EP3382169A1 - Ölpumpe mit elektrisch verstellbarer verdrängung - Google Patents

Ölpumpe mit elektrisch verstellbarer verdrängung Download PDF

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EP3382169A1
EP3382169A1 EP18161130.2A EP18161130A EP3382169A1 EP 3382169 A1 EP3382169 A1 EP 3382169A1 EP 18161130 A EP18161130 A EP 18161130A EP 3382169 A1 EP3382169 A1 EP 3382169A1
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EP
European Patent Office
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dielectric
axis
actuator
pump
rotation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18161130.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Olivier Marie Heri Charvet
Istvan Denes
Klaus Kuhnen
Gabriele Michalke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
VHIT SpA
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
VHIT SpA
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, VHIT SpA filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to oil pumps for the lubricant supply of internal combustion engines, in which the displacement is decoupled from the rotational speed of the drive source.
  • the speed of the vane pump is generally rigidly coupled to the engine speed. In the oil circuit of the engine, however, a predetermined oil pressure is required regardless of the engine speed. In order to decouple the displacement of the vane pump, and thus also the generated oil pressure from the engine speed, the ratio between the displacement and the engine speed is changed.
  • the oil pressure may be controlled purely hydraulically to a desired value by mechanically contrasting a spring force in such a way that the oil pressure in a control chamber tends to reduce said offset, while the spring force increases the offset, and thus the displacement.
  • a variable displacement vane pump comprises a housing having an inlet and an outlet, a rotor drivable for rotation about a rotation axis, and a plurality of vanes coupled to the rotor. Furthermore, a limiter ring is provided, with which the wings are engaged, so that they form a plurality of pumping chambers together with the limiter ring. These pumping chambers are alternately engageable with the inlet and the outlet as the vanes move through the rotor, with the change in volume experienced by the pumping chambers as the vanes move being dependent on the offset d between the symmetry axis of the limiter ring and the axis of rotation of the rotor ,
  • the limiter ring is coupled to at least one linear actuator.
  • This actuator is designed, upon application of an electrical voltage U, and / or with an electric current I, a force Fs, and / or a torque ms, to exert on the limiting ring, and thus the offset d between the axis of symmetry and the axis of rotation to change.
  • the applied force Fs or the applied torque ms
  • the oil pressure p is so far no longer available as an auxiliary power source.
  • the linear actuator is to be dimensioned larger in relation to the displacement and the exerted force.
  • the energy required for engagement in the displacement is no longer based on the mechanical energy supplied by the engine and stored in the oil pressure, but on the electrical system, which makes the detour via the alternator necessary and tends to reduce the efficiency.
  • the displacement By adjusting the displacement by electrical means, it is in particular possible to regulate the oil pressure p depending on the operating point of the internal combustion engine to any desired values, for example in the range between 1 and 4 bar, with the required accuracy of ⁇ 0.25 bar.
  • the electrical intervention in the displacement is possible with a significantly greater slope than a hydraulic engagement, in particular when the current oil pressure p is low. For example, a change from the lowest to the highest setpoint can be initiated within 0.7 s to 1 s.
  • the oil pump is easier and more compact to build, since effective areas and lines for the hydraulic feedback of the current oil pressure p can be omitted.
  • the oil pump is relevant for operational safety, as a shortage of oil can cause engine damage in a short time. Therefore, advantageously, the limiter ring is biased by a spring, which increases the offset d between the axis of symmetry of the limiter ring and the axis of rotation of the rotor, and thus the displacement per revolution of the rotor.
  • the spring is effective even in case of power failure. Thus, in the event of a fault, a displacement occurs, which may be unnecessarily high and consumes a lot of energy, but ensures reliable lubrication of the engine.
  • a safety circuit which transfers the actuator in case of failure of the electrical supply in a position corresponding to a higher offset d. Since steady state operation of the engine at an operating point does not require the oil pressure p to be changed permanently, it is advantageous in terms of energy consumption to use an actuator that maintains its current state even without permanently applying a voltage U or a current I. The flip side of this is that in case of failure, the spring used for the bias must overcome the holding force of the actuator, so that, for example, even with a sudden increase in load request to the engine sufficient oil is pumped. The safety circuit closes this gap.
  • the limiter ring is articulated in the housing at a pivot point. Then the force arm, with which the actuator, or the spring acts on the limiter ring, another degree of freedom for sizing.
  • the actuator is designed to change when exposed to the voltage U, and / or with the current I, its length L.
  • a piezoelectric element may be used.
  • Such an element has only a relatively small change in length with respect to the applied electric field, but the displacement can be increased, for example, with an inertial drive or an inchworm motor.
  • the actuator comprises at least one capacitor with two electrodes and an elastic dielectric disposed between the electrodes.
  • the electrodes may extend substantially in a plane. Storing charges in such a capacitor causes the oppositely charged electrodes to attract with a Maxwell force F M. This Maxwell force F M compresses the dielectric so that the capacitor as a whole contracts like a muscle. This condition is maintained even when the power source is removed. Only when the charge has drained from the electrodes, the elastic restoring force of the dielectric pushes the capacitor back to its original shape. In the context of the invention, this means that electrical energy must be expended only for a change in the displacement of the vane pump, but not for the mere maintenance of the current state.
  • the dielectric is an elastomer. Then, the compression of the dielectric by the Maxwell force is completely reversible, that is, the dielectric returns to its original shape. Over the lifetime of the oil pump, approximately 2 million cycles between the lowest and highest displacement are expected.
  • the elastomer has the lowest possible viscoelastic damping. This damping leads to mechanical energy losses and to a heating of the capacitor.
  • the capacitor may in particular be formed as a dielectric electro-active polymer, DEAP, in which the dielectric is fixedly coupled to two electrodes which can be stretched with the dielectric.
  • DEAP dielectric electro-active polymer
  • the dielectric may be coated on both sides with the electrodes.
  • the electrodes are stretchable with the dielectric, the applied between the electrodes electric field still affects the entire Dielectric, if this expands.
  • the compression of the dielectric is in some way a self-reinforcing effect: as the distance between the electrodes decreases, the same amount of charge on the electrodes increases the electric field, which is inversely proportional to the distance. This increases the Maxwell force F M and further compresses the dielectric. This cycle ends only when the Maxwell force F M and the elastic restoring force of the elastomer balance each other. For example, the dielectric can be compressed to 30% of its original thickness.
  • the dielectric has a dielectric constant ⁇ of 2 or more, preferably 3 or more.
  • ⁇ is also a measure of how well the dielectric is insulating, i.e., how long it takes for the capacitor to self-discharge and charges to be externally fed in order for the actuator to maintain its current state.
  • the actuator has a stack of several capacitors, wherein in each capacitor, the dielectric in the discharged state of the capacitor has a thickness of 100 microns or less.
  • the Maxwell force F M depends quadratically on the electric field strength, which in turn is inversely proportional to the thickness of the dielectric. By dividing the dielectric into many thin layers, the usable Maxwell force F M can be increased disproportionately.
  • the actuator has an electrically driven motor and means for translating the rotation of the motor in a linear movement.
  • the motor can drive a screw or a rack, which in turn engages the restrictor ring.
  • the vane pump 1 comprises a housing 2, in which a rotor 3 is rotatably mounted about an axis of rotation 30.
  • the connection to the internal combustion engine as a drive source is in FIG. 1 not shown.
  • the rotor 3 has slots 31-38 in which the wings 41-48 are guided. Springs 31a-38a push the wings 41-48 against the inner circumference of the limiter ring 5. As a result, pumping chambers 51-58 form.
  • the pumping chambers 51-58 have different volumes.
  • one of the pumping chambers 51-58 passes the inlet 21 of the vane pump 1, its volume becomes maximum, so that oil is sucked into this pumping chamber 51-58. If this pumping chamber 51-58 then moves in the direction of the outlet 22, the volume of this pumping chamber 51-58 steadily decreases, ie the oil contained therein is pressurized.
  • the reason for this is that the symmetry axis 50 of the limiter ring 5 is displaced by an offset d with respect to the axis of rotation 30 of the rotor. If the axis of symmetry 50 and the axis of rotation 30 were congruent, the volume of the pumping chambers 51-58 would no longer change, and at most it would still convey a minimal amount of oil.
  • the limiter ring 5 can be moved to the right on the jaws 23 and 24, which correspond to the position of the limiter ring 5, in which its axis of symmetry 50 is congruent with the axis of rotation 30 of the rotor 3.
  • the actuator 6 is driven with a voltage U from the voltage source 65 and shortens its length L, whereby a force Fs is exerted on the limiter ring 5.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a capacitor 61, which can be used in an actuator 6 for power application.
  • the capacitor 61 is connected via a switch 64 to the voltage source 65.
  • the capacitor 61 consists of two electrodes 62a and 62b with an elastic dielectric 63 interposed therebetween.
  • the switch 64 is open. There is no charge on the electrodes 62a and 62b of the capacitor 61. Accordingly, the dielectric 63 is in the normal force-free state.
  • the switch 64 is closed.
  • the voltage U from the voltage source 65 is applied between the electrodes 62a and 62b of the capacitor 61. Accordingly, the electrodes 62a and 62b pull with the Maxwell force F M. By this force F M , the dielectric 63 is compressed.
  • the electrodes 62a and 62b are at a minimum distance from each other. Since the electrodes 62a and 62b are fixed to the dielectric 63 coupled, they expand laterally together with the dielectric 63.
  • FIG. 2c shows a safety circuit 67, with which the capacitor 67 can be discharged automatically when the voltage source 65 fails.
  • a change-over switch 66 is connected to the voltage source 65 via a control line. This switches the switch 66 against the restoring force of a spring 66a in the in Figure 2c shown switching position in which the electrode 62 a of the capacitor 61 is connected to the output of the switch 64.
  • the capacitor 61 can therefore be charged and compressed by closing the switch 64, and this state then remains even after the opening of the switch 64 is obtained.
  • the spring 66a pushes the switch 66 into the in Figure 2c not shown switching position in which the capacitor 61 is short-circuited via the discharge resistor 67a.
  • the capacitor 61 then returns to its original state.
  • the actuator 6 expands back to its original length L.
  • the spring 7 can convert the restrictor ring 5 back to the state of maximum offset d without being prevented from doing so by the actuator 6.
  • the discharge resistor 67a should be dimensioned such that the maximum discharge current of the capacitor 61 is limited to a value that does not yet result in damage to the electrodes 62a and 62b, and / or the dielectric 63. Such damage could be caused, for example, by the fact that electrodes 62a and 62b applied as thin layers to the dielectric 63 strongly heat up at a high discharge current.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the actuator 6.
  • an electric motor 68 drives a gear 69a, which engages in a rack 69b.
  • the gear 69a and the rack 69b form the means 69 for translating a rotational movement of the electric motor 68 in a linear movement of the limiter ring fifth
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a vane pump 1.
  • the restrictor ring 5 is articulated at a point 27 in the housing 2 here.
  • This constraint condition converts the forces F F and Fs introduced by the spring 7 on the one hand and by the actuator 6 on the other hand into torques m F and ms, respectively.
  • the deflection as a displacement of the lever 59, at which the spring 7 and the actuator 6 attack each with the lever arm rs approximate.
  • the most important parameters for the specific dimensioning are the stiffness C P of the spring 7, the elastic Young's modulus Y S and the dielectric constant ⁇ of the dielectric 63 contained in the DEAP capacitor 61, the cross-sectional area As and edge length bs of the dielectric 63 and the bias voltages x P and X S of the spring 7 and the dielectric 63rd
  • FIG. 5 shows an embodiment of a voltage source 65 for feeding the capacitor 61 in the actuator 6 from the electrical system 8 of a motor vehicle.
  • the electrical system 8 carries the voltage Uv of typically 12 V, in commercial vehicles also 24 V.
  • a voltage U S of typically about 400 V is required. It is technically possible to bridge such a large voltage difference with a simple switching power supply, but the system dynamics are poor.
  • the voltage U V of the electrical system 8 is first raised with a first switching power supply 65 a to an intermediate level Uw, which is higher than the finally required level Us. With the voltage Uw, a buffer capacitor 65b is charged. The voltage Uw is then brought to the level Us with a second switching power supply 65c.
  • the first switching power supply 65a includes an input-side inductor Lv and two clocked switches S V1 and S V2 .
  • the switch S V1 consists of a switching element Z V1 and a diode Dvi connected in parallel therewith.
  • the switch S V2 consists of a switching element Z V2 and a diode D V2 connected in parallel therewith.
  • the choke Lv prevents the timing of the switches S V1 and S V2 feedbacks disturbances in the electrical system 8.
  • the second switching power supply 65c is constructed analogously with switches S W1 and S W2 , which comprise a switching element Z W1 and a diode D W1 parallel thereto, or a switching element Z W2 and a diode D W2 parallel thereto.
  • switches S W1 and S W2 which comprise a switching element Z W1 and a diode D W1 parallel thereto, or a switching element Z W2 and a diode D W2 parallel thereto.
  • a choke L W is arranged, which decouples the capacitor 61 from interference pulses by the timing of the switches S W1 and S W2 .
  • the capacitor 61 is in FIG. 5 drawn as an equivalent circuit diagram.
  • An ideal capacitance C S is drawn in series with an internal resistance R S and in parallel with a leakage resistance Gs which causes a self-discharge of the capacitance Cs.
  • the currents flowing on the three voltage levels Uv, Uw and Us are denoted by I V , I W and I S , respectively.
  • MOSFET transistors As switching elements Zvi, Z V2 , Z W1 and Z W2 can be used.
  • DEAP capacitors 61 which are operated with a voltage U S of 3 kV.
  • IGBT transistors can be used as switching elements Zvi, Z V2 , Z W1 and Z W2 .
  • the advantage of using MOSFET transistors is that the significantly higher possible switching frequency requires less energy to be converted in each individual switching cycle. Therefore, smaller and cheaper passive components can be used in power electronics.
  • the two switching power supplies 65a and 65c are operated asymmetrically: the first switching power supply 65a operates at a fixed switching frequency of .mu.m. present example 20 kHz.
  • the switching frequency of the second switching power supply 65c is adjusted depending on the situation in order to minimize the number of switching cycles.

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Abstract

Flügelpumpe (1) mit variabler Verdrängung, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Einlass (21) und einem Auslass (22), einen zur Rotation um eine Drehachse (30) antreibbaren Rotor (3) sowie eine Mehrzahl von an den Rotor (3) gekoppelten Flügeln (41-48), weiterhin umfassend einen Begrenzerring (5) mit einer Symmetrieachse (50), wobei die Flügel (41-48) mit dem Begrenzerring (5) in Eingriff stehen und gemeinsam mit dem Begrenzerring (5) eine Mehrzahl von Pumpkammern (51-58) bilden, die bei Bewegung der Flügel (41-48) durch den Rotor (3) im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass (21) und mit dem Auslass (22) bringbar sind, wobei die Volumenveränderung, die die Pumpkammern (51-58) bei Bewegung der Flügel (41-48) erfahren, vom Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) abhängt, wobei der Begrenzerring (5) an mindestens ein lineares Stellglied (6) gekoppelt ist, welches dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung U, und/oder mit einem elektrischen Strom I, eine Kraft Fs, und/oder ein Drehmoment ms, auf den Begrenzerring (5) auszuüben, und damit den Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) zu verändern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Ölpumpen für die Schmierstoffversorgung von Verbrennungsmotoren, bei denen die Verdrängung von der Drehzahl der Antriebsquelle entkoppelt ist.
    • Stand der Technik
  • Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden mit Motoröl geschmiert, das einer Ölwanne entnommen und mit einer Ölpumpe unter Druck durch den Motor gefördert wird. Die Ölpumpe wird in der Regel mechanisch durch den Motor selbst angetrieben. In der Regel kommen Flügelpumpen als Ölpumpen zum Einsatz.
  • Die Drehzahl der Flügelpumpe ist im Allgemeinen starr an die Motordrehzahl gekoppelt. Im Ölkreislauf des Motors wird jedoch unabhängig von der Motordrehzahl ein vorgegebener Öldruck benötigt. Um die Verdrängung der Flügelpumpe, und damit auch den erzeugten Öldruck, von der Motordrehzahl zu entkoppeln, wird das Verhältnis zwischen der Verdrängung und der Motordrehzahl verändert.
  • Zu diesem Zweck ist beispielsweise aus der US 9,410,514 B2 und aus der US 2015 285 246 A1 bekannt, die von einem Rotor angetriebenen Flügel in einem Begrenzerring zu führen, so dass die Flügel in Verbindung mit dem Begrenzerring Pumpkammern bilden. Bei Bewegung der Flügel durch den Rotor wird jede dieser Pumpkammern im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass und mit dem Auslass in Verbindung gebracht. Indem die Symmetrieachse des Begrenzerrings gegen die Drehachse des Rotors versetzt wird, kann die Volumenveränderung, die eine jede Pumpkammer im Laufe der Bewegung erfährt, eingestellt werden. Diese Volumenveränderung bestimmt die Verdrängung pro Rotorumdrehung, und somit auch die Druckerhöhung des Öls auf dem Weg vom Einlass zum Auslass.
  • Dabei kann der Öldruck beispielsweise rein hydraulisch auf einen Sollwert geregelt werden, indem er einer Federkraft in der Weise mechanisch gegenübergestellt wird, dass der Öldruck in einer Steuerkammer den besagten Versatz tendenziell vermindert, während die Federkraft den Versatz, und damit die Verdrängung, erhöht.
  • Die genannten Schriften offenbaren verschiedene Möglichkeiten, mit elektrisch betätigbaren Ventilen den Zustrom von Öl in die Steuerkammer zu beeinflussen und so in die rein hydraulische Regelung einzugreifen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung wurde eine Flügelpumpe mit variabler Verdrängung entwickelt. Diese Flügelpumpe umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, einen zur Rotation um eine Drehachse antreibbaren Rotor sowie eine Mehrzahl von an den Rotor gekoppelten Flügeln. Weiterhin ist ein Begrenzerring vorgesehen, mit dem die Flügel in Eingriff stehen, so dass sie gemeinsam mit dem Begrenzerring eine Mehrzahl von Pumpkammern bilden. Diese Pumpkammern sind bei Bewegung der Flügel durch den Rotor im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass und mit dem Auslass bringbar, wobei die Volumenveränderung, die die Pumpkammern bei Bewegung der Flügel erfahren, vom Versatz d zwischen der Symmetrieachse des Begrenzerrings und der Drehachse des Rotors abhängt.
  • Erfindungsgemäß ist der Begrenzerring an mindestens ein lineares Stellglied gekoppelt. Dieses Stellglied ist dazu ausgebildet, bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung U, und/oder mit einem elektrischen Strom I, eine Kraft Fs, und/oder ein Drehmoment ms, auf den Begrenzerring auszuüben, und damit den Versatz d zwischen der Symmetrieachse und der Drehachse zu verändern.
  • Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik liegt darin, dass die ausgeübte Kraft Fs, bzw. das ausgeübte Drehmoment ms, vom aktuell zur Verfügung stehenden Öldruck p unabhängig ist. Dies ist zunächst einmal mit der Änderung verbunden, dass die Kraft Fs, bzw. das Drehmoment ms, vollständig durch das lineare Stellglied selbst aufgebracht werden muss. Der Öldruck p steht insofern nicht mehr als Hilfsenergiequelle zur Verfügung. Zum einen bedeutet das, dass das lineare Stellglied in Bezug auf den Verstellweg und die ausübbare Kraft größer zu dimensionieren ist. Zum anderen wird die für den Eingriff in die Verdrängung benötigte Energie nicht mehr aus der vom Motor gelieferten und im Öldruck gespeicherten mechanischen Energie bezogen, sondern aus dem Bordnetz, was den Umweg über die Lichtmaschine erforderlich macht und den Wirkungsgrad tendenziell herabsetzt.
  • Es wurde jedoch erkannt, dass der Verlust der Hilfsenergiequelle durch eine erheblich größere Flexibilität bei der Regelung des Öldrucks p überkompensiert wird. Dies und die im Vergleich zur bisherigen hydraulischen Regelung verbesserte Regelgüte führen dazu, dass die Ölpumpe insgesamt deutlich weniger mechanische Energie vom Motor abzweigt, so dass im Endeffekt netto Energie eingespart wird.
  • Durch die Anpassung der Verdrängung auf elektrischem Wege ist es insbesondere möglich, den Öldruck p abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors auf beliebige Sollwerte, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 4 bar, zu regeln mit der geforderten Genauigkeit von ± 0,25 bar. Der elektrische Eingriff in die Verdrängung ist mit einer erheblich größeren Flankensteilheit möglich als ein hydraulischer Eingriff, insbesondere dann, wenn der aktuelle Öldruck p niedrig ist. Beispielsweise kann ein Wechsel vom niedrigsten zum höchsten Sollwert innerhalb von 0,7 s bis 1 s veranlasst werden.
  • Mit der hinzugewonnenen Flexibilität ist es beispielsweise möglich, den Öldruck p der Öltemperatur T anzupassen, wenn die Vorgabe besteht, eine bestimmte Flussrate Q an Öl in den Motor zu fördern. Der Zusammenhang zwischen p, T und Q ist gegeben durch eine Funktion der Form p=a(T)*Q2+b(T)*Q, worin a(T) und b(T) jeweils temperaturabhängige Koeffizienten sind. Auch die volumetrische Effizienz der Ölpumpe selbst ist von der Öltemperatur T abhängig.
  • Weiterhin ist die Ölpumpe einfacher und kompakter zu bauen, da Wirkflächen und Leitungen für die hydraulische Rückkopplung des aktuellen Öldrucks p entfallen können.
  • Die Ölpumpe ist für die Betriebssicherheit relevant, da eine Unterversorgung mit Öl in kurzer Zeit zum Motorschaden führen kann. Daher ist vorteilhaft der Begrenzerring durch eine Feder vorgespannt, die den Versatz d zwischen der Symmetrieachse des Begrenzerrings und der Drehachse des Rotors, und damit auch die Verdrängung pro Umdrehung des Rotors, erhöht. Die Feder ist auch bei Ausfall der elektrischen Versorgung wirksam. Somit stellt sich im Fehlerfall eine Verdrängung ein, die zwar möglicherweise unnötig hoch ist und viel Energie verbraucht, aber eine sichere Schmierung des Motors gewährleistet.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Sicherheitsschaltkreis vorgesehen, der das Stellglied bei Ausfall der elektrischen Versorgung in eine Position überführt, die zu einem höheren Versatz d korrespondiert. Da bei stationärem Betrieb des Motors an einem Betriebspunkt der Öldruck p nicht permanent geändert werden muss, ist es in Bezug auf den Energieverbrauch vorteilhaft, ein Stellglied einzusetzen, das seinen aktuellen Zustand auch ohne permanentes Anlegen einer Spannung U oder eines Stroms I beibehält. Die Kehrseite hiervon ist, dass im Fehlerfall die für die Vorspannung verwendete Feder die Haltekraft des Stellglieds überwinden muss, damit beispielsweise auch bei plötzlich steigender Lastanforderung an den Motor genügend Öl gefördert wird. Der Sicherheitsschaltkreis schließt diese Lücke.
  • Vorteilhaft ist der Begrenzerring in dem Gehäuse an einem Drehpunkt angelenkt. Dann ist der Kraftarm, mit dem das Stellglied, bzw. die Feder, am Begrenzerring angreift, ein weiterer Freiheitsgrad für die Dimensionierung.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellglied dazu ausgebildet, bei Beaufschlagung mit der Spannung U, und/oder mit dem Strom I, seine Länge L zu ändern.
  • Beispielsweise kann ein piezoelektrisches Element verwendet werden. Ein solches Element hat nur eine relativ geringe Längenänderung bezogen auf das angelegte elektrische Feld, jedoch kann der Verstellweg beispielsweise mit einem Trägheitsantrieb oder einem Inchworm-Motor vergrößert werden.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Stellglied mindestens einen Kondensator mit zwei Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten elastischen Dielektrikum. Die Elektroden können beispielsweise im Wesentlichen in einer Ebene verlaufen. Das Speichern von Ladungen in einem derartigen Kondensator bewirkt, dass sich die entgegengesetzt geladenen Elektroden mit einer Maxwell-Kraft FM anziehen. Diese Maxwell-Kraft FM drückt das Dielektrikum zusammen, so dass sich der Kondensator als Ganzes analog einem Muskel zusammenzieht. Dieser Zustand bleibt auch dann erhalten, wenn die Spannungsquelle entfernt wird. Erst wenn die Ladung von den Elektroden abgeflossen ist, drückt die elastische Rückstellkraft des Dielektrikums den Kondensator in seine ursprüngliche Form zurück. Im Kontext der Erfindung bedeutet dies, dass elektrische Energie nur für eine Änderung der Verdrängung der Flügelpumpe aufgewendet werden muss, nicht jedoch zur bloßen Erhaltung des aktuellen Zustands.
  • Vorteilhaft ist das Dielektrikum ein Elastomer. Dann ist das Zusammendrücken des Dielektrikums durch die Maxwell-Kraft vollständig reversibel, d.h., das Dielektrikum findet wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Innerhalb der Lebensdauer der Ölpumpe sind etwa 2 Millionen Wechselzyklen zwischen der niedrigsten und der höchsten Verdrängung zu erwarten. Vorteilhaft weist das Elastomer eine möglichst geringe viskoelastische Dämpfung auf. Diese Dämpfung führt zu mechanischen Energieverlusten und zu einer Erwärmung des Kondensators.
  • Der Kondensator kann insbesondere als dielektrisches elektro-aktives Polymer, DEAP, ausgebildet sein, in dem das Dielektrikum fest an zwei mit dem Dielektrikum dehnbare Elektroden gekoppelt ist. Dazu kann beispielsweise das Dielektrikum beidseitig mit den Elektroden beschichtet sein. Indem die Elektroden mit dem Dielektrikum dehnbar sind, wirkt das zwischen den Elektroden anliegende elektrische Feld auch dann noch auf das gesamte Dielektrikum, wenn sich dieses ausdehnt. Dabei ist das Zusammendrücken des Dielektrikums in gewisser Weise ein selbstverstärkender Effekt: Indem sich der Abstand zwischen den Elektroden verringert, vergrößert sich bei gleichbleibender Ladungsmenge auf den Elektroden zugleich das elektrische Feld, das umgekehrt proportional zum Abstand ist. Dies erhöht die Maxwell-Kraft FM und drückt das Dielektrikum weiter zusammen. Dieser Kreislauf endet erst, wenn sich die Maxwell-Kraft FM und die elastische Rückstellkraft des Elastomers die Waage halten. Das Dielektrikum kann sich beispielsweise auf 30 % seiner ursprünglichen Dicke zusammendrücken lassen.
  • Vorteilhaft weist das Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante ε von 2 oder mehr, bevorzugt von 3 oder mehr, auf. Je größer ε ist, desto größer ist die Maxwell-Kraft beim Anlegen eines gegebenen elektrischen Feldes an den Kondensator. Weiterhin ist ε auch ein Maß dafür, wie gut das Dielektrikum isoliert, d.h., wie lange es dauert, bis der Kondensator sich von sich aus entlädt und Ladungen von außen nachgespeist werden müssen, damit das Stellglied seinen aktuellen Zustand beibehält.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Stellglied eine Stapelung mehrerer Kondensatoren auf, wobei in jedem Kondensator das Dielektrikum im entladenen Zustand des Kondensators eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist. Die Maxwell-Kraft FM hängt quadratisch von der elektrischen Feldstärke ab, welche wiederum umgekehrt proportional zur Dicke des Dielektrikums ist. Durch eine Aufteilung des Dielektrikums auf viele dünne Schichten lässt sich also die nutzbare Maxwell-Kraft FM überproportional steigern.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Stellglied einen elektrisch angetriebenen Motor und Mittel zur Übersetzung der Rotation des Motors in eine Linearbewegung auf. Beispielsweise kann der Motor eine Schraube oder eine Zahnstange antreiben, die dann ihrerseits am Begrenzerring angreift. Durch eine entsprechende Übersetzung oder durch Verwendung eines Motors, der im stromlosen Zustand blockiert, kann auch bei dieser Antriebsart sichergestellt werden, dass der aktuelle Zustand des Stellglieds auch ohne ständige Energiezufuhr erhalten bleibt.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
    • Ausführungsbeispiele
  • Es zeigt:
    • Figur 1
    Ausführungsbeispiel einer Flügelpumpe 1 gemäß der Erfindung;
    Figur 2
    Ausführungsbeispiel eines Kondensators 61 für das Stellglied 6;
    Figur 3
    Ausführungsbeispiel des Stellglieds 6 mit Elektromotor;
    Figur 4
    Ausführungsbeispiel einer Flügelpumpe 1 mit an Punkt 27 angelenktem Begrenzerring 5;
    Figur 5
    Speisung des Kondensators 61 aus dem Bordnetz 8 eines Kraftfahrzeugs.
  • Nach Figur 1 umfasst die Flügelpumpe 1 ein Gehäuse 2, in dem ein Rotor 3 um eine Drehachse 30 drehbar gelagert ist. Die Verbindung zum Verbrennungsmotor als Antriebsquelle ist in Figur 1 nicht eingezeichnet. Der Rotor 3 hat Schlitze 31-38, in denen die Flügel 41-48 geführt sind. Federn 31a-38a drücken die Flügel 41-48 an den Innenumfang des Begrenzerrings 5. Hierdurch bilden sich Pumpkammern 51-58.
  • In dem in Figur 1 gezeigten Zustand haben die Pumpkammern 51-58 unterschiedliche Volumina. Wenn eine der Pumpkammern 51-58 den Einlass 21 der Flügelpumpe 1 passiert, wird ihr Volumen maximal, so dass Öl in diese Pumpkammer 51-58 eingesaugt wird. Bewegt sich diese Pumpkammer 51-58 anschließend in Richtung des Auslasses 22, so nimmt das Volumen dieser Pumpkammer 51-58 stetig ab, d.h., das darin befindliche Öl wird unter Druck gesetzt. Ursache hierfür ist, dass die Symmetrieachse 50 des Begrenzerrings 5 um einen Versatz d gegenüber der Drehachse 30 des Rotors verschoben ist. Wären die Symmetrieachse 50 und die Drehachse 30 deckungsgleich, würde sich das Volumen der Pumpkammern 51-58 nicht mehr ändern, und es würde allenfalls noch eine minimale Menge an Öl gefördert.
  • In dem in Figur 1 gezeigten Zustand zieht die Feder 7 den Begrenzerring 5 mit einer Kraft FF in die Position, in der der Versatz d maximal ist. In dieser Position befindet sich der Begrenzerring 5 im Eingriff mit den Backen 25 und 26.
  • Ausgehend von diesem Zustand kann der Begrenzerring 5 nach rechts auf die Backen 23 und 24 bewegt werden, die zu der Position des Begrenzerrings 5 korrespondieren, in der dessen Symmetrieachse 50 mit der Drehachse 30 des Rotors 3 deckungsgleich ist. Hierzu wird das Stellglied 6 mit einer Spannung U aus der Spannungsquelle 65 angesteuert und verkürzt seine Länge L, wodurch eine Kraft Fs auf den Begrenzerring 5 ausgeübt wird.
  • Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Kondensator 61, der in einem Stellglied 6 zur Kraftausübung verwendet werden kann. Der Kondensator 61 ist über einen Schalter 64 mit der Spannungsquelle 65 verbunden. Der Kondensator 61 besteht aus zwei Elektroden 62a und 62b mit einem dazwischen angeordneten elastischen Dielektrikum 63. Die Elektroden 62a und 62b bilden in Kombination mit dem Dielektrikum ein dielektrisches elektroaktives Polymer, DEAP.
  • In dem in Figur 2a gezeigten Zustand ist der Schalter 64 geöffnet. Es befindet sich keine Ladung auf den Elektroden 62a und 62b des Kondensators 61. Dementsprechend befindet sich das Dielektrikum 63 im kraftfreien Normalzustand.
  • In dem in Figur 2b gezeigten Zustand ist der Schalter 64 geschlossen. Die Spannung U aus der Spannungsquelle 65 liegt zwischen den Elektroden 62a und 62b des Kondensators 61 an. Dementsprechend ziehen sich die Elektroden 62a und 62b mit der Maxwell-Kraft FM. Durch diese Kraft FM wird das Dielektrikum 63 zusammengedrückt. Die Elektroden 62a und 62b haben minimalen Abstand voneinander. Da die Elektroden 62a und 62b fest an das Dielektrikum 63 gekoppelt sind, dehnen sie sich gemeinsam mit dem Dielektrikum 63 seitlich aus. Die Flächen des Dielektrikums 63, die die beiden Elektroden 62a und 62b tragen, bleiben also trotz der seitlichen Ausdehnung des Dielektrikums 63 vollständig mit den Elektroden 62a und 62b belegt, d.h., das Dielektrikum 63 steht nicht seitlich über die Elektroden 62a und 62b hinaus ab.
  • In dem in Figur 2b gezeigten Zustand ist das Stellglied 6 zusammengezogen, analog einem Muskel. Der Unterschied zum Muskel ist, dass der Zustand auch nach dem Öffnen des Schalters 64 erhalten bleibt. Um den in Figur 2a gezeigten Zustand wieder herzustellen, muss der Kondensator 61 daher entladen werden.
  • Figur 2c zeigt einen Sicherheitsschaltkreis 67, mit dem der Kondensator 67 automatisch entladen werden kann, wenn die Spannungsquelle 65 ausfällt. Unabhängig von der Stellung des Schalters 64 ist ein Umschalter 66 über eine Steuerleitung mit der Spannungsquelle 65 verbunden. Dies schaltet den Umschalter 66 gegen die Rückstellkraft einer Feder 66a in die in Figur 2c gezeigte Schaltstellung, in der die Elektrode 62a des Kondensators 61 mit dem Ausgang des Schalters 64 verbunden ist. Der Kondensator 61 kann also durch Schließen des Schalters 64 aufgeladen und zusammengedrückt werden, und dieser Zustand bleibt dann auch nach dem Öffnen des Schalters 64 erhalten.
  • Fällt die Spannungsquelle 65 aus, drückt die Feder 66a den Umschalter 66 in die in Figur 2c nicht gezeigte Schaltstellung, in der der Kondensator 61 über den Entladewiderstand 67a kurzgeschlossen wird. Der Kondensator 61 nimmt dann wieder seinen ursprünglichen Zustand ein. Das Stellglied 6 dehnt sich wieder auf seine ursprüngliche Länge L aus. In diesem Zustand kann die Feder 7 den Begrenzerring 5 wieder in den Zustand maximalen Versatzes d überführen, ohne durch das Stellglied 6 daran gehindert zu werden. Der Entladewiderstand 67a sollte so dimensioniert sein, dass der maximale Entladestrom des Kondensators 61 auf einen Wert begrenzt wird, der noch nicht zu einer Schädigung der Elektroden 62a und 62b, und/oder des Dielektrikums 63, führt. Eine derartige Schädigung könnte beispielsweise daher rühren, dass als dünne Schichten auf das Dielektrikum 63 aufgebrachte Elektroden 62a und 62b sich bei einem hohen Entladestrom stark erwärmen.
  • Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stellglieds 6. Hier treibt ein Elektromotor 68 ein Zahnrad 69a an, das in eine Zahnstange 69b eingreift. Das Zahnrad 69a und die Zahnstange 69b bilden die Mittel 69 zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors 68 in eine Linearbewegung des Begrenzerrings 5.
  • Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügelpumpe 1. Im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hier der Begrenzerring 5 an einem Punkt 27 im Gehäuse 2 angelenkt. Diese Zwangsbedingung setzt die durch die Feder 7 einerseits und durch das Stellglied 6 andererseits eingebrachten Kräfte FF bzw. Fs in Drehmomente mF bzw. ms um. Für nicht zu große Winkel θ der Auslenkung des Begrenzerrings 5 um die in Figur 4 gezeigte Lage lässt sich die Auslenkung als Verschiebung des Hebels 59, an dem die Feder 7 und das Stellglied 6 jeweils mit dem Hebelarm rs angreifen, approximieren.
  • Die wichtigsten Kenngrößen für die konkrete Dimensionierung sind die Steifigkeit CP der Feder 7, das elastische Young-Modul YS und die Dielektrizitätskonstante ε des im DEAP-Kondensator 61 enthaltenen Dielektrikums 63, die Querschnittsfläche As und Kantenlänge bs des Dielektrikums 63 sowie die Vorspannungen xP und XS der Feder 7 bzw. des Dielektrikums 63.
  • Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsquelle 65 zur Speisung des Kondensators 61 im Stellglied 6 aus dem Bordnetz 8 eines Kraftfahrzeugs. Das Bordnetz 8 führt die Spannung Uv von typischerweise 12 V, bei Nutzfahrzeugen auch 24 V. Zum Aufladen des Kondensators 61 wird jedoch eine Spannung US von typischerweise etwa 400 V benötigt. Es ist technisch möglich, einen so großen Spannungsunterschied mit einem einfachen Schaltnetzteil zu überbrücken, jedoch ist die Systemdynamik schlecht.
  • Daher wird die Spannung UV des Bordnetzes 8 zunächst mit einem ersten Schaltnetzteil 65a auf ein Zwischenniveau Uw angehoben, das höher ist als das letztendlich benötigte Niveau Us. Mit der Spannung Uw wird ein Pufferkondensator 65b aufgeladen. Die Spannung Uw wird anschließend mit einem zweiten Schaltnetzteil 65c auf das Niveau Us gebracht.
  • Das erste Schaltnetzteil 65a enthält eine eingangsseitige Drossel Lv sowie zwei getaktete Schalter SV1 und SV2. Der Schalter SV1 besteht aus einem Schaltelement ZV1 und einer parallel hierzu geschalteten Diode Dvi. Der Schalter SV2 besteht aus einem Schaltelement ZV2 und einer hierzu parallel geschalteten Diode DV2. Die Drossel Lv verhindert, dass die Taktung der Schalter SV1 und SV2 Störungen in das Bordnetz 8 zurückkoppelt.
  • Das zweite Schaltnetzteil 65c ist analog aufgebaut mit Schaltern SW1 und SW2, die ein Schaltelement ZW1 und eine hierzu parallele Diode DW1, bzw. ein Schaltelement ZW2 und eine hierzu parallele Diode DW2, umfassen. Ausgangsseitig des Schaltnetzteils 65c ist eine Drossel LW angeordnet, die den Kondensator 61 von Störimpulsen durch die Taktung der Schalter SW1 und SW2 entkoppelt.
  • Der Kondensator 61 ist in Figur 5 als Ersatzschaltbild gezeichnet. Eine ideale Kapazität CS ist in Reihe mit einem Innenwiderstand RS sowie parallel zu einem Verlustwiderstand Gs, welcher eine Selbstentladung der Kapazität Cs bewirkt, gezeichnet.
  • Die auf den drei Spannungsebenen Uv, Uw bzw. Us jeweils fließenden Ströme sind mit IV, IW bzw. IS bezeichnet.
  • In dem in Figur 5 gezeigten Beispiel mit einer Spannung Us von etwa 400 V sind MOSFET-Transistoren als Schaltelemente Zvi, ZV2, ZW1 und ZW2 einsetzbar. Es gibt jedoch auch DEAP-Kondensatoren 61, die mit einer Spannung US von 3 kV betrieben werden. Hier können IGBT-Transistoren als Schaltelemente Zvi, ZV2, ZW1 und ZW2 verwendet werden. Die Verwendung von MOSFET-Transistoren hat den Vorteil, dass durch die deutlich höhere mögliche Schaltfrequenz in jedem einzelnen Schaltzyklus weniger Energie umgesetzt werden muss. Daher können in der Leistungselektronik kleinere und preiswertere passive Komponenten eingesetzt werden.
  • Die beiden Schaltnetzteile 65a und 65c werden asymmetrisch betrieben: Das erste Schaltnetzteil 65a arbeitet mit einer festen Schaltfrequenz von im vorliegenden Beispiel 20 kHz. Die Schaltfrequenz des zweiten Schaltnetzteils 65c hingegen wird situationsabhängig angepasst, um die Anzahl der Schaltzyklen zu minimieren.

Claims (12)

  1. Flügelpumpe (1) mit variabler Verdrängung, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Einlass (21) und einem Auslass (22), einen zur Rotation um eine Drehachse (30) antreibbaren Rotor (3) sowie eine Mehrzahl von an den Rotor (3) gekoppelten Flügeln (41-48), weiterhin umfassend einen Begrenzerring (5) mit einer Symmetrieachse (50), wobei die Flügel (41-48) mit dem Begrenzerring (5) in Eingriff stehen und gemeinsam mit dem Begrenzerring (5) eine Mehrzahl von Pumpkammern (51-58) bilden, die bei Bewegung der Flügel (41-48) durch den Rotor (3) im Wechsel in Verbindung mit dem Einlass (21) und mit dem Auslass (22) bringbar sind, wobei die Volumenveränderung, die die Pumpkammern (51-58) bei Bewegung der Flügel (41-48) erfahren, vom Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzerring (5) an mindestens ein lineares Stellglied (6) gekoppelt ist, welches dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung U, und/oder mit einem elektrischen Strom I, eine Kraft Fs, und/oder ein Drehmoment ms, auf den Begrenzerring (5) auszuüben, und damit den Versatz d zwischen der Symmetrieachse (50) und der Drehachse (30) zu verändern.
  2. Flügelpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzerring (5) durch eine Feder (7) vorgespannt ist, die den Versatz d erhöht.
  3. Flügelpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitsschaltkreis (67) vorgesehen ist, der das Stellglied (6) bei Ausfall der elektrischen Versorgung in eine Position überführt, die zu einem höheren Versatz d korrespondiert.
  4. Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzerring (5) in dem Gehäuse (2) an einem Drehpunkt (27) angelenkt ist.
  5. Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit der Spannung U, und/oder mit dem Strom I, seine Länge L zu ändern.
  6. Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) mindestens einen Kondensator (61) mit zwei Elektroden (62a, 62b) und einem zwischen den Elektroden (62a, 62b) angeordneten elastischen Dielektrikum (63) umfasst.
  7. Flügelpumpe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (63) ein Elastomer ist.
  8. Flügelpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (61) als dielektrisches elektro-aktives Polymer, DEAP, ausgebildet ist, in dem das Dielektrikum (63) fest an zwei mit dem Dielektrikum (63) dehnbare Elektroden (62a, 62b) gekoppelt ist.
  9. Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (63) eine Dielektrizitätskonstante ε von 2 oder mehr, bevorzugt von 3 oder mehr, aufweist.
  10. Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) eine Stapelung mehrerer Kondensatoren (61) aufweist, wobei in jedem Kondensator (61) das Dielektrikum (63) im entladenen Zustand des Kondensators eine Dicke von 100 µm oder weniger aufweist.
  11. Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) einen elektrisch angetriebenen Motor (68) und Mittel (69) zur Übersetzung der Rotation des Motors (68) in eine Linearbewegung aufweist.
  12. Flügelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ausgebildet als Ölpumpe für die Schmierstoffversorgung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.
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