DE4437076C2

DE4437076C2 - Ventilsteuerung mit sauggeregelter Zahnringpumpe

Info

Publication number: DE4437076C2
Application number: DE19944437076
Authority: DE
Inventors: Siegfried A Dipl Ing Eisenmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2014-10-18
Also published as: DE4437076A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der US 5,247,914 A ist ein Steuerungssystem für Einlaß- bzw. Auslaßventile eines Verbrennungsmotors bekannt. Das Steuerungssystem arbeitet mit zwei Pumpen, einer Hauptölpumpe und einer Zusatzpumpe, die als Zahnringpumpe ausgebildet sein kann. Die Zusatzpumpe liefert den notwendigen höheren Öldruck bei niedrigen Drehzahlen und hoher Motorlast. Nachteiligerweise ist dieses System mit hohem Konstuktions- und Regelungsaufwand verbunden.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die mit geringem Regelungsaufwand und mit einfacher Konstruktion eine gut an den jeweiligen Bedarf angepaßte Versorgung mit Arbeitsfluid ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor wird nach der Erfindung mit einer sauggeregelten Zahnringpumpe ausgestattet. Solche sauggeregelten Zahnring pumpen sind beispielsweise aus der DE 42 09 143 C1 und der DE 43 30 586 A1 bekannt, die jeweils besondere Ausgestaltungen zur Verbesserung des Pumpen wirkungsgrades sowie zur Vermeidung von Kavitationsgeräuschen bzw. -schädigun gen beschreiben.

Obwohl es schon wegen der grundsätzlich anders gearteten Funktion nicht möglich wäre, die Zahnringpumpe, die als Zusatzpumpe aus der US 5,247,914 A bekannt ist, durch eine sauggeregelte Zahnringpumpe nach den obigen deutschen Druckschriften zu ersetzen, sind die Pumpen gemäß der DE 42 09 143 C1 und der DE 43 30 586 A1 im Rahmen der vorliegenden Erfindung als durchaus geeignet zur Verwendung bei der Ventilsteuerung anzusehen. Die in den beiden obigen deutschen Schriften beschriebenen Merkmale und Ausgestaltungen der sauggeregelten Zahnringpumpen können deshalb auch bei der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung Anwendung finden.

Eine für die Zwecke der Erfindung verwendete sauggeregelte Zahnringpumpe, die einen Dichtsteg mit mehreren sich von einem Einlaß für Arbeitsflüssigkeit zu einem Pumpenauslaß hin verkleinernden Förderzellen, den sog. Druckzellen, aufweisen kann, hat bereits von Hause aus eine drehzahlabhängige Förderkennlinie, die im wesentlichen dem Bedarf der Ventilsteuerung entspricht. In ihrem unteren Drehzahlbereich weist solch eine Pumpe einen steilen Anstieg der Fördermenge auf, um alle Verbraucher sofort ausreichend mit Öl versorgen zu können. Die Förderkurve flacht im oberen Drehzahlbereich ab bzw. ist dort im wesentlichen konstant, was dem tatsächlichen Bedarf einer Ventilsteuerung entspricht. So kann die hydraulische Verlustleistung reduziert werden. Bei entsprechender konstruktiver Ausführung der Pumpe kann auf die nach dem Stand der Technik notwendigen teuren Druckregelventile verzichtet werden. Einfache Sicherheitsventile reichen aus, um besonders empfindliche Verbraucher bei Kaltstart des Motors vor Überdruck zu schützen. Durch die Anpassung der Fördermenge an den Bedarf wird neben einer hydrostatischen Leistungseinsparung noch eine Einsparung bei den Bauelementen im Pumpenförderkreis erzielt.

Vorteilhafterweise kommt eine sauggeregelte Zahnringpumpe als Förderpumpe für eine Nockenwellenverstellung zur Anwendung. Eine andere bevorzugte Verwendung ist die Verwendung als Förderpumpe für eine Ventilhubverstellung. Des weiteren kann solch eine Pumpe mit Vorteil für die Zu- oder Abschaltung von Zylindern verwendet werden. Eine Kombination solcher Ventilsteuerarten kann ebenso vorteilhaft durch solch eine sauggeregelte Zahnringpumpe versorgt werden. Bei entsprechender Dimensionierung kann die erfindungsgemaß zum Zwecke der Ventilsteuerung verwendete Pumpe zusätzlich den Motor mit Schmieröl versorgen. Das Schmier- bzw. Motoröl dient dabei gleichzeitig auch als Arbeitsöl für die Stellmittel der Ventilsteuerung.

Bevorzugterweise weist die Pumpe einsaugseitig eine Drosselung auf, die veränder bar ist, um die Fördercharakteristik der Pumpe noch besser an den Bedarf der Verbraucher anpassen zu können. So kann bereits mit einer mehrstufigen Drosselung eine Pumpe mit einer mehrstufigen Förderkennlinie, deren Stufenanzahl der Anzahl der Drosselstufen entspricht, bereitgestellt werden. Als Drosselelemente kommen einfache Blenden oder Drosseln, aber auch Regelventile in Frage. Eine kontinuierli che Verstellbarkeit der Drosselung kann mit Vorteil ebenfalls zur Anwendung kommen, um Pumpen einer Pumpengröße unterschiedlichen Anforderungen flexibel vor Ort anpassen zu können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Arbeitsölbedarfs einer Ventilsteuerung;

Fig. 2 eine sauggeregelte Zahnringpumpe mit Drosselblende im Einlaßkanal; und

Fig. 3 die Förderkennlinie der sauggeregelten Zahnringpumpe nach Fig. 2.

In Fig. 1 sind ein Volumenstrom _p einer üblichen Pumpe und ein Volumen strombedarf einer Ventilsteuerung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl D_M dargestellt. Der Volumenstrombedarf der Ventilsteuerung steigt zunächst bis zu einer Motordrehzahl D1_M an, bleibt in dem sich daran anschließenden Drehzahl bereich zwischen D1_M und D2_M im wesentlichen konstant, steigt ein zweites Mal von der Drehzahl D2_M bis zu einer Motordrehzahl D3_M wieder an, um danach bei weiter wachsenden Motordrehzahlen im wesentlichen bei dem bei D3_M erreichten Wert zu verharren.

Fig. 2 zeigt eine sauggeregelte Zahnringpumpe 100, die aufgrund der Saugregelung bereits eine Förderkennlinie aufweist, die dem Volumenstrombedarf einer Ventilsteuerung angepaßt ist. Die Förderkennlinie der sauggeregelten Zahnringpum pe nach Fig. 2, nämlich deren über der Pumpendrehzahl aufgetragenen Volumen strom _P, der auch durch den Pumpenförderdruck ersetzt gedacht werden kann, ist in Fig. 3 dargestellt. Danach flacht oder knickt der von der Pumpe geförderte Volumenstrom _P ab einer konstruktiv festlegbaren oder auch während des Betriebs einstellbaren Grenzdrehzahl D_g, dem sogenannten Abregelpunkt, ab und bleibt trotz weiter steigender Pumpendrehzahl D_P danach im wesentlichen konstant.

Durch eine Drosselblende 14 im Saugrohr oder Einlaßkanal 12 der Pumpe 100 wird die Ölmenge im Abregelpunkt D_g begrenzt. Es stellt sich eine kritische Strömungs geschwindigkeit an der Drosselblende 14 ein, und die angesaugte und geförderte Ölmenge bleibt trotz einer weiteren Drehzahlzunahme ab dem Abregelpunkt D_g im wesentlichen konstant. Durch die einsaugseitige Drosselung ergibt sich nach der Blende 14 ein starker Unterdruck, der geringer ist als der Dampfdruck des Öls. Das Öl beginnt zu sieden und verdampft. Bei einer Rotation eines innen verzahnten Hohlrads 2 und eines damit in Eingriff stehenden Ritzels 4 oberhalb des Abregel punktes D_g füllen sich die Zahnkammern 13 über einen in das Pumpeninnere mündenden Einlaß, der sog. Saugniere 11, mit einem Öl-Gasgemisch. Bei einer herkömmlichen Zahnringpumpe ist der Dichtsteg (α) zwischen der Saugniere 11 und einem Pumpenauslaß, der sog. Druckniere 20, klein. Würde eine solche Pumpe Verwendung finden, würde das unter geringem Druck stehende Zahnvolumen plötzlich druckbeaufschlagt. Das "Hochdrucköl" würde in den "Niederdruckbereich" eindringen und die Gasblasen würden schlagartig vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Aggregatszustand überwechseln, d. h. sie würden implodieren. Dieses unter dem Begriff "Kavitation" bekannte Phänomen verursacht Geräusche und Schäden an der Pumpe. Um dies zu vermeiden, weist die sauggeregelte Zahnringpumpe einen langen Dichtsteg zwischen der Saugniere 11 und der Druckniere 20 auf. Der Dichtsteg sollte einen Winkel von mindestens 45°, vorzugsweise mindestens 90°, überdecken. Das Öl/Gas-Gemisch wird dadurch bei maximalem Zahnkammervolu men und nach Saugende und anschließender Volumenverkleinerung durch Drehung der Pumpe langsam und nicht schlagartig komprimiert. Das Gas kann in den den Dichtsteg bildenden Druckzellen 17 einen kontrollierten Aggregatzustandswechsel durchlaufen und in den flüssigen Zustand übergehen, bevor das Zahnkammervolumen in die Druckniere 20 entleert wird.

Im unteren Pumpendrehzahlbereich vor dem Abregelpunkt D_g sind die entlang des Dichtstegs zwischen der Saugniere 11 und der Druckniere 20 liegenden Zahnkam mern 17 zu 100% mit Öl gefüllt. Ausgehend vom maximalen Zahnkammervolumen wird bei Drehung des Radsatzes 2, 4 die Saugnierenkante überschnitten, das Zahnkammervolumen wird abgetrennt und bei weiterer Drehung durch Volumenver kleinerung druckbeaufschlagt. Nun treten Kugelventile 21 in Funktion, die im äußeren Hohlrad 2 in Überströmkanälen 128 angeordnet sind und wie Rück schlagventile wirken. Steigt der Druck in einer Zahnkammer 17, so wird das nachlaufende Ventil 21 gegenüber der als Saugraum wirkenden Saugniere 11 geschlossen, das vorlaufende Ventil 21 gegenüber der als Druckraum wirkenden Druckniere 20 geöffnet. Das Öl strömt über den dadurch gebildeten Bypasskanal in die nächste Zahnkammer. Da auch dort bei Drehung der Druck erhöht wird, strömt das Öl in die dann folgende Zahnkammer und so fort, bis es in die Druckniere 20 gelangt. Es konnte durch Messung nachgewiesen werden, daß diese Pumpe keine Kavitation erzeugt. Das Öl kann zwar Gasblasen bilden, sie implodieren aber nicht, sondern gehen langsam und kontrolliert in den flüssigen Zustand über.

Bei einer einsaugseitig zu einem Abregelpunkt D_g hin gedrosselten und wie vorstehend beschrieben ausgebildeten Zahnringpumpe kann somit, wie in Fig. 3 dargestellt, bei entsprechender Dimensionierung der Pumpe der gewünschte steile Anstieg des geförderten Ölvolumenstroms _P bei niedriger Pumpendrehzahl erreicht werden. Trotz des sich bei steigender Pumpendrehzahl D_P bildenden Öl/Gas- Gemisches im Dichtsteg zwischen Saugniere 11 und Druckniere 20 bleibt die Leistungsaufnahme der Pumpe bei dann im wesentlichen konstantem Volumenstrom _P vergleichsweise gering. Bei Verwendung solch einer Pumpe im Versorgungskreis einer Ventilsteuerung muß wenig oder gar kein überschüssig gefördertes Öl in einen Sumpf abgleitet werden. Auf den Einsatz teurer Druckregelventile kann ebenfalls verzichtet werden. Es sind allenfalls billige Druckbegrenzungsventile notwendig. Die Leistungsersparnis entspricht gegenüber den herkömmlicherweise verwendeten Pumpen in etwa dem Volumenstromdreieck oberhalb des Abregelpunktes D_g, d. h. in etwa der oberen, dunkel dargestellten Dreiecksfläche in Fig. 3.

Claims

1. Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors

a) mit einem hydraulisch betätigbaren Stellmittel zum motor drehzahlabhängigen Verstellen eines Ventilsteuermittels und
b) mit einer vom Verbrennungsmotor angetriebenen Zahnringpumpe (100) zur Versorgung des Stellmittels mit Arbeitsflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß
c) die Zahnringpumpe (100) sauggeregelt ist.

2. Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsteuermittel eine Nockenwelle ist, deren Phasenlage zur Steuerung von Überlappungszeiten von Ein- und Auslaßventilen veränderbar ist.

3. Ventilsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnringpumpe (100) ein Stellmittel zur Veränderung eines Ventilhubs mit Arbeitsflüssigkeit versorgt.

4. Ventilsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnringpumpe (100) ein Stellmittel mit Arbeits flüssigkeit versorgt, um einen Zylinder des Verbrennungsmotors zu- oder abzuschalten.

5. Ventilsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine einsaugseitige Drosselung (14) der Pumpe (100) veränderbar ist, um die Förderkennlinie der Pumpe dem Bedarf der Ventilsteuerung anpassen zu können.

6. Ventilsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselung (14) stufig, insbesondere zweistufig, ausgebildet ist.