DE102016216049A1

DE102016216049A1 - Flügelzellenpumpe, Fluidsystem und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016216049A1
Application number: DE102016216049.4A
Authority: DE
Inventors: Christine Landsberg; Axel-Oliver Koehler; Felix Ehrhardt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-03-01
Also published as: EP3287637A1

Abstract

Eine Flügelzellenpumpe (12) umfasst einen Stator (16) und einen innerhalb des Stators (16) drehbar gelagerten Rotor (18), wobei der Rotor (18) einen Grundkörper (22) und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers (22) verteilt angeordneten Flügeln (24) aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse (26) des Rotors (18) verschiebbar in dem Grundkörper (22) gehalten und mittels eines Beaufschlagungselements (28) des Rotors (18) gegen eine Innenseite des Stators (16) beaufschlagt sind, wodurch die Flügel (24) einen von dem Stator (16) und dem Grundkörper (22) begrenzten Förderraum (30) in mehrere Druckkammern unterteilen. Erfindungsgemäß sind die Flügel (24) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die Volumina von mindestens zwei Druckkammern, bezogen auf dieselbe Ausrichtung dieser Druckkammern innerhalb des Förderraums (30), unterschiedlich sind. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Laufruhe im Vergleich zu einer konventionellen gattungsgemäßen Flügelzellenpumpe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem Stator und einem innerhalb des Stators drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor einen Grundkörper und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers verteilt angeordneten Flügeln aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse des Rotors verschiebbar in dem Grundkörper gehalten und mittels eines Beaufschlagungselements des Rotors gegen eine Innenseite des Stators beaufschlagt sind, wodurch die Flügel einen von dem Stator und dem Grundkörper begrenzten Förderraum in mehrere Druckkammern unterteilen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fluidsystem mit einer solchen Pumpe sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Fluidsystem.
Eine Schmiermittelpumpe in Form einer Flügelzellenpumpe ist beispielsweise aus der DE 10 2005 034 712 A1 bekannt. Bei dieser ist in für Flügelzellenpumpen üblicher Weise ein mehrere Flügel aufweisender Rotor exzentrisch innerhalb eines Stators gelagert, wobei zwischen diesen ein sichelförmiger Förderraum ausgebildet ist, der mittels der Flügel des Rotors in mehrere Druckkammern unterteilt wird, wobei sich die Größen dieser Druckkammern innerhalb einer Umdrehung des Rotors zunächst vergrößern, wodurch ein Unterdruck erzeugt wird, der zu einem Ansaugen von Schmiermittel über einen entsprechend positionierten Pumpeneinlass führt, und anschließend wieder verkleinern, wodurch ein Überdruck erzeugt wird, der zu dem gewünschten Fördern des Schmiermittels zu der zu schmierenden Komponente führt. Der Stator selbst ist verlagerbar innerhalb eines Gehäuses der Flügelzellenpumpe gelagert, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Größe der Druckkammern zu verändern, wenn diese mit dem Pumpeneinlass und dem Pumpenauslass fluidleitend verbunden sind. Dadurch kann die Förderleistung der Schmiermittelpumpe beeinflusst werden.
Bei der Flügelzellenpumpe gemäß der DE 10 2005 034 712 A1 sind die Flügel derart in den Rotor integriert sein, dass die Größen der von diesen begrenzten Druckkammern, bezogen auf die jeweils gleiche Ausrichtung innerhalb des Förderraums, im Wesentlichen gleich sind. Dies führt dazu, dass bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit des Rotors der Verlauf des Drucks, d.h. der Gradient der Druckerhöhung, die zum Ausstoßen des zu fördernden Fluids aus einem Hochdruckabschnitt des Förderraums führt, und der Gradient der sich an die Druckerhöhung anschließenden Druckabsenkung, die zum Ansaugen des zu fördernden Fluids in einen Niederdruckabschnitt des Förderraums führt, für sämtliche der Druckkammern im Wesentlichen identisch ist. Dies führt zu einer relativ gleichmäßigen Pulsation des Fluiddrucks, die zum einen zu einer Schwingungsanregung von mit dem Fluid in Kontakt kommenden Komponenten und zum anderen zu einem entsprechend stark schwankenden Antriebswiderstand der Flügelzellenpumpe für einen dazugehörigen Antrieb führt. Diese Auswirkungen des Betriebs einer Flügelzellenpumpe können zusammengefasst als Laufruhe der Flügelzellenpumpe definiert werden.
Aus der DE 10 2010 023 068 A1 ist eine Flügelzellenpumpe in Form einer Pendelschieberpumpe bekannt, bei der die Flügel schwenkbar an einem Außenrotor und radial beweglich in einem Innenrotor gelagert sind, wobei die Anordnung bezüglich des Innenrotors asymmetrisch ist. Dadurch soll eine erhöhte Laufruhe für die Pendelschieberpumpe realisiert werden können.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Flügelzellenpumpe hinsichtlich der Laufruhe zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mittels einer Flügelzellenpumpe gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Fluidsystem mit einer solchen Flügelzellenpumpe und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Fluidsystem sind Gegenstände der Patentansprüche 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe und damit des erfindungsgemäßen Fluidsystems und der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine gattungsgemäße Flügelzellenpumpe umfasst einen Stator und einen innerhalb des Stators drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor einen Grundkörper und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers verteilt angeordneten Flügeln aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse des Rotors verschiebbar in dem Grundkörper gehalten und mittels eines Beaufschlagungselements des Rotors gegen eine Innenseite des Stators beaufschlagt sind, wodurch die Flügel einen von dem Stator und dem Grundkörper begrenzten Förderraum in mehrere Druckkammern unterteilen. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Flügelzellenpumpe dadurch, dass die Flügel derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die Volumina von mindestens zwei, vorzugsweise von sämtlichen Druckkammern, bezogen auf dieselbe Ausrichtung dieser Druckkammern innerhalb des Förderraums, unterschiedlich sind.
Die unterschiedlichen Volumina der Druckkammern führen zu entsprechend unterschiedlichen Druckverläufen innerhalb dieser Druckräume über einer Umdrehung des Rotors, so dass insgesamt eine ungleichförmige Druckpulsation des durch die Flügelzellenpumpe geförderten Fluids erreicht wird. Dadurch kann zumindest eine Anregung von Schwingungen von mit dem Fluid in Kontakt kommenden Bauteilen gering gehalten werden. Folglich kann sich eine verbesserte Laufruhe einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe im Vergleich zu einer konventionellen gattungsgemäßen Flügelzellenpumpe ergeben.
Unter der Angabe, wonach die Flügel „in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse des Rotors verschiebbar in dem Grundkörper gehalten“ sind, ist nicht zu verstehen, dass die Flügel und/oder die diese verschiebbar aufnehmenden Aufnahmen des Rotors eine exakt radiale Ausrichtung bezüglich der Rotationsachse des Rotors aufweisen müssen. Vielmehr ist hierfür eine Ausrichtung ausreichend, die zumindest eine solche exakt radiale Richtungskomponente umfasst, wobei eine Ausrichtung, die um maximal 20°, vorzugsweise um maximal 10° von der exakt radialen Ausrichtung abweicht, bevorzugt ist.
Das Beaufschlagungselement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch dieses die Flügel unter elastischer Vorspannung gegen die Innenseite des Rotors beaufschlagt sind.
Grundsätzlich können die ungleichen Volumina der Druckkammern durch verschiedene konstruktive Maßnahmen in Alleinstellung oder in Kombination miteinander erzielt werden. Beispielsweise können die Flügel bezüglich der Rotationsachse unterschiedlich ausgerichtet sein oder unterschiedliche Abmessungen in Umfangsrichtung des Rotors aufweisen. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Umfangsabstände zwischen benachbarten Aufnahmen für die Flügel, die in dem Grundkörper ausgebildet sind, zumindest teilweise und vorzugsweise zwischen allen benachbarten Aufnahmen unterschiedlich sind. Für die Flügel beziehungsweise die diese radial beweglich führenden Aufnahmen des Rotors ist somit eine unterschiedliche Teilung über dem Umfang des Rotors vorgesehen. Dies stellt eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung dar, durch die die erfindungsgemäß unterschiedlichen Volumina einzelner oder aller Druckkammern der Flügelzellenpumpe realisiert werden können. Insbesondere kann dadurch auch ermöglicht werden, die Flügel selbst identisch auszubilden, wodurch die Herstellung- und Montagekosten für eine solche Flügelzellenpumpe gering gehalten werden können.
In einer bevorzugten Weiterbildung einer solchen erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe kann noch vorgesehen sein, dass die maximale Differenz der Umfangsabstände, bezogen auf den von diesen eingeschlossenen Winkel, höchstens 10° und vorzugsweise höchstens oder möglichst exakt 7° beträgt. Es hat sich herausgestellt sein, dass dadurch die Laufruhe der Flügelzellenpumpe im besonderen Maße verbessert werden kann, weil die Differenz der Umfangsabstände und damit die Differenz der Volumina der Druckkammern bereits groß genug ist, um wirkungsvoll durch eine ungleichmäßigere Druckpulsation eine Schwingungsanregung zu verringern, wobei diese Verringerung einer Schwingungsanregung nur geringfügig durch eine verschlechterte Laufruhe des Rotors infolge einer verschlechterten Rotationssymmetrie des Rotors, die aus der ungleichförmigen Verteilung der Flügel über dem Umfang des Rotors resultiert, kompensiert wird.
Eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe kann vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass deren Förderleistung auch unabhängig von der Drehzahl des Rotors einstellbar ist. Hierzu kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Rotor verlagerbar bezüglich des Förderraums angeordnet ist, d.h. durch eine Relativverlagerung von Stator und Rotor wird die Größe und/oder die Form des Förderraums verändert. Hierzu kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der Rotor oder der Stator (direkt oder indirekt, d.h. unter Zwischenschaltung mindestens eines weiteren Elements) mit einem Gehäuse der Flügelzellenpumpe einen Druckraum veränderlicher Größe begrenzt. Der Druckraum kann dafür vorgesehen sein, dass in diesen ein Fluid eingeleitet wird, wobei sich in Abhängigkeit von Höhe des Drucks des Fluids in dem Druckraum eine definierte Relativanordnung zwischen Stator und Rotor einstellt.
Zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe, die in konstruktiv einfacher und damit vorteilhafter Weise eine Steuerung oder Regelung der spezifischen Förderleistung in Abhängigkeit von einem Druck des Fluids, das in dem Druckraum vorliegt, ermöglicht, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Rotor oder der Stator derart an einem Federelement abgestützt ist, dass eine Vergrößerung des Druckraums zu einer zunehmenden Vorspannung des Federelements führt. Der Druck des Fluids in dem Druckraum arbeitet somit gegen ein Federelement, so dass durch eine relative Erhöhung des Drucks eine Verlagerung des Rotors oder des Stators bezüglich des Förderraums in Richtung einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Förderleistung realisiert werden kann, während eine relative Verringerung des Drucks infolge der dann temporär überwiegenden Rückstellkraft des Federelements zu einer solchen Verlagerung des Rotors oder Stators führt, durch die die Förderleistung entsprechend anders verändert wird.
Ein erfindungsgemäßes Fluidsystem umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe und zumindest einen Fluidkreislauf, in dem ein Fluid mittels der Flügelzellenpumpe förderbar ist.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Fluidsystem und einen in den Fluidkreislauf des Fluidsystems integrierten Verbrennungsmotor.
Bei dem Fluidsystem kann es sich beispielsweise um ein Schmiermittelsystem handeln, so das für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Fluidverbindung zwischen dem Niederdruckabschnitt des Förderraums der Flügelzellenpumpe und einem Schmiermittelreservoir vorgesehen sein kann. Alternativ kann es sich bei dem Fluidsystem um beispielsweise ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine handeln, wobei das zu fördernde Fluid dann insbesondere eine Kühlflüssigkeit sein kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluidsystems kann vorgesehen sein, dass eine Steuerung und insbesondere Regelung der Förderleistung der Flügelzellenpumpe zumindest auch mittels einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung erfolgen kann, die ein Steuerventil umfassen kann, durch das der Druck eines Fluids in einem Druckraum der Flügelzellenpumpe, den der Rotor oder der Stator (direkt oder indirekt) mit einem Gehäuse begrenzt und der eine veränderliche Größe aufweist, steuerbar ist.
Vorzugsweise kann eine Selbstregelung der Förderleistung der Flügelzellenpumpe mittels des Steuerventils vorgesehen sein, wozu der Druck des Fluids in dem Druckraum mittels des Steuerventils in Abhängigkeit von dem Druck, den die Flügelzellenpumpe erzeugt, geregelt wird. Hierzu kann das Steuerventil einen in einem Ventilgehäuse verlagerbaren Ventilköper aufweisen, wobei der Ventilköper (direkt oder indirekt) mit dem Ventilgehäuse einen Steuerdruckraum veränderlicher Größe begrenzt, der direkt oder vorzugsweise indirekt (d.h. unter Zwischenschaltung eines eine Strömung des Fluids im relevanten Maße beeinflussenden Funktionselements) fluidleitend mit dem Hochdruckabschnitt des Förderraums der Flügelzellenpumpe verbunden ist. Bei einer konstruktiv einfachen und somit vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen Steuerventils kann dann noch vorgesehen sein, dass der Ventilköper (direkt oder indirekt) derart an einem Federelement abgestützt ist, dass eine Vergrößerung des Steuerdruckraums zu einer zunehmenden Vorspannung des Federelements führt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass eine Fluidverbindung, über die der Druckraum der Flügelzellenpumpe, gesteuert mittels des Steuerventils, mit dem geförderten Fluid beaufschlagbar ist, stromab einer die Strömung des Fluids oder das Fluid selbst beeinflussenden Funktionskomponente, bei der es sich insbesondere um eine Kühl- und/oder Reinigungsvorrichtung für das Fluid handeln kann, aus dem Fluidkreislauf abgehen. Durch eine Abzweigung eines Teilstroms des geförderten Fluids, mittels dessen eine Steuerung oder Regelung der Förderleistung der Pumpe unter Verwendung des Steuerventils erfolgen soll, stromab einer solchen Kühl- und/oder Reinigungsvorrichtung kann eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Steuerventils durch eine zu hohe Fluidtemperatur und/oder durch eine Verunreinigung des Fluids vermieden werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die ein solches Fluidsystem aufweist, kann der Druck des Fluids, mit dem der Steuerdruckraum des Steuerventils beaufschlagt wird, insbesondere in einem Fluidkanal des Verbrennungsmotors abgegriffen werden, weil in einem Betrieb des Verbrennungsmotors primär die erforderliche Versorgung des Verbrennungsmotors mit dem Fluid für die Steuerung oder Regelung der Förderleistung der Flügelzellenpumpe herangezogen werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Selbstregelung der Förderleistung der Flügelzellenpumpe mittels des Steuerventils kann auch vorgesehen sein, das Steuerventil aktiv zu betätigen oder zu beeinflussen, wodurch insbesondere eine (noch) genauere Anpassung der Förderleistung an einen veränderlichen Bedarf des zu fördernden Fluids erfolgen kann. Hierzu kann in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluidsystems ein Aktor vorgesehen sein, durch den die Größe des Steuerdruckraums des Steuerventils veränderbar ist.
Eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe kann weiterhin bevorzugt ein Druckbegrenzungsventil umfassen, wobei ein Einlass des Druckbegrenzungsventils mit dem Hochdruckabschnitt des Förderraums vorzugsweise direkt fluidleitend verbunden ist. Mittels eines solchen Druckbegrenzungsventils kann eine Begrenzung des Drucks auf der Hochdruckseite der Flügelzellenpumpe realisiert werden. Hierzu kann vorgesehen sein, dass ein Auslass des Druckbegrenzungsventils mit dem Niederdruckabschnitt des Förderraums der Flügelzellenpumpe direkt oder indirekt fluidleitend verbunden ist. Vorzugsweise kann dabei eine Ableitung eines Teils des Fluids über das dann geöffnete Druckbegrenzungsventil in ein Fluidreservoir und beispielsweise ein Schmiermittel- oder Kühlmittelreservoir, das mit dem Niederdruckabschnitt des Förderraums der Flügelzellenpumpe fluidleitend verbunden ist, vorgesehen sein.
Der Begriff „Pumpe" beziehungsweise „Flügelzellenpumpe" soll erfindungsgemäß nicht nur Vorrichtungen zum Fördern von Flüssigkeiten sondern Vorrichtungen zum Fördern von Fluiden insgesamt, d.h. auch von Gasen, umfassen. Demnach kann es sich bei einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe und auch um einen Verdichter handeln.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
2: eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe; und
3: einen Grundkörper eines Rotors der Flügelzellenpumpe gemäß der 2.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 10 sowie ein erfindungsgemäßes Fluidsystem mit einem Fluidkreislauf. Bei dem Fluidkreislauf kann es sich beispielsweise um einen Schmiermittelkreislauf handeln, der unter anderem der Versorgung des Verbrennungsmotors 10 mit Schmiermittel dient.
In den Fluidkreislauf des Fluidsystems ist weiterhin eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe 12 integriert, durch die ein Fluid in dem Fluidkreislauf gefördert wird. Dazu saugt die Flügelzellenpumpe 12 das Fluid aus einem Fluidreservoir 58 an und drückt dieses unter erhöhtem hydraulischem Druck in den stromab der Flügelzellenpumpe 12 angeordneten Abschnitt des Fluidkreislaufs.
Die Flügelzellenpumpe 12 kann gemäß der 2 als hinsichtlich der spezifischen Förderleistung veränderbar ausgebildet sein. Dazu umfasst diese ein Gehäuse 14, innerhalb dessen ein in einem Abschnitt ringförmig ausgebildeter Stator 16 schwenkbar gelagert ist, wobei der Stator 16 ein zylindrisches Innenvolumen begrenzt, innerhalb dessen ein Rotor 18 angeordnet ist.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 wird der Rotor 18 der Pumpe 12 direkt oder unter Zwischenschaltung eines Getriebes von dem Verbrennungsmotor 10 selbst angetrieben. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit eines andersartigen Antriebs des Rotors 18, beispielsweise mittels eines separaten Antriebsmotors, der insbesondere elektromotorisch ausgebildet sein kann.
Der Rotor 18 umfasst neben einer Antriebswelle 20 einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 22, der drehfest mit der Antriebswelle 20 verbunden ist. Über dem Umfang des Grundkörpers 22 verteilt sind eine Mehrzahl (hier konkret sieben) von sich radial und parallel zur Rotationsachse 26 des Rotors 18 erstreckenden, schlitzförmigen Aufnahmen 38 vorgesehen, in denen jeweils ein Flügel 24 des Rotors 18 in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 26 verschiebbar angeordnet ist. Ein innerhalb des Grundkörpers 22 angeordnetes, ringförmiges Beaufschlagungselement 28, bestehend aus einem relativ hochelastischen Werkstoff, beispielsweise einem Elastomer, beaufschlagt die Flügel 24 des Rotors 18 in radialer Richtung nach außen, wodurch diese mit ihren bezüglich des Federelements 28 distalen Stirnseiten gegen die das zylindrische Innenvolumen begrenzende Innenwandung des Stators 16 beaufschlagt sind.
In allen möglichen (Schwenk-)Stellungen des Stators 16 innerhalb des Gehäuses 14 (gegebenenfalls mit Ausnahme einer Nullstellung, in der die Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 trotz eines rotierenden Antriebs des Rotors 16 Null beträgt) ist die Rotationsachse 26 des Rotors 18 dezentral bezüglich der Längsachse des zylindrischen Innenvolumens angeordnet. Dadurch ist zwischen der das zylindrische Innenvolumen begrenzenden Innenwandung des Stators 16 und der Mantelfläche des Grundkörpers 22 des Rotors 18 ein im Querschnitt sichelförmiger Förderraum 30 begrenzt, der mittels der Flügel 24 des Rotors 18 in Druckkammern mit zyklisch veränderlicher Größe unterteilt ist.
In der 2 ist eine Betriebsstellung der Flügelzellenpumpe 12 dargestellt, in der die Exzentrizität des Rotors 18 bezüglich des zylindrischen Innenvolumens des Stators 16 maximal ist, so dass die Mantelfläche des Grundkörpers 22 des Rotors 18 an einem Umfangsabschnitt die Innenwandung des Stators 16 nahezu kontaktiert. In der 2 ist dies ungefähr in demjenigen Umfangsabschnitt der Fall, in dem der unterste Flügel 24 des Rotors 18 positioniert ist. Dieser Umfangsabschnitt sowie der zu diesem Umfangsabschnitt um 180° versetzt angeordnete Umfangsabschnitt stellen diejenigen Bereiche dar, in denen der Förderraum 30 grundsätzlich mittels der Flügel 24 des Rotors 18 in einen Unterdruckabschnitt und einen Überdruckabschnitt unterteilt ist.
Bei einem Rotationsantrieb des Rotors 18 im Uhrzeigersinn gemäß der 2 stellt der bezüglich dieser Umfangsabschnitte links dargestellte Abschnitt des Förderraums 30 den Niederdruckabschnitt dar, in dem sich die radiale Breite des Förderraums 30 in Drehrichtung des Rotors 18 kontinuierlich vergrößert, wodurch in denjenigen Druckkammern, die durch die sich in dem Unterdruckabschnitt befindlichen Flügel 24 begrenzt sind, ein Unterdruck erzeugt wird, der zu einem Ansaugen von Fluid über einen nicht sichtbaren Fluideinlass, der in dem Unterdruckabschnitt des Förderraums 30 angeordnet ist, führt. Dagegen verkleinert sich die radiale Breite des in der 2 rechts dargestellten Überdruckabschnitts, wodurch der Druck des Fluids, das in den dortigen Druckkammern vorhanden ist, erhöht wird. Dies führt zu einem Verdrängen dieses Fluids über einen in der 2 nicht sichtbaren Fluidauslass, der in dem Überdruckabschnitt des Förderraums 30 angeordnet ist.
Infolge der maximal möglichen Exzentrizität des Rotors 18 bezüglich des Stators 16 gemäß der 2 ist in dem entsprechenden Betriebszustand der Flügelzellenpumpe 12 auch die jeweilige Größenänderung in dem Unterdruckabschnitt und dem Überdruckabschnitt des Förderraums 30 größtmöglich. Dies führt in entsprechender Weise zu einer maximalen spezifischen Förderleistung der Pumpe 12. In Richtung dieser Stellung wird der Stator 16, der mittels eines Schwenkgelenks 32 in dem Gehäuse 14 gelagert ist, mittels eines auf Druck vorgespannten Federelements 34 beaufschlagt.
Für eine Veränderung beziehungsweise Verkleinerung der spezifischen Förderleistung muss der Stator 16 unter zunehmender Vorspannung des Federelements 34 aus der in der 2 dargestellten Stellung verschwenkt werden. Dies erfolgt hydraulisch, indem einem Druckraum 36 Fluid mit einem Druck zugeführt wird, der unter Berücksichtigung der Fläche, über der der Druck wirksam ist, zu einer der Rückstellkraft des Federelements 34 entgegenwirkenden Kraft führt, die temporär größer als diese Rückstellkraft ist. Ein Verschwenken des Stators 16 erfolgt dann so weit, bis wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen der druckbedingten Kraft und der mit zunehmender Vorspannung des Federelements 34 ansteigenden Rückstellkraft erreicht ist.
Eine Steuerung oder Regelung der spezifischen Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 erfolgt demnach mittels eines veränderlichen hydraulischen Drucks in dem Druckraum 36, wobei dieser hydraulische Druck mittels einer entsprechenden Fluidverbindung in einem Abschnitt des Fluidkreislaufs abgegriffen wird, der stromauf oder innerhalb des Verbrennungsmotors 10, beispielsweise in einem Fluidkanal, der in einen Zylinderkopf oder ein Zylindergehäuse des Verbrennungsmotors 10 integriert ist, und stromab eines Fluidfilters 40 angeordnet ist (vgl. 1). Dabei wird eine Zufuhr von Fluid in den Druckraum 36 mittels eines Steuerventils 42 gesteuert, das in die entsprechende Fluidverbindung integriert ist.
Das Steuerventil 42 weist einen in einem Ventilgehäuse 44 verschiebbaren Ventilköper auf, der mit dem Ventilgehäuse 44 einen Steuerdruckraum 46 veränderlicher Größe begrenzt, wobei dieser Steuerdruckraum 46 über einen entsprechenden Abschnitt der Fluidverbindung mit dem entsprechenden Abschnitt des Fluidkreislaufs und damit indirekt mit dem Hochdruckabschnitt der Flügelzellenpumpe 12 verbunden ist. Der hydraulische Druck des Fluids in dem Steuerdruckraum 46 des Steuerventils 42 erzeugt eine Kraft auf den Ventilkörper, die einer Rückstellkraft eines vorgespannten Federelements 48 des Steuerventils 42 entgegenwirkt. Übersteigt diese hydraulisch erzeugte Kraft infolge einer Förderung von Fluid durch die Flügelzellenpumpe 12 über dem Bedarf des Verbrennungsmotors 10 die Rückstellkraft des Federelements 48 so weit, dass das Steuerventil 42 umgeschaltet wird, wird der erste Druckraum 36 mit dem entsprechenden Abschnitt des Fluidkreislaufs verbunden. Der so erzeugte relativ hohe hydraulische Druck in dem Druckraum 36 führt dann zu einem Verschwenken des Stators 16 innerhalb des Gehäuses 14 der Flügelzellenpumpe 12 und folglich zu einer Verringerung der spezifischen Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 in Abhängigkeit von dem konkreten hydraulischen Druck in dem entsprechenden Abschnitt des Fluidkreislaufs. Mittels des Steuerventils 42 wird folglich eine Selbstregelung der spezifischen Förderleistung der Pumpe 12 in Abhängigkeit von dem hydraulischen Druck des von der Flügelzellenpumpe 12 geförderten Fluids realisiert.
Um eine möglichst exakte Anpassung der absoluten Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 an den Fluidbedarf des Verbrennungsmotors 10 (und gegebenenfalls anderer in den Fluidkreislauf integrierter Komponenten) zu erreichen, kann das Steuerventil 42 ergänzend auch mittels eines aktiv ansteuerbaren Aktors 50 umgeschaltet werden. Dabei kann ein Ansteuern des Aktors 50 insbesondere in Abhängigkeit von verschiedenen (gemessenen oder auf andere Weise ermittelten) Betriebsparametern der Brennkraftmaschine mittels einer nicht dargestellten Steuervorrichtung (insbesondere einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine) erfolgen.
Insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bei relativ niedrigen Umgebungstemperaturen und folglich bei einer relativ hohen Viskosität des Fluids (insbesondere bei einem Schmiermittel relevant) kann es dazu kommen, dass die Flügelzellenpumpe 12 infolge eines kurzfristig oder unmittelbar nach dem Kaltstart vorliegenden Antriebs des Verbrennungsmotors 10 mit relativ hohen Betriebsdrehzahlen und in Kombination mit der durch das Federelement 34 eingestellten Stellung des Stators 16, die zu einer maximalen spezifischen Förderleistung führt, eine relativ hohe absolute Förderleistung aufweist, die infolge der relativ schlechten Fließfähigkeit des Fluids (Schmiermittels) zu einem hohen hydraulischen Druck in dem Hochdruckabschnitt der Flügelzellenpumpe 12 und in dem sich direkt daran anschließenden Abschnitt des Fluidkreislaufs (insbesondere in dem sich bis zu dem Fluidfilter 40 erstreckenden Abschnitt) führt, während der hydraulische Druck in demjenigen Abschnitt des Fluidkreislaufs, in dem die das Steuerventil 42 integrierende Fluidverbindung abgeht, deutlich darunter liegt. Dies könnte zu einer vergleichsweise hohen Belastung der Flügelzellenpumpe 12 und der Fluidleitungen in dem sich an die Flügelzellenpumpe 12 unmittelbar anschließenden Abschnitt des Fluidkreislaufs sowie zu einem unnötig hohen Antriebswiderstand für den Verbrennungsmotor 10, der durch die Flügelzellenpumpe 12 erzeugt wird, führen. Da der hydraulische Druck in dem Abschnitt des Fluidkreislaufs, in dem die das Steuerventil 42 integrierende Fluidleitung abgeht, dann deutlich niedriger als in dem Hochdruckabschnitt der Flügelzellenpumpe 12 ist, kann über den hydraulischen Druck in dem Druckraum 36 keine geeignete Regelung der spezifischen Förderleistung der Flügelzellenpumpe 12 erreicht werden.
Um diesen Nachteil zu vermeiden ist ein Druckbegrenzungsventil 52 in direkter und möglichst kurzer Verbindung mit dem Hochdruckabschnitt des Förderraums 30 vorgesehen. Bei der Flügelzellenpumpe 12 gemäß der 2 ist das Druckbegrenzungsventil 52 in das Gehäuse 14 der Flügelzellenpumpe 12 selbst integriert. Das Druckbegrenzungsventil 52, das vorzugsweise in Form eines einfachen Rückschlagventils ausgebildet ist, öffnet beim Überschreiten eines Grenzwerts des hydraulischen Drucks in dem Hochdruckabschnitt des Förderraums 30 und leitet dadurch einen Teil des von der Flügelzellenpumpe 12 geförderten Fluids in das Fluidreservoir 58 zurück.
Der Fluidfilter 40 der Brennkraftmaschine gemäß der 1 ist mittels eines über ein Rückschlagventil 54 gesteuerten Bypasses 56 umgehbar ausgeführt, um insbesondere bei einer Verstopfung des Fluidfilters 40 eine ununterbrochene und ausreichende Versorgung des Verbrennungsmotors 10 mit dem Fluid zu gewährleisten.
Um für die Flügelzellenpumpe 12 eine möglichst gute Laufruhe realisieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Druckkammern, in die der Förderraum 30 von den Flügeln 24 unterteilt ist, jeweils bezogen auf dieselbe Ausrichtung innerhalb des Förderraums 30 bei identischer Regelstellung des Stators 16, unterschiedliche Volumina aufweisen. Dabei sind die Volumina sämtlicher der insgesamt sieben Druckkammern unterschiedlich. Erreicht wird dies in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Umfangsabstände benachbarter Aufnahmen 38, die innerhalb des Grundkörpers 22 des Rotors 18 ausgebildet sind und die der Aufnahme jeweils eines Flügels 24 dienen, unterschiedlich sind, wie dies in der 3 dargestellt ist. Dort ist gezeigt, dass die Umfangsabstände der Aufnahmen 38, bezogen auf die von diesen Umfangsabständen jeweils über der Rotationsachse 26 eingeschlossenen Winkeln, zwischen minimal 48° und maximal 55° betragen, wobei keine gleichgroßen Umfangsabstände vorgesehen sind. Konkret betragen die insgesamt sieben Umfangsabstände 48°, 53°, 49°, 54°, 50°, 55°, 51° (in der Reihenfolge gemäß dem Uhrzeigersinn ausgehend von dem kleinsten Umfangsabstand). Die maximale Differenz zwischen dem kleinsten Umfangsabstand und dem größten Umfangsabstand, bezogen auf die von diesem eingeschlossenen Winkel, beträgt demnach 7°.
Die unterschiedlichen Volumina der Druckkammern führen zu entsprechend unterschiedlichen Druckverläufen innerhalb dieser Druckkammern über einer Umdrehung des Rotors 18, so dass insgesamt eine ungleichförmige Druckpulsation des durch die Flügelzellenpumpe 12 geförderten Fluids erreicht wird. Dadurch kann eine Anregung von Schwingungen von mit dem Fluid in Kontakt kommenden Bauteilen verringert werden, was in einer relativ guten Laufruhe der Flügelzellenpumpe 12 resultiert.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Flügelzellenpumpe
14: Gehäuse
16: Stator
18: Rotor
20: Antriebswelle
22: Grundkörper des Rotors
24: Flügel
26: Rotationsachse des Rotors
28: Beaufschlagungselement des Rotors
30: Förderraum
32: Schwenkgelenk
34: Federelement der Pumpe
36: Druckraum
38: Aufnahme des Grundkörpers
40: Fluidfilter
42: Steuerventil
44: Ventilgehäuse
46: Steuerdruckraum
48: Federelement des Steuerventils
50: Aktor
52: Druckbegrenzungsventil
54: Rückschlagventil
56: Bypass
58: Fluidreservoir

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005034712 A1 [0002, 0003]
DE 102010023068 A1 [0004]

Claims

Flügelzellenpumpe (12) mit einem Stator (16) und einem innerhalb des Stators (16) drehbar gelagerten Rotor (18), wobei der Rotor (18) einen Grundkörper (22) und eine Mehrzahl von über dem Umfang des Grundkörpers (22) verteilt angeordneten Flügeln (24) aufweist, die in einer radialen Richtung bezüglich einer Rotationsachse (26) des Rotors (18) verschiebbar in dem Grundkörper (22) gehalten und mittels eines Beaufschlagungselements (28) des Rotors (18) gegen eine Innenseite des Stators (16) beaufschlagt sind, wodurch die Flügel (24) einen von dem Stator (16) und dem Grundkörper (22) begrenzten Förderraum (30) in mehrere Druckkammern unterteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (24) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die Volumina von mindestens zwei Druckkammern, bezogen auf dieselbe Ausrichtung dieser Druckkammern innerhalb des Förderraums (30), unterschiedlich sind.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina sämtlicher Druckkammern unterschiedlich sind.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsabstände zwischen benachbarten Aufnahmen (38) für die Flügel (24), die in dem Grundkörper (22) ausgebildet sind, zumindest teilweise unterschiedlich sind.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsabstände zwischen allen benachbarten Aufnahmen (38) unterschiedlich sind.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Differenz der Umfangsabstände, bezogen auf den von diesen eingeschlossenen Winkel, maximal 10° und vorzugsweise maximal oder im Wesentlichen exakt 7° beträgt.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (24) identisch ausgebildet sind.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) verlagerbar bezüglich des Förderraums (30) angeordnet ist.
Flügelzellenpumpe (12) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) oder der Stator (16) mit einem Gehäuse (14) einen Druckraum (38) veränderlicher Größe begrenzt.
Fluidsystem mit einer Flügelzellenpumpe (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Fluidkreislauf, in dem ein Fluid mittels der Flügelzellenpumpe (12) förderbar ist.
Brennkraftmaschine mit einem Fluidsystem gemäß Anspruch 9 und mit einem in den Fluidkreislauf integrierten Verbrennungsmotor (10).