-
Durch
die Verwendung von Ölpumpen
mit veränderlichen
Fördermengen,
sog. Regelölpumpen, für die Schmierölversorgung
von Verbrennungsmotoren werden aufgrund reduzierter Ölpumpenantriebsleistungen
Vorteile im Kraftstoffverbrauch erzielt. Insbesondere durch eine
drehzahlabhängige
Druckregelung einer Regelölpumpe
entsprechend dem auch drehzahlabhängigen Öldruckbedarf eines Verbrennungsmotors,
die über
die veränderliche
Fördermenge
erfolgt, wird eine erhebliche Absenkung der Ölpumpenantriebsleistung erreicht.
-
Eine
in der Offenlegungsschrift
DE 10237801
A1 beschriebene Regelölpumpe
für einen Verbrennungsmotor
ist als Außenzahnradpumpe
mit einer die Fördermengenverstellung
ausführenden Verschiebeeinheit
ausgebildet, die von einem Regelkolben mit einem die Fördermengenverstellung
steuernden Regeldruck beaufschlagt wird. Infolge einer veränderlichen
Kraftbeaufschlagung des Regelkolbens durch eine Ansteuereinrichtung
kann der Betriebsöldruck
entweder gestuft oder stufenlos dem drehzahlabhängigen Öldruckbedarf des zu schmierenden
Verbrennungsmotors angepasst werden.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der
DE 10237801 A1 zeigt
eine gestufte Umschaltung des Betriebsöldruckes durch ein von einer
wirkenden Fliehkraft betätigtes
Schaltventil. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine stufenlos
veränderliche Öldruckregelung
von eine elektrischen Stelleinrichtung des Regelkolbens mit einer
Ansteuerung vom Steuergerät des
Verbrennungsmotors durchgeführt.
-
Während eine
gestufte Regelung des Betriebsöldruckes
das Verbesserungspotential einer Regelölpumpe nur begrenzt ausnutzt,
erfordert eine stufenlose Öldruckregelung
einen erhöhten
Regelungsaufwand.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Öldruckregelung für eine Regelölpumpe zu schaffen,
die den Betriebsöldruck
dem beispielsweise drehzahlabhängigen Öldruckbedarf
eines Verbrennungsmotors stufenlos anpasst, ohne dass ein elektrischer
Regelungsaufwand erforderlich ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß in einfacher
Weise dadurch gelöst,
dass der Regelkolben einer Regelölpumpe
mit einem Fliehdruck beaufschlagt wird, der in einer ölgefüllten Radialbohrung eines
rotierenden Bauteils, insbesondere in einem Förderrad der Regelölpumpe eines
Verbrennungsmotors, fliehkraftbedingt drehzahlabhängig erzeugt wird.
-
Einzelheiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
in Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
-
1:
eine Außenzahnrad-Regelölpumpe mit
einem im Pumpengehäuse
angeordneten Regelkolben;
-
2:
ein Öldruck-Diagramm
mit dem Öldruckbedarf
eines Verbrennungsmotors und dem Öldruckverlauf einer erfindungsgemäßen Regelölpumpe;
-
3:
eine Außenzahnrad-Regelölpumpe mit
einem in einer Verschiebeeinheit angeordneten Regelkolben;
-
4:
die Außenzahnrad-Regelölpumpe von 3 mit
einer Fördermengenregelung
bei erhöhtem Öldruckbedarf;
-
5:
eine zu 3 alternative Anordnung eines
Regelkolbens in einer Verschiebeeinheit in einem vergrößerten Ausschnitt;
-
Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer bevorzugten Außenzahnrad-Regelölpumpe,
bei der der Regelkolben 1 in einem Pumpengehäuse 2 angeordnet
ist.
-
Eine
in einem Gehäusedeckel 3 gelagerte Antriebswelle 4 steht
in drehfester Verbindung mit einem ersten Förderrad 5, das in
kämmendem
Eingriff mit einem zweiten Förderrad 6 steht.
Das Förderrad 6 ist
auf einem ruhenden Laufbolzen 7 gelagert, der rechtsseitig
von Förderrad 6 einen
Verschiebekolben 8 und linksseitig einen Federkolben 9 trägt. Der
Verbund von Verschiebekolben 8, Laufbolzen 7 mit
Förderrad 6 und
Federkolben 9 wird als Verschiebeeinheit 10 bezeichnet.
Durch eine axiale Verschiebung der Verschiebeeinheit 10 wird
die Eingriffsbreite der miteinander kämmenden Förderzahnräder 5 und 6 variiert
und somit in bekannter Weise die Fördermenge der Regelölpumpe verändert.
-
Die
axiale Verschiebung der Verschiebeeinheit 10 erfolgt in
Abhängigkeit
von den außen
auf sie einwirkenden Kräften.
Während
der Verschiebekolben 8 generell vom in seiner Kammer 11 wirkenden, durch
die Regelölpumpe
erzeugten, hinter einem Ölfilter 29 wirkenden Öldruck beaufschlagt
wird, setzen sich die am Federkolben 9 wirkenden Kräfte aus
der Kraft einer Rückstellfeder 12 und
aus der Druckkraft eines in der Federkammer 13 wirkenden
Regeldruckes zusammen. Der Regeldruck wird vom Regelkolben 1 bedarfsgerecht
erzeugt und über
eine Steuerbohrung 14 in die Federkammer 13 eingespeist.
-
Der
Regelkolben 1 wird an seiner stirnseitigen Wirkfläche 15 über seine
Zentralbohrung mit dem von der Regelölpumpe erzeugten Öldruck beaufschlagt.
Eine dem Öldruck
entgegenwirkende Regelfeder 18 des Regelkolbens 1 ist
für einen
bestimmten Soll-Öldruck
von beispielsweise 1,0 bar ausgelegt. Durch einen Steuerzapfen 19 des
Regelkolbens 1, mit seiner einerseits benachbarten Drucknut 20,
die auch über
die Zentralbohrung die Wirkfläche 15 mit Öldruck beaufschlagt,
und seiner andererseits benachbarten Entlastungsnut 21,
wird in bekannter Weise über
die Steuerbohrung 14 ein entsprechender Regeldruck in die
Federkammer 13 eingeregelt. Dieser Regeldruck stellt schließlich über die axiale
Positionierung der Verschiebeeinheit 10 die zugehörige Fördermenge
zur Erzeugung von in diesem Beispiel 1,0 bar Soll-Öldruck,
der vom Regelkolbens 1 von seiner Wirkfläche 15 sensiert
wird, ein.
-
Auf
eine Öldruckabweichung
vom Soll-Öldruck,
beispielsweise aufgrund einer Drehzahländerung des Verbrennungsmotors,
reagiert der als Öldrucksensor
arbeitende Regelkolben 1 mit einer entsprechenden Axialverschiebung,
so dass der in der Federkammer 13 herrschende Regeldruck
entweder erhöht
oder abgesenkt wird und eine Fördermengenanpassung
zwecks Öldruckkorrektur
auf den Soll-Öldruck
erfolgt.
-
Für eine Veränderung
des Soll-Öldruckes zur
Anpassung an den drehzahlabhängig
veränderlichen Öldruckbedarf
des Verbrennungsmotors wird der Regelkolben 1 mit einer
Zusatzkraft beaufschlagt. Er weist hierfür erfindungsgemäß einen
Differenzdruckkolben 22 auf. Während eine Referenzdruckfläche 23 des
Differenzdruckkolbens 22 über eine Druckverbindung 16 ständig mit
dem in einer Druckkammer 17 von Pumpengehäuse 2 herrschenden Öldruck beaufschlagt
ist, steht eine der Referenzdruckfläche 23 gegenüberliegende
Fliehdruckfläche 24 hydraulisch
mit dem inneren Ende einer Radialbohrung 25 des rotierenden
Förderrades 5 in Druckverbindung.
Das in einem Zahnkopf des rotierenden Förderrades 5 befindliche, äußere Ende
der Radialbohrung 25 wird in der gezeigten Drehwinkelposition
wie die Referenzdruckfläche 23 mit
dem außen
am Förderrad 5 anliegenden Öldruck der
Druckkammer 17 beaufschlagt.
-
Die
Fliehkraftwirkung des Öls
in der Radialbohrung 25 erzeugt einen radial nach außen gerichteten,
drehzahlabhängigen
Fliehdruck, so dass der außen
anliegende Öldruck
am inneren Ende der Radialbohrung 25 um den Fliehdruck
reduziert ist. Der am Differenzdruckkolben 22 des Regelkolbens 1 effektiv
wirksame Fliehdruck übt
auf diesen eine die Regelfeder 18 unterstützende Zusatzkraft
aus, die von der Größe des Differenzdruckkol bens 22 abhängt und
drehzahlabhängig
entsprechend das einzuregelnde Solldruckniveau der Regelölpumpe anhebt.
-
Da
die im rotierenden Förderrad 5 angeordnete
Radialbohrung 25 drehwinkelabhängig auch mit vom Öldruck nicht
beaufschlagten Bereichen des Pumpengehäuses 2 in Kontakt
kommt, beispielsweise mit in der Darstellung nicht sichtbaren Anschlussquerschnitten
einer Saugkammer 26, ist die Druckverbindung zwischen der
Radialbohrung 25 und der Fliehdruckfäche 24 nur über eine
zur Druckkammer 17 gerichtete Querbohrung 27 eines
ruhenden Laufbolzens 28 von Förderrad 5 möglich.
-
Durch
eine höhere
Anzahl von Radialbohrungen in Förderrad 5,
beispielsweise je Förderzahn eine
Radialbohrung 25, kann pro Umdrehung von Förderrad 5 eine
effektivere Fliehdruckwirkung am Differenzdruckkolben 22 erzielt
werden.
-
Die
beiden Druckverbindungen des Differenzdruckkolbens 22 können zur
Vermeidung von verschmutzungsbedingten Funktionsstörungen Filter enthalten,
beispielsweise die Filter 30 und 31.
-
Die 2 zeigt
für einen
Beispielmotor mit einer Ölversorgung
durch die in 1 dargestellte Regelölpumpe ein Öldruck-Diagramm.
Der drehzahlabhängige Öldruckbedarf
pB des Beispielmotors beträgt minimal
1,0 bar bis 2000/min und steigt danach mit zunehmender Drehzahl
parabelförmig
bis auf 3,7 bar bei 6000/min an.
-
Die
Regelfeder 18 des Regelkolbens 1 der Regelölpumpe ist
für einen
bestimmten Basisöldruck p0 ausgelegt, der ohne effektive Fliehdruckwirkung am
Differenzdruckkolben 22 beispielsweise 1,0 bar als Minimalöldruck für den Beispielmotor
beträgt.
-
Der
in der Radialbohrung 25 entstehende Fliehdruck pF steigt wie der Öldruckbedarf parabelförmig mit
der Drehzahl an. Aufgrund der relativ kompakten Abmessungen von
Förderrad 5 erreicht
er jedoch bei einer maximalen Drehzahl von 6000/min nur etwa 0,5
bar. Durch die großen
Wirkflächen
des Differenzdruckkolbens 22 mit entsprechendem Verstärkungsfaktor
V bewirkt der in der Radialbohrung 25 erzeugte, nur kleine
Fliehdruck pF jedoch eine ausreichend hohe,
auf den Regelkolben 1 wirkende Zusatzkraft. Diese die Kraft
der Regelfeder 18 unterstützende Zusatzkraft des Differenzdruckkolbens 22 stellt schließlich den
in 2 gezeigten, drehzahlabhängig geregelten Betriebsöldruck p
des Beispielmotors ein.
-
In 3 ist
eine weitere Ausführung
einer erfindungsgemäßen Außenzahnrad-Regelölpumpe dargestellt,
bei der ein Regelkolben 40 im Gegensatz zu 1 nicht
in einem Pumpengehäuse 41,
sondern innerhalb einer Verschiebeeinheit 42 angeordnet
ist.
-
Ein
auf einer Antriebswelle 43 fixiertes Förderrad 44 steht mit
einem Förderrad 45 in
Zahneingriff, das eine hier schräg
ausgeführte
Radialbohrung 46 aufweist. Das Förderrad 45 ist auf
einem Laufbolzen 47 gelagert, der einteilig mit einem Verschiebekolben 48 ausgebildet
ist. Mit einem auf den Laufbolzen 47 aufgepressten Federkolben 49 wird
die Verschiebeeinheit 42 zusammengehalten.
-
Der
Laufbolzen 47 ist in diesem Ausführungsbeispiel hohl ausgebildet,
um den Regelkolben 40 aufnehmen zu können. Der Regelkolben 40 besteht
im Wesentlichen, wie der Regelkolben 1 von 1,
zum einen zur Erzeugung eines Regeldruckes aus einem Steuerzapfen 50 mit
einer Drucknut 51 und einer Entlastungsnut 52,
zum anderen aus einem innerhalb des Verschiebekolbens 48 angeordneten Differenzdruckkolben 53.
-
Der
in der Kammer 11 anliegende Öldruck wirkt an einer Wirkfläche 54 des
Regelkolbens 40 gegen eine auf den Differenzdruckkolben 53 lastende Regelfeder 55. Über eine
Längsbohrung 56 wirkt
der Öldruck
auch in der Drucknut 51.
-
Eine
Fliehdruckfläche 58 des
Differenzdruckkolbens 53 steht über eine weitere Längsbohrung 59 und über eine
gerichtete Querbohrung 60 von Laufbolzen 47 in
der gezeigten Drehwinkelposition von Förderrad 45 mit dem
inneren Ende der Radialbohrung 46 in Kontakt.
-
Im
Gegensatz zu Förderrad 5 von 1 endet
die nun schräge
Radialbohrung 46 an der Seitenfläche eines Zahnkopfes von Förderrad 45,
um in der in 3 gezeigten Drehwinkelposition über eine Zahnlücke von
Förderrad 44 aus
einer Drucktasche 61, die in nicht dargestellter Druckverbindung
mit der Druckkammer 17 steht, mit Öldruck beaufschlagt zu werden.
Die Drucktasche 61 steht weiterhin über eine Bohrung im Verschiebekolben 48 mit
einer Referenzdruckfläche 57 des
Differenzdruckkolbens 53 in ständiger Druckverbindung.
-
Die
Entlastungsnut 52 steht zum einen über eine Saugtasche 62 mit
dem Saugraum 26 und zum anderen über eine dritte Längsbohrung 63 mit
einer weiteren Wirkfläche 64 des
Regelkolbens 40 in Verbindung.
-
Die
Funktion von Regelkolben 40 entspricht der von Regelkolben 1 in 1.
Der Regeldruck wird grundsätzlich
durch den an der Wirkfläche 54 anliegenden Öldruck und
der entgegenwirkenden Regelfeder 55 geregelt. Er wird über die
axiale Positionierung des Steuerzapfens 50 gegenüber der
im Laufbolzen 47 angeordneten Steuerbohrung 65 erzeugt und über eine
Verbindungsbohrung 66 des Federkolbens 49 in die
Federkammer 13 der Rückstellfeder 12 eingespeist.
Als zusätzliche
Regelkraft wirkt die erfindungsgemäß effektiv am Differenzdruckkolben 53 wirkende
Fliehdruckkraft, die wie in 1 mit steigender
Drehzahl über
die Regeldruckerhöhung
in der Federkammer 13 eine Zunahme der Ölfördermenge und damit einen Anstieg
des auch in der Kammer 11 wirkenden Öldruckes hervorruft.
-
Da
die erfindungsgemäße Öldruckregelung der
Regelölpumpe
insbesondere im unteren Drehzahlbereich verbrauchsvorteilhaft einen
niedrigen Öldruck
einregelt, können
bei Nutzung des Öldruckes für hydraulische
Schaltvorrichtungen des Verbrennungsmotors, beispielsweise für einen
Nockenwellenversteller, bei niedrigem Öldruck Funktionsnachteile entstehen.
Hydraulische Schaltvorrichtungen arbeiten jedoch meist nur zeitlich
begrenzt, so dass derartige Funktionsnachteile durch eine kurzfristige Anhebung
des Öldruckes über einen
entsprechenden Eingriff in die Regelfunktion der Regelölpumpe vermieden
werden können.
-
Hierzu
zeigt die 3 weiterhin eine zusätzliche
Einrichtung zur Anhebung des Öldruckes
bei zeitlich erhöhtem Öldruckbedarf
des zu versorgenden Verbrennungsmotors, bei der ein von einer elektrischen
Motorsteuerung aktiviertes Magnetventil 70 Öldruck über eine
Verbindung 71 in die Federkammer 13 einspeist.
Durch den dann beidseitig an der Verschiebeeinheit 42 wirkenden Öldruck wird
diese von der Rückstellfeder 12 in
die rechte Anschlagposition verschoben, sodass die Förderzahnräder 44 und 45 vollständig in
Eingriff stehen und eine maximale Ölfördermenge zwecks Öldruckanhebung
gefördert
wird. Eine nun erforderliche Begrenzung des Öldruckes kann ein herkömmliches
Bypassventil 72 vornehmen, dass beispielsweise für 5 bar Öldruck ausgelegt
ist und auch die Funktion eines Sicherheitsventils bei einer Störung der Ölpumpenregelung übernehmen
kann. Die Regelölpumpe
würde in
dieser zeitlich begrenzten Betriebsweise wie eine herkömmliche
Konstantpumpe mit Bypassregelung ohne Antriebsleistungsvorteile
arbeiten.
-
Die 4 zeigt
eine erweiterte Ausführungsform
der Regelölpumpe
von 3, die bei einem länger andauernden, erhöhten Öldruckbedarf
des Verbrennungsmotors den Öldruck
zwar auch durch die Ansteuerung des Magnetventils 70 auf
ein höheres Öldruckniveau
anhebt, dabei jedoch nicht auf die vorteilhafte Fördermengenregelung
verzichtet. Hierzu weist ein Pumpengehäuse 73 ein Überdruckventil 74 zur
Begrenzung des Druckes in der Federkammer 13 auf. Bei einer
erforderlichen Öldruckanhebung
mit einer Einspeisung von Öldruck
in die Federkammer 13 durch das Magnetventil 70 wird
der Öldruck
dann beispielsweise ab 4 bar in Federkammer 13 begrenzt. Hieraus
resultiert abhängig
von der Kraft der Rückstellfeder 12 eine
Verschiebung der Verschiebeeinheit 42, beispielsweise ab
5 bar Öldruck
in der Kammer 11, so dass die Regelölpumpe bei nun jedoch auf 5
bar erhöhtem Öldruck wieder
einer Fördermengenvariation
vornimmt.
-
Um
den vom Magnetventil 70 zufließenden und über das Überdruckventil 74 abströmenden Ölverlust
gering zu halten, weist die Verbindung 71 zwischen dem
Magnetventil 70 und der Federkammer 13 eine Drossel 75 auf.
Da eine im Pumpengehäuse 73 fixierte
Drossel bei einer durch das Magnetventil 70 bewirkten Öldruckeinspeisung
in die Federkammer 13 eine schnelle Fördermengenanhebung verhindern
würde,
ist die Drossel 75 in einem beweglichen Drosselkolben 76 angeordnet,
der sich über eine
schwache Kolbenfeder 77 in einer Federkammer 78 des
Pumpengehäuses 73 abstützt. Eine plötzliche
Beaufschlagung des Drosselkolbens 76 durch das Magnetventil 70 mit Öldruck bewirkt
seine Verschiebung, wobei das in der Federkammer 78 befindliche Öl ungedrosselt
in die Federkammer 13 einströmt und eine schnelle Fördermengenanhebung ermöglicht.
Bei Anschlag des Drosselkolbens 76 am Pumpengehäuse 73 mindert
die Drossel 75 dann den Ölfluss, so dass der Ölverlust
des den Druck in der Federkammer 13 begrenzenden Überdruckventils 74 reduziert
ist.
-
Der
vom erhöhten Öldruck in
Kammer 11 beaufschlagte Regelkolben 40, der in 4 ungeschnitten
dargestellt ist, geht bei dieser Betriebsweise mit erhöhtem Öldruck in
seine linke Anschlagposition, wobei er ohne Regelfunktion über seine
Entlastungsnut 52 eine Teilölmenge aus der Federkammer 13 parallel
zum Überdruckventil 74 abströmen lässt.
-
Die 5 zeigt
eine alternativ zu 3 ausgebildete Verschiebeeinheit 80 in
einem vergrößerten Ausschnitt.
Ein in der Verschiebeeinheit 80 angeordneter Regelkolben 81 weist
einen Differenzdruckkolben 82 auf, der von einem Federkolben 83 der Verschiebeeinheit 80 aufgenommen
wird.
-
Da
der Federkolben 83 rund ausgebildet ist und keine Ausnehmung
für eine
Umschließung
von Förderrad 44 wie
der Verschiebekolben 84 aufweist, kann der Differenzdruckkolben 82 mit
einem größeren Durchmesser
ausgeführt
werden als der Differenzdruckkolben 53 im Ausführungsbeispiel
gemäß 3.
Aus den resultierend größeren Wirkflächen des
Differenzdruckkolbens 82 erzeugt der begrenzte Fliehdruck
eine erhöhte
Zusatzkraft für
die erfindungsgemäß drehzahlabhängige Öldruckregelung.
-
Der
Differenzdruckkolben 82 weist in diesem Ausführungsbeispiel
zwei verschieden große
Wirkflächen
auf, eine große
Fliehdruckfläche 85 und
eine kleinere, vom Öldruck
beaufschlagte Referenzdruckfläche 86.
Hierdurch benötigt
der Regelkolben 81 keine stirnseitige Wirkfläche für den Öldruck,
wie beispielsweise in 3 der Regelkolben 53 mit
der stirnseitigen Wirkfläche 54,
die bei Regelkolben 81 effektiv durch die gegenüber der
Fliehdruckfläche 85 entsprechend
kleinere Referenzdruckfläche 86 kompensiert
worden ist.
-
Während der
in der Radialbohrung 46 von Förderrad 45, das gegenüber 3 seitengedreht eingebaut
ist, erzeugte Fliehdruck über
eine Querbohrung 88 eines einteilig mit dem Federkolben 83 ausgeführten Laufbolzens 89 und über einen
Ringbereich 90 des Regel kolbens 81 auf die Fliehdruckfläche 85 gelangt,
wird der an der Referenzdruckfläche 86 erforderliche Öldruck aus
einer Drucktasche 91 des Federkolbens 83 über eine
Bohrungsverbindung 92 eingespeist.
-
Der
Regelkolben 81 ist beidseitig durch eine Zentralbohrung 93 mit
dem in der Federkammer 13 herrschenden Regeldruck beaufschlagt,
wobei ein auf den Regelkolben 81 aufgepresster Ringkolben 94 für beidseitig
gleiche Wirkflächen
sorgt. Seine Regelfeder 94 stützt sich in einer topfartigen
Ausführung
eines Verschlussdeckels 95 ab.
-
Der
Regeldruck wird über
eine Bohrung 96 einer Steuernut 97 in die Zentralbohrung 93 und
damit in die Federkammer 13 eingespeist. Die Steuernut 97 stellt
in bekannter Weise abhängig
von der Axialposition des Regelkolbens 81 den erforderlichen Regeldruck
aus dem in einer Druckbohrung 98 herrschenden Öldruck bzw.
aus dem in einer Entlastungsbohrung 99 herrschenden Saugdruck
bereit. Die Druckbohrung 98 steht mit der öldruckbeaufschlagten
Kammer 11 und die Entlastungsbohrung 99 mit dem
Saugraum 26 in Druckverbindung.
-
Die
erfindungsgemäße Regeleinrichtung nutzt
auf einfache Weise den in ölgefüllten Radialbohrungen
von rotierenden Bauteilen fliehkraftbedingt entstehenden Fliehdruck
zur drehzahlabhängigen Öldruckregelung
von Regelölpumpen.
Hierdurch wird ohne elektrischen Zusatzaufwand für Verbrennungsmotoren eine
verbrauchsvorteilhafte Reduzierung der Ölpumpenantriebsleistung erreicht.