellung.
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In
DE 19915737 A1 wird
ein Verfahren zum Regeln der Schmierung eines Verbrennungsmotors beschrieben,
bei dem ein Kennfeld die Regelung der Ölpumpe abhängig vom Betriebszustand des
Verbrennungsmotors gesteuert. Hierbei wird jeweils der an einer
geeigneten Ölkreislaufstelle über einen Drucksensor
erfasste Ist-Öldruck
mit dem im Kennfeld gespeicherten Soll-Öldruck verglichen. Bei auftretenden
Ist-Soll-Öldruckabweichungen
erfolgt eine Korrektur der Ölpumpenfördermenge
durch ein nicht näher
ausgeführtes
Stellglied der Ölpumpenregelung.
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Aufgabenstellung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine einfache Regelvorrichtung für Ölpumpen
mit Fördermengenverstellung
zu schaffen, die abhängig
von vorgegebenen Betriebswerten, beispielsweise von der Betriebsdrehzahl
eines Verbrennungsmotors, betriebssicher einen weitgehend minimalen Öldruck gemäß dem Öldruckbedarf
des Verbrennungsmotors bereitstellt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Druckregelvorrichtung für fördermengenvariable Hydraulikpumpen
mit den Merkmalen des Hauptanspruches vorgeschlagen.
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Hierdurch
kann der Öldruck
fördermengenvariablen
Schmierölpumpen
von Verbrennungsmotoren einfach und sehr präzise dem Öldruckbedarf angepasst werden,
so dass aufgrund dann minimaler Ölpumpenantriebsleistungen
entsprechende Kraftstoffverbrauchsvorteile resultieren.
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Die
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
nicht erfindungsgemäße fördermengenregelbare
Außenzahnradpumpe
mit elektromagnetisch veränderlicher
Kraftbeaufschlagung ihres Regelkolbens
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2 eine
nicht erfindungsgemäße fördermengenregelbare
Außenzahnradpumpe
mit veränderlicher
Kraftbeaufschlagung ihres Regelkolbens durch einen Schrittmotor
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3 eine
erfindungsgemäße fördermengenregelbare
Außen zahnradpumpe
mit veränderlicher,
hydraulischer Kraftbeaufschlagung eines gestuften Regelkolbens durch
einen fliehkraftbetätigten Schaltkolben
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4 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 3
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5 eine
erfindungsgemäße fördermengenregelbare
Außenzahnradpumpe
mit veränderlicher,
hydraulischer Kraftbeaufschlagung eines gestuften Regelkolbens durch
ein Elektroventil und/oder durch eine Spiralnut Die 1 zeigt
nicht erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung
für eine Außenzahnradölpumpe mit
Fördermengenregelung.
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Diese Ölpumpe besteht
aus einem Ölpumpengehäuse 1,
in dem ein auf einer Antriebswelle 2 fixiertes Antriebszahnrad 3 angeordnet
ist. Die Antriebswelle 2 ist in einem zu einem Verschlussdeckel 4 gehörigen Deckelkolben 5 gelagert.
Bei einer Fördermengenregelung
wird in bekannter Weise relativ zum Antriebszahnrad 3 ein
in kämmendem
Eingriff mit ihm stehendes Verschiebezahnrad 6 axial verschoben,
so dass dann durch die veränderte
Zahneingriffsbreite die Ölfördermenge
entsprechend angepasst wird.
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Das
Verschiebezahnrad 6 ist auf einem nichtrotierenden Bolzen 7 gelagert,
der rechtsseitig einen Verschiebekolben 8 und linksseitig
einen Federkolben 9 trägt.
Dieser gebildete Verbund wird als Verschiebeeinheit 10 bezeichnet
und stellt praktisch den Verstellkolben der Fördermengenverstellung dar.
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Die
Verschiebeeinheit 10 ist an ihrem Verschiebekolben 8 ständig mit Öldruck beaufschlagt, während hierzu
entgegenwirkend am Federkolben 9 eine Rückstellfeder 11 wie
auch ein in der Federkammer 12 wirkender Regeldruck die
Fördermengenregelung
vornehmen.
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Der
Regeldruck in Federkammer 12 wird über eine Steuerbohrung 13 eingespeist
und von einem Regelkolben 14 erzeugt, der an seiner Wirkfläche 15 über eine
Verbindung 16 ständig
mit Öldruck beaufschlagt
ist. Als Gegenkraft hierzu wirkt linksseitig eine Regelfeder 17 auf
den Regelkolben 14. In der gezeigten Regelposition des
Regelkolbens 14 befindet sich sein Regelzapfen 18 direkt
gegenüberliegend
zur Steuerbohrung 13. Der Regelzapfen 18 ist linksseitig
von einer Drucknut 19 und rechtsseitig von einer Entlastungsnut 20 begrenzt.
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Da
der Regelzapfen 18 geringfügig schmaler als der Durchmesser
der Steuerbohrung 13 ist, stellt sich bei Regelfunktion
des Regelkolbens 14 in der Federkammer 12 ein
bedarfsgerechter Regeldruck ein, der zwischen dem über eine
weitere Verbindung 21 in der Drucknut 19 anliegenden Öldruck und
einer über
die Entlastungnut 20 einspeisbaren, vollständigen Druckentlastung
liegen kann.
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Über eine
Diagonalbohrung 22 in Regelkolben 14 steht die
Entlastungsnut 20 mit der Umgebung in Verbindung.
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Sobald
der an Wirkfläche 15 anliegende Öldruck die
Höhe des
maximal erforderlichen Betriebsöldrucks
von beispielsweise 5 bar des zugehörigen Verbrennungsmotors überschreitet,
erfolgt gegen die Kraft der Regelfeder 17 eine Verschiebung
des Regelkolbens 14 im Sinne einer Reduzierung des Regeldrucks
in Federkammer 12. Hierdurch wird die Verschiebeeinheit 10 zum
Zwecke einer Fördermengenreduzierung
soweit nach links verschoben, bis der Öldruck den Sollwert von beispielsweise
5 bar erreicht. Eine Unterschreitung des Sollöldrucks von 5 bar führt umgekehrt
durch die Regelfeder 17 zu einer Verschiebung von Regelkolben 14 nach
rechts, was durch eine Erhöhung
des Regeldruckes in der Federkammer 12 eine entsprechende
Steigerung der Fördermenge
mit einem daraus resultierenden Öldruckanstieg
auslöst.
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Die
zur Beeinflussung des Öldrucks
erforderliche Ansteuereinrichtung des Regelkolbens 14 besteht
aus einer Magnetspule 23, die bei entsprechender Ansteuerung
durch ein Steuergerät
des Verbrennungsmotors über
ihren Anker 24 eine magnetische Zusatzkraft auf den Regelkolben 14 ausübt.
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Eine
Veränderung
der magnetischen Zusatzkraft kann vom Steuergerät entweder kontinuierlich oder
stufenweise bedarfsorientiert vorgenommen werden, was sich entsprechend
auf die Regelung von Öldruck
und Fördermenge
der Ölpumpe
auswirkt.
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Die
erst hinter dem Ölfilter 25 abzweigenden hydraulischen
Verbindungen 16, 21 und 26 zum Verschiebekolben 8 und
zum Regelkolben 14 haben zwei Vorteile. Zum einen wird
durch die Druckregelung der Ölpumpe
der Öldruck
hinter dem Ölfilter 25 auf
das jeweilige Solldruckniveau eingeregelt, so dass unabhängig von
verschmutzungsbedingt veränderlichen
Druckverlusten des Ölfilters 25 ein
betriebssicherer Öldruck
für die
Schmierung des Verbrennungsmotors gewährleistet ist. Zum anderen werden
alle Teile der Regeleinrichtung wie auch alle Lagerstellen der Ölpumpe,
beispielsweise die Lagerung der Antriebswelle 2 in Deckelkolben 5 über eine Ölbohrung 27 aus
Verschiebekammer 28, mit gefiltertem Öl versorgt, so dass die Betriebssicherheit
wie auch die Lebensdauer der Ölpumpe
erhöht
werden.
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Die 2 zeigt
ein weiteres nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
mit kontinuierlich veränderlicher Öldruckregelung.
Zur Öldruckabsenkung wird
anstelle der Magnetspule 23 von 1 hier einen
Schrittmotor 29 mit einer verstellbaren Federanlage 30 für die Regelfeder 17 des
nun ungeschnitten dargestellten Regelkolbens 14 verwendet.
Durch die Grundposition der Federanlage 30 von Regelfeder 17,
die sich automatisch ohne elektrische Ansteuerung des Schrittmotors 29 einstellt,
ist durch die entsprechende Vorspannung der Regelfeder 17 der
maximal erforderliche Betriebsöldruck
von beispielsweise 5 bar sichergestellt. Durch ein entsprechend
programmiertes Steuergerät
des Verbrennungsmotors kann der Öldruck
bedarfsgerecht abgesenkt oder bei Sonderanwendungen auch noch weiter
erhöht
werden.
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Die 3 zeigt
ein Ausführungsbei spiel
einer erfindungsgemäßen Öldruck-
und Fördermengenregelung
einer Außenzahnradölpumpe,
bei der die Ansteuereinrichtung des Regelkolbens ausschließlich fliehkraftabhängig in
zwei drehzahlbezogenen Regeldruckstufen stattfindet.
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Der
Regelkolben ist hier als Stufenkolben 51 ausgebildet. Er
weist linksseitig eine Regelfeder 52 und rechtsseitig eine
erste Wirkflächen 53 auf,
die ständig
mit Öldruck
beaufschlagt ist. Eine rechtsseitig zweite Wirkfläche 54 von
Stufenkolben 51 ist bei niedrigen Betriebsdrehzahlen des
Verbrennungsmotors ebenfalls mit Öldruck beaufschlagt, so dass durch
eine Öldruckwirkung
an den beiden Wirkflächen 53 und 54 und
der entsprechend ausgelegten Regelfeder 52 eine Öldruckregelung
bei beispielsweise 2,5 bar der ersten Regeldruckstufe stattfindet.
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Die
bei hohen Drehzahlen motorbedingt erforderliche Öldruckerhöhung auf ein Öldruckniveau von
beispielsweise 5 bar der zweiten Regeldruckstufe erfordert für die entsprechende
Regelfunktion des Stufenkolbens 51 eine vollständige Druckentlastung der
zweiten Wirkfläche 54.
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Die
Ansteuereinrichtung für
die Umschaltung zwischen den beiden Regeldruckstufen durch Öldruckbeaufschlagung
bzw. Druckentlastung der zweiten Wirkfläche 54 des Stufenkolbens 51 besteht in
diesem Ausführungsbeispiel
aus einem in Antriebszahnrad 55 angeordneten, drehzahlabhängig wirkenden
Fliehkraftventil. Die zu 3 gehörende 4 zeigt
das kompakte Fliehkraftventil vergrößert. Es besteht aus einem
Schaltkolben 56 und einer Schaltkolbenfeder 57.
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Der
Schalkolben 56 ist aus räumlichen Gründen schräg zur radialen Fliehkraftrichtung
ausgerichtet. Die gestufte Aufnahmebohrung von Schaltkolben 56 und
Schaltkolbenfeder 57 kann aus Platzgründen teilweise sogar in einen
Zahn des Antriebszahnrades 55 hineinragen. Die gezeigte
Position des Schaltkolbens 56 mit entspannter Schaltkolbenfeder 57 entspricht
niedrigen Betriebsdrehzahlen bei geringer Fliehkraftwirkung. Ein
am Schaltkolben 56 befindlicher Führungszapfen 59 sichert
die radiale Führung der
Schaltkolbenfeder 57 und verhindert deren fliehkraftbedingte
Durchbiegungen.
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Der über die Ölbohrung 27 von
Deckelkolben 5 am Schaltkolben 56 anliegende Öldruck wirkt über eine
Zentralbohrung 60 auch ständig in der Kammer der Schaltkolbenfeder 57.
Bei niedrigen Betriebsdrehzahlen wird der Öldruck infolge der in 4 gezeigten
Position des Schaltkolbens 56 über eine Schrägbohrung 61 von
Antriebszahnrad 55 und über eine
Verbindungsbohrung 62 des Ölpumpengehäuses 63 auf die zweite
Wirkfläche 54 von
Stufenkolben 51 geleitet, um dadurch die erste Regeldruckstufe
mit 2,5 bar Öldruck
zu aktivieren.
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Nach Überschreiten
der Umschaltdrehzahl zur Aktivierung der zweiten Regeldruckstufe,
beispielsweise bei 2500/min, verschiebt sich der Schaltkolben 56 fliehkraftbedingt
gegen die Schaltkolbenfeder 57 in seine äußere Endposition.
Hierdurch wird zur Öldruckanhebung
auf die zweite Regeldruckstufe von 5 bar der Stufenkolben 51 an
seiner zweiten Wirkfläche 54 druckentlastet,
indem über
die Schrägbohrung 61 und
eine Umfangsnut 64 von Schaltkolben 56 sowie weitere
Querschnitte eine Verbindung zur Mittelbohrung 65 der am
rechten Ende offenen Antriebswelle 58 hergestellt wird.
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In
Anlehnung an 3 zeigt 5 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
bei dem der Stufenkolben 51 an seiner zweiten Wirkfläche 54 durch
zwei weitere, in 5 dargestellte, unabhängige Ansteuereinrichtungen
mit Öldruck
beaufschlagbar ist. Die beiden Ansteuereinrichtungen können wie
in 5 gezeigt sowohl in Kombination miteinander in
Funktion treten, aber auch jede für sich bei Entfall der anderen
Ansteuereinrichtung arbeiten.
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Die
erste Ansteuereinrichtung weist auf der Antriebswelle 74 eine
Spiralnut 73 auf, die beidseitig von den Umfangsnuten 75 und 76 begrenzt
ist. Sie hat eine relativ geringe Nuttiefe und erzeugt bei Rotation
der Antriebswelle 74 durch auftretende Ölscherkräfte über ihrer Länge ein drehzahlabhängiges Druckgefälle. Die
linksseitige Umfangsnut 75 ist über die Ölbohrung 27 mit Öldruck beaufschlagt.
Die Steigungsrichtung der Spiralnut 73 ist nun so gewählt, dass
bei Rotation der Antriebswelle 74 das in der Spiralnut 73 wirkende
Druckgefälle
einen Druckabbau in der rechtsseitigen Umfangsnut 76 hervorruft.
Der drehzahlveränderliche
Druck in Umfangsnut 76 wird über eine Längsbohrung der Antriebswelle 74 und über eine
in Gehäuse 78 befindliche
Verbindungsbohrung 79 auf die zweite Wirkfläche 54 von
Stufenkolben 51 geleitet.
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Bei
Höchstdrehzahl
wird der in der Umfangsnut 75 anliegende Öldruck von
beispielsweise 5 bar durch ein von der Spiralnut 73 erzeugtes,
relativ hohes Druckgefälle
auf fast 0 bar in der Umfangsnut 76 reduziert, so dass
die zweite Wirkfläche 54 von
Stufenkolben 51 für
die gewünschte
Druckregelung des Öldrucks
bei 5 bar effektiv druckentlastet ist. Mit abfallender Drehzahl
reduziert sich das Druckgefälle
an der Spiralnut 73 kontinuierlich, so dass der Druck an der
zweiten Wirkfläche 54 von
Stufenkolben 51 entsprechend ansteigt und eine Öldruckregelung
bei drehzahlabhängig
veränderlichem Öldruckniveau stattfindet.
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Die
zweite Ansteuereinrichtung für
den Stufenkolben 51 besteht aus einem Elektroventil 71,
das bei elektrischer Aktivierung zur Öldruckabsenkung der Ölpumpe den Öldruck auf
dessen zweite Wirkfläche 54 schaltet.
Damit sind beide Wirkflächen 53 und 54 öldruckbelastet,
so dass der Stufenkolben 51 bereits beispielsweise bei
2,5 bar Öldruck
der ersten Regeldruckstufe gegen die Kraft der Regelfeder 52 seine
Regelfunktion ausübt
und den entsprechenden Regeldruck zur Fördermengenregelung bereitstellt.
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Bei
unbestromtem Elektroventil 71 wird die Öldruckzufuhr unterbrochen und über einen
Entlastungsstutzen 72 am Elektroventil 71 eine
Druckentlastung der zweiten Wirkfläche 54 hervorgerufen.
Der nun nur noch an der ersten Wirkfläche 53 von Stufenkolben 51 anliegende Öldruck verlagert
den Regelbeginn dann auf beispielsweise 5 bar der zweiten Regeldruckstufe.
Die zweite Regeldruckstufe ist bei eine defektbedingten Unterbrechung
der elektrischen Anschlüsse
des Elektroventils 71 als Sicherheitsöldruck für alle Betriebsbedingungen
des Verbrennungsmotors gewährleistet.
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In
der in 5 gezeigten, beispielsweisen Kombinationsfunktion
der beiden Ansteuereinrichtungen kann bei betriebswarmem Verbrennungsmotor
durch die Spiralnut 73 eine kontinuierlich drehzahlveränderliche Öldruckregelung
durchgeführt werden,
wobei das Elektroventil 71 jedoch dann durch eine Zusatzfunktion
seine Verbindung zum Stufenkolben 51 geschlossen halten
muss. Beim Kaltbetrieb und dann wegen zähflüssigen Öls effektiv nicht nutzbarer
Wirkung der Spiralnut 73 tritt dann das Elektroventil 71 in
Funktion. Seine zweistufige Öldruckregelung
durch eine Druckbeaufschlagung bzw. eine Druckentlastung der zweiten
Wirkfläche 54 des
Stufenkolbens 51 erfolgt dann in bekannter Weise.
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Prinzipiell
ist die mit dem Stufenkolben 51 vorgenommene Regelung des Öldrucks
auch mehrstufig mit einem entsprechend mehrstufig ausgebildeten
Stufenkolben durchführbar.
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Hierbei
wären dann
dessen Teilwirkflächen beispielsweise
drehzahlversetzt von einer mehrstufig wirkenden Ansteuereinrichtung
mit Öldruck
zu beaufschlagen.
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Die
erfindungsgemäße Regelung
des Öldrucks
ist weitgehend unabhängig
von der temperaturabhängigen
Viskosität
des Öls.
Damit lassen sich durch die vorgeschlagene Druckregelung von fördermengenregelbaren Ölpumpen
für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren
nicht nur bei betriebswarmem Motor, sondern insbesondere auch im
täglichen
Kaltbetrieb mit nach einem Motorstart noch niedrigen Öltemperaturen
effektiv geringere Ölpumpenantriebsleistungen
mit resultierend abgesenkten Kraftstoffverbräuchen erzielen.