Ölpumpe für Hubkolbenmotor
Die Erfindung betrifft eine Ölpumpe für einen Hubkolben¬ motor mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Anordnung, deren Kolben über ein Pleuel die Kurbelwelle antreibt, wobei die Ölpumpe eine an die Kurbelwelle angeschlossene Exzenter¬ stange aufweist, deren freies Ende einen Kolben trägt, der mit einem unter Öl angeordneten, zur Exzenterstange (1) hin offenen Zylindertopf (2) zusammenwirkt, derart, daß das Drucköl durch einen Ölkanal in der Exzenterstange einer oder mehreren Schmierstellen zugeführt wird.
Olpumpen für den Schmieröltransport zu den Lagerstellen der Kurbelwelle und weiteren der Schmierung bzw. Kühlung bedürftigen Bauelementen bei Dieselmotoren oder Benzin¬ motoren sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Vielfach besitzen sie eigene Antriebs- und Pumpenaggregate, welche das Öl als kontinuierlichen oder intermittierenden Strom in einem Kreislauf zwischen Ölwanne und den verschie¬ denen Schmierstellen transportieren. Bekannte Olpumpen sind üblicherweise ventilgesteuert, d.h. sie enthalten viele Saug- und Druckventile und sind damit auch verschlei߬ anfällig.
Eine Ölpumpe der eingangs erläuterten Gattung ist in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 1758836 beschrieben. Demgegenüber besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Ölpumpe für Kleinmotoren zu schaffen, wobei es genügen soll, die Schmierung mit einem der Motordrehzahl entsprechend intermittierenden Ölstrom aufrecht zu erhalten; die Ölpumpe soll insbesondere aus möglichst wenigen, nicht verschleißanfälligen, einfachen Bauteilen bestehen und mit geringem Energieaufwand betrieben werden können.
Diese Aufgabe wird nach dem Erfindungskonzept in der Weise gelöst, daß der Kolben durch eine Kolbenplatte gebildet ist, welche eine seitliche Schwenkbewegung entsprechend dem Hub der Exzenterstange bei gehäusefestem Zylindertopf (2) ermöglicht.
Dadurch, daß statt eines zylindrischen Kolbens eine Kolben¬ platte vorgesehen ist, erübrigt sich eine aufwendige Schwenklagerung für den Zylindertopf. Die Schwenkbewegung der Exzenterstange wird durch die erfindungsgemäße Kolben¬ platte ausgeglichen. Dieser Ausgleich wird noch unterstützt durch die axial schwimmende Lagerung der Kolbenplatte oder durch weitere, in den Ansprüchen 10 bis 14 enthaltene Ausgestaltungen im Bereich der peripheren Umfangsfläche der Kolbenplatte.
Eine derartig ausgestaltete Ölpumpe wird von der Kurbel¬ welle mit angetrieben; über den Ölkanal in der Exzenter¬ stange schmiert sie gleichzeitig die eigene Lagerstelle und ermöglicht von dieser aus die Versorgung weiterer Öl¬ bohrungen. Da die Pumpe unter Öl, also bevorzugt in der Ölwanne, dort mit dem eigentlichen Pumpenmechanismus in das Schmieröl eingetaucht angeordnet ist, erübrigen sich auf¬ wendige Dichtungs- und Ventilmittel. Das Lager für die Exzenterstange kann in axialer Richtung der Kurbelwelle sehr schmal gehalten werden, so daß der Platzbedarf für den Pumpenantrieb äußerst gering ist. Die Länge der Exzen¬ terstange richtet sich nach der Entfernung der Kurbelwelle vom Ölsumpf in der Ölwanne. Weil die Exzenterstange infolge ihrer den Kolbenhub bestimmenden Lagerbohrung auch eine seitlich hin- und hergehende Bewegung ausführt, besteht die Möglichkeit, diese seitliche Schwenkbewegung für die Anlen- kung weiterer Hubantriebe, z.B..als Antrieb für eine Membranpumpe für den Kraftstoffzulauf zu nutzen.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Ölpumpe sowohl für Dieselmotoren als auch für Ottomotoren eingesetzt werden; sie eignet sich besonders für Kleinmotoren, insbe¬ sondere Einzylindermotoren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß an der Exzenterstange ein Gleitlagerring mit einer Lager¬ bohrung für den als Lagersitz dienenden exzentrischen Wellenabschnitt auf der Kurbelwelle ausgebildet ist. Bei¬ spielsweise genügt für einen Einzylinder-Dieselmotor bei einem Pumpenkolbendurchmesser von ca. 36 mm eine Exzentri¬ zität der Lagerbohrung und damit ein dementsprechender Pumpenhub von etwa 6 mm. Je nach Länge der Exzenterstange beträgt dabei deren seitliche Ausschwenkung nur wenige Winkelgrade, in der Regel weniger als 2 Grad.
Eine besonders einfache Ausführungsform besteht darin, daß die Kolbenplatte lose und mit axialem Spiel zwischen axialen Anschlägen am zylinderseitigen Ende der Exzenter¬ stange gelagert ist und je nach Hubrichtung zusammen mit den Anschlägen als Saug- oder Druckventil wirkt. Eine derartige, schwimmend gelagerte Kolbenplatte ist dabei vorteilhaft auf einem am kurbelwellenfernen Ende der Exzen¬ terstange axial vorspringenden Halsteil gelagert, welcher der axialen Führung der Kolbenplatte dient. Deren schwim¬ mende Lagerung wird also dazu genutzt, daß sie je nach Anlage an einem der beiden axialen Anschläge entweder als Saug- oder als Druckventil wirkt. Zu diesem Zweck ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der kurbelwellenseitige Anschlag als ringförmiger Kragen der Exzenterstange mit einer Anlagefläche für die Kolbenplatte während des Förderhubs der Ölpumpe ausgebildet ist, und daß andererseits der kurbelwellenferne Anschlag durch den Kopf einer Hohlschraube gebildet ist, die in das kurbelwel¬ lenferne Stirnende der Exzenterstange eingeschraubt ist.
derart, daß die Rückseite des Kopfs der Hohlschraube eine Auflagefläche für die Kolbenplatte während des Saughubs der Ölpumpe bildet.
Zur Verwirklichung der Ventilfunktion der Kolbenplatte ist vorgesehen, daß die Kolbenplatte Durchgangsbohrungen aufweist, die während des Förderhubs durch den Kragen ver¬ schlossen sind, so daß das Drucköl über radiale Öffnungen um Halsteil und im Schaft der Hohlschraube in den Ölkanal gelangt und daß die Durchgangsbohrungen während des Saug¬ hubs offen sind, wobei die Kolbenplatte auf der Rückseite des Kopfs der Hohlschraube aufliegt und dadurch die zum Ölkanal führenden radialen Öffnungen im Halsteil verschließt.
Zweckmäßigerweise sind die radialen Öffnungen im Halsteil durch Schlitze in dessen Stirnfläche gebildet.
Damit die Kolbenplatte den geringen Schwenkbewegungen der Exzenterstange möglichst zwanglos folgen kann, ist vorge¬ sehen, daß die Kolbenplatte eine ballige Umfangsfläche besitzt. Zusätzlich könnte die Wand des Zylindertopfs mit einer kugeligen Erweiterung im Schwenkbereich der Kolben¬ platte versehen sein. Die Kolbenplatte besteht bevorzugt aus Sintermetall oder Teflon, der Zylindertopf der Ölpumpe aus Stahl oder Aluminium. Für die Exzenterstange selbst kommt eine Herstellung als Aluminiumdruckgußteil bevorzugt in Frage.
Zum Ausgleich des Längs- und Querversatzes zwischen Zylin¬ derkopf und Exzenterstange infolge ihrer exzentrischen Bewegung kann es vorteilhaft sein, daß die Kolbenplatte parallel zur Plattenebene geteilt ist und die beiden Plattenteile zusammen eine nach außen offene Umfangsnut bilden, in welche ein Dichtungsring lose und mit radialem
Spiel .eingelegt ist, der mit seiner Umfangsflache dichtend an der Innenwand des Zylindertopfs anliegt.
Nach einer weiteren Variante kann es zum Zwecke des Versatzausgleichs zweckmäßig sein, in einer Umfangsnut der Kolbenplatte eine Dichtung in Art eines Kolbenrings vorzu¬ sehen.
Schließlich kann es vorteilhaft sein, daß ein peripherer Umfangsabschnitt der Kolbenplatte durch eine Ringlippe aus elastomerem Werkstoff gebildet ist; bei dieser Ausführungs¬ form besteht die Möglichkeit, die Shore-Härte der Ringlippe so zu wählen, daß sie bei einem bestimmten Druck öffnet, also wie ein Überdruckventil wirkt, wenn sich beispiels¬ weise infolge einer verstopften Schmieröldruckleitung ein unerwünscht hoher Druck im System aufbaut. Dadurch werden auf einfache und wirksame Weise Beschädigungen der Lager¬ stellen oder Druckleitungen vermieden.
Für die Befestigung der Hohlschraube am stirnseitigen Ende der Exzenterstange besitzt letztere ein entsprechendes Innengewinde, so daß die zweckmäßig aus Stahl bestehende Hohlschraube, deren Kopf die Exzenterstange stirnseitig verschließt und dessen Rückseite außerdem einen Anschlag für die Kolbenplatte bildet, eingeschraubt werden kann, bis der Kopf auf dem stirnseitigen Ende des Halsteils aufsitzt.
Die Transportwege für das Schmieröl sind in besonders einfacher Weise derart ausgestaltet, daß die Lagerbohrung im Gleitlagerring der Exzenterstange eine Ringnut aufweist, die der Lagerschmierung dient und über eine Ölbohrung mit dem Pleuellager der Kurbelwelle verbunden ist. Überdies kann an die Ringnut eine Spritzdüse für die Kühlung des Kolbenbodens des Kolbens des Hubkolbenmotors angeschlossen sein.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs¬ gemäßen Ölpumpe für einen Einzylinder-Dieselmotor näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Kolbenpumpe in einer Ebene senkrecht zur Achse der Lagerbohrung in der Exzenterstange,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Ölpumpe in einer Ebene parallel zur Achse der Lagerbohrung der Exzenterstange im oberen Umkehrpunkt der Exzenter¬ stange,
Fig. 3 einen Schnitt gemäß Fig. 2 im unteren Umkehrpunkt der Exzenterstange,
Fig. 4 eine Einzelheit X gemäß Fig. 2,
Fig. 5 eine Einzelheit Y gemäß Fig. 3,
Fig. 6, 7 und 8 jeweils eine andere Ausführungsform der Kolbenplatte im Axialschnitt.
Die Ölpumpe gemäß den Fig. 1 bis 3 besteht im wesentlichen aus einer Exzenterstange 1, einem Zylindertopf 2, einer Kolbenplatte 3 und einer Hohlschraube 4, welche am kurbelwellenfernen Ende der Exzenterstange 1 in ein entsprechendes Innengewinde der Exzenterstange 1 einge¬ schraubt ist, wobei das Innengewinde die zugeordnete Mündung eines Ölkanals 5 im Inneren der Exzenterstange 1 bildet. Die Hohlschraube 4 setzt somit gewissermaßen den Ölkanal 5 fort; sie ist über radiale Öffnungen 6 in ihrem Schaft 7 mit einem Ringraum 8 zwischen dem Schaft 7 und einem diesen mit Abstand umgebenden Halsteil 9, der das stirnseitige Ende der Exzenterstange 1 bildet, verbunden. Der Kopf 10 der Hohlschraube 4 bildet mit seiner Rückseite den kurbelwellenfernen Anschlag für die zwischen zwei Anschlägen schwimmend angeordnete Kolbenplatte 3; der kurbelwellenseitige Anschlag ist gebildet durch einen ring-
förmigen Kragen 11 der Exzenterstange 1, an welchem radial außerhalb des Halsteils 9 eine stirnseitige Anlagefläche 12 für die Kolbenplatte 3 ausgebildet ist. Die Kolbenplatte 3 sitzt mit einem Spiel von etwa 0,5 mm zwischen der kurbel- wellenseitigen Anlagefläche 12 und einer durch die Rückseite des Kopfs 10 der Hohlschraube 4 gebildeten ring¬ förmigen Auflagefläche 13. In den Fig. 4 und 5 sind die vorstehend erläuterten Bauteile vergrößert dargestellt.
Die Exzenterstange 1 besitzt an ihrem kurbelwellenseitigen Ende einen Gleitlagerring 14 mit einer Lagerbohrung 15; die Lagerbohrung 15 dient als Lagersitz, passend zu einem entsprechenden Wellenabschnitt auf der (nicht gezeigten) Kurbelwelle. Infolge der Drehung der Kurbelwelle mit dem als exzentrischen Lagersitz ausgebildeten Wellenabschnitt, auf welchem der Gleitlagerring 14 der Exzenterstange 1 läuft, wird letztere entsprechend der Exzentrizität des Wellenabschnitts im Sinne eines Hubkolbens angetrieben, so daß die Exzenterstange einerseits eine Hubbewegung und andererseits eine seitliche Schwenkbewegung ausführt. Die Hubbewegung wird genutzt im Rahmen der Pumpenfunktion für den Saughub einerseits und den Förderhub andererseits. Um eine einwandfreie Führung der Kolbenplatte 3 im Inneren des Zylindertopfs 2 zu gewährleisten, kann die Umfangsfläche 16 der Kolbenplatte 3 ballig ausgeführt sein. Fig. 1 zeigt die Exzenterstange in ihrer extremen Schrägstellung, wobei der Winkelausschlag (nach rechts) etwa 1,5 Winkelgrade beträgt. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Exzenterstange in ihrem oberen bzw. unteren Totpunkt, d.h. Fig. 2 zeigt die Endphase des Saughubs und Fig.3 die Endphase des Förderhubs. Während des Saughubs liegt die Kolbenplatte 3 auf der Anlagefläche 13 des Kopfs 10 der Hohlschraube 4 auf; dementsprechend gelangt Schmieröl, durch welches der Zylindertopf 2 bedeckt ist, durch den Spalt zwischen der Oberseite der Kolben¬ platte 3 und der gegenüberliegenden Anlagefläche 12 des
Krageijs 11 sowie Durchgangsbohrungen 17 in der Kolbenplatte 3 in den Zylinderraum 18 der Ölpumpe. Während des nach¬ folgenden Förderhubs schwimmt die Kolbenplatte 3 auf, indem sie sich dichtend gegen die Anlagefläche 12 des Kragens 11 anlegt, während sich die Exzenterstange 1 gegen den Boden 19 des Zylindertopfs bewegt; das im Zylinderraum 18 vorhan¬ dene Öl strömt während des in Fig. 3 dargestellten Förderhubs aus dem Zylinderraum 18 durch den Spalt zwischen der Auflagefläche 13 des Kopfs 10 der Hohlschraube 4 und der zugeordneten Stirnfläche der Kolbenplatte 3 und weiter durch Schlitze 20 im Stirnende des Halsteils 9 in den Ring¬ raum 8 zwischen dem Halsteil 9 und dem Schaft 7 der Hohl¬ schraube 4; von dort gelangt das Drucköl über die radialen Öffnungen 6 in das Innere der Hohlschraube 4 und von dort über den Ölkanal 5 zur Lagerstelle des Gleitlagerrings 14 der Exzenterstange 1. In die Lauffläche 21 der Lagerbohrung 15 des Gleitlagerrings 14 der Exzenterstange 1 ist eine Ringnut 22 für die Lagerschmierung eingearbeitet. Diese Ringnut ist über eine (nicht gezeigte) Ölbohrung mit dem Pleuellager der Kurbelwelle verbunden. An diese Ringnut 22 kann ferner eine Spritzdüse 27 für die Kühlung des Kolben¬ boden 9 des Hubkolbens angeschlossen sein.
Der Zylindertopf 2 ist mit einem Außengewinde 23 von außen in eine entsprechende Gewindebohrung der Ölwanne 24 (Fig. 2) gegen einen an der Außenseite der Ölwanne 24 anliegenden Dichtungsring 25 eingeschraubt und vom Ölsumpf 26 bedeckt.
Gemäß Fig. 6 ist die Kolbenplatte 3 in einer Ebene senkrecht zur Achse der Exzenterstange 1 in zwei Platten¬ teile 3a, 3b geteilt, welche zusammen eine nach außen offene Umfangsnut 30 bilden; in der Umfangsnut 30 ist ein Dichtungsring 31 mit radialem Spiel aufgenommen, so daß er in der Lage ist, den Spalt zwischen Kolbenplatte 3 und der Innenwand des Zylindertopfs 2 für jede Schwenklage der
Exzenterstange 5 abzudichten. Beide Plattenteile 3a, 3b bilden zusammen Durchgangsbohrungen 17, wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 5 beschrieben. Die diesem Ausführungsbeispiel entspre¬ chenden gleichen Bauteile sind in Fig. 6 sowie in den Fig. 7 und 8 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Gemäß Fig. 7 besitzt die einteilige Kolbenplatte 3 eine periphere Umfangsnut 30, welche in radialer Richtung offen ist und in welche ein Dichtungsring in Art eines Kolben¬ rings 32 eingesetzt ist. Ein derartiger Kolbenring 32 sichert die Aufrechterhaltung der Dichtung zwischen Kolben¬ platte 3 und Zylindertopf 2 auch dann, wenn die Kolben¬ platte 3 eine entsprechend der Exzenterbewegung der Exzen¬ terstange 1 ablaufende Schwenkbewegung durchführt.
Schließlich zeigt Fig. 8 eine Kolbenplatte 3 mit einer nutförmigen Sitzfläche in ihrem Umfangsbereich; in der Sitzfläche ist eine Ringlippe 33 aus elastomerem Werkstoff durch Vulkanisieren befestigt. Auf der rechten Seite ist die Ringlippe 33 mit einer leichten Verformung nach oben dargestellt, um anschaulich zu machen, daß sie in der Lage ist, einem unerwünscht hohen Druck im Zylinderraum in Art eines Überdruckventils nachzugeben. Derartig hohe Drücke können dann entstehen, wenn es zu Verschlüssen von Schmieröldruckleitungen kommt, die an den Ölkanal 5 angeschlossen sind. In diesem Fall verhindert die Über¬ druckfunktion der Ringlippe 33, daß es zu Beschädigungen im Bereich der Druckleitungen oder von diesen versorgten Lagerstellen kommt.
Die beschriebene Ölpumpe besteht aus wenigen Bauteilen; in einer besonders einfachen Ausführungsform (Fig. 1 - 5) verzichtet sie sogar auf die Verwendung verschlei߬ anfälliger Dichtungen zwischen Kolbenplatte und Zylinder-
topf;. für die schmale Exzenterstange wird nur wenig Raum in axialer Richtung der Kurbelwelle benötigt. Durch den Antrieb entsprechend der Kurbelwellendrehzahl erzeugt die Ölpumpe im Sinne einer einfach wirkenden Kolbenpumpe einen intermittierenden Ölstrom, dessen Fördermenge den jewei¬ ligen Erfordernissen durch entsprechende Dimensionierung der Ölpumpe angepaßt werden kann. Beispielsweise beträgt die Fördermenge bei einem Innendurchmesser des Zylinder¬ topfs 2 von 36 mm knapp zwei Liter/Minute bei einer Dreh¬ zahl von 3.000 Umdrehungen/Minute. Weitere Einflußgrößen auf die Fördermenge sind selbstverständlich der Pumpenhub und die Dimensionierung der verschiedenen Bohrungen, z.B. der Durchgangsbohrungen 17 in der Kolbenplatte 3, der Schlitze 20 im Halsteil 9 und der radialen Bohrungen 6 in der Hohlschraube 4. Die Ölpumpe wird zweckmäßig in den Massenausgleich des Hubkolbenmotors miteinbezogen, was bei Einzylindermotoren besonders vorteilhaft ist, weil dadurch der Massenausgleich verbessert werden kann.