EP0681656B1 - Schmiermittelpumpe und verfahren zum regeln ihrer pumpleistung - Google Patents

Schmiermittelpumpe und verfahren zum regeln ihrer pumpleistung Download PDF

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EP0681656B1
EP0681656B1 EP94905653A EP94905653A EP0681656B1 EP 0681656 B1 EP0681656 B1 EP 0681656B1 EP 94905653 A EP94905653 A EP 94905653A EP 94905653 A EP94905653 A EP 94905653A EP 0681656 B1 EP0681656 B1 EP 0681656B1
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EP
European Patent Office
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pump
pressure
temperature
lubricant
control
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94905653A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0681656A1 (de
Inventor
Uwe Lehmann
Bodo Stich
Maik Wilhelm
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.)
Daimler Benz AG
Original Assignee
Daimler Benz AG
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Publication date
Application filed by Daimler Benz AG filed Critical Daimler Benz AG
Publication of EP0681656A1 publication Critical patent/EP0681656A1/de
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Publication of EP0681656B1 publication Critical patent/EP0681656B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C14/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations
    • F04C14/18—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by varying the volume of the working chamber
    • F04C14/22—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by varying the volume of the working chamber by changing the eccentricity between cooperating members
    • F04C14/223—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by varying the volume of the working chamber by changing the eccentricity between cooperating members using a movable cam
    • F04C14/226—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by varying the volume of the working chamber by changing the eccentricity between cooperating members using a movable cam by pivoting the cam around an eccentric axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/19—Temperature

Definitions

  • the present invention relates to a method for regulating the Pump performance of lubricant pumps, in which the pump performance over the prevailing at the pump outlet or at a consumption point Pressure is controlled so that the pressure increases Pump power is effectively reduced.
  • the present concerns Invention a controllable lubricant pump with a Control device through which to limit the flow rate Pump power is effectively reduced.
  • a corresponding procedure and a corresponding device are from DE 33 33 647 A1 known.
  • a controllable lubricant pump (Vane pump) with automatic pressure control with an in described a housing on one side pivoted cam ring, whose eccentricity from the pumped medium Pressure medium area by means of a spring biased counter bracket control device is adjustable, as well as with suction and pressure openings in the housing, whereby to the radial Support the wing of said vane pump against the Hubring at least two guide rings in chambers on the two End faces of the rotor body are arranged radially movable and a channel connects the pressure side with the chambers.
  • the counter bracket biased by a compression spring a stop has and the control device on the to tap the Hubringes opposite side is a control piston, the Inside via a control line directly with the pressure side of the pump connected is.
  • the application of the present invention is not limited to vane pumps.
  • the invention can also be applied to all controllable pumps, in particular also to those that only have a so-called loss control, i.e. which, when a predeterminable pressure is exceeded, excess lubricant over a Bypass bypass at points of consumption, only the pumped through the system Lubricant quantity (effective delivery quantity) is reduced, but not that by the pump self-funded amount.
  • loss control i.e. which, when a predeterminable pressure is exceeded, excess lubricant over a Bypass bypass at points of consumption, only the pumped through the system Lubricant quantity (effective delivery quantity) is reduced, but not that by the pump self-funded amount.
  • adjustable Pumps preferred, in which the delivery capacity of the pumps or their Delivery volume and not only the effective delivery volume can be influenced.
  • the term "effective delivery volume” is the volume of the lubricant understood which per unit of time through the consumption points, the corresponding feed and Discharges and any upstream units, such as Oil filter, under pressure is pumped. Oil which e.g. via bypass lines and to a pump sump is not considered part of the effective funding volume. That too Drainage of oil via bypass lines limits the pressure at the pump outlet and in entire system, whereby however no energy saving can be achieved. A noteworthy Energy reduction is only achieved if the pump-driven pump is used from the outset Volume is adapted to the requirements as with variable vane pumps or with multi-stage Constant pumps with register control.
  • Lubricant pumps of this type are primarily used for supplying lubrication points on internal combustion engines, in particular for motor vehicles.
  • the lubricant requirement or minimum requirement of an internal combustion engine is, however, of a number different factors.
  • the operating temperature is a key factor here the engine and / or the relevant lubrication points as well as the lubricant.
  • the oil generally used as a lubricant When cold, the oil generally used as a lubricant has a high viscosity and is difficult to push through narrow gaps in the lubrication points. At the same time, however, the lubricant requirement is also in the cold state of the internal combustion engine not excessively high, since the parts that move against each other in the cold state in general also have a smaller game against each other and the viscosity of the oil is large and therefore less oil can be passed through.
  • a pressure limitation is usually provided, which is either too much derives pumped lubricant via a bypass or the pump delivery rate immediately limited, so that the delivered lubricant at the predetermined limit pressure can be conveyed through the lubricant system.
  • the flow resistance in the lubricant system decreases, so that the delivery rate gradually can be increased, which happens, among other things, that the pressure is slightly below of the limit pressure drops, as a result of which the effective delivery rate or the pump output is increased accordingly.
  • the control characteristic of the known controllable pumps is included generally set so that the outlet pressure remains approximately constant and only the delivery rate varies depending on the flow resistance in the lubricant system.
  • the design point for the pump capacity is the oil requirement of the engine at idling speed when hot and with a correspondingly low-viscosity oil. Even in this condition Provide the pump with a certain minimum flow rate and thus a certain minimum oil pressure, the pump shaft generally being directly coupled to the motor, as previously mentioned.
  • the volumetric efficiency of the oil pumps decreases with decreasing temperature due to lower leakage losses.
  • the oil consumption of the Motors with falling temperature.
  • the engine throughputs of the Figure 1 does not reflect the amount of oil the engine actually has at the specified Speed and temperature as a minimum amount of lubricant, but only what he needs at constant pressure and the specified temperatures and speeds of lubricant records. The conveyance of lubricant that is not actually required in this quantity under pressure naturally costs energy.
  • this object is achieved in that a temperature and / or a speed detection an additional one from any pressure-dependent regulation independent regulation or limitation of the effective delivery volume takes place.
  • the temperature control permitted flow rate increases with temperature.
  • control device which has a temperature sensor and / or a speed sensor and an actuator which regardless of any pressure control, the effective delivery rate depending on the Temperature and / or speed reduced.
  • independent of any pressure control means in the sense of the present Invention does not necessarily mean that the temperature or speed control without any influence to the pressure control or from any pressure control in any operating condition remains unaffected, but only that temperature and / or speed as an additional, independent parameters for the setting of an oil flow and the resulting Oil pressure can be used.
  • the delivery rate is not only set so that at the points of consumption or any upstream or downstream aggregates, a specifiable maximum pressure is not exceeded, Instead, depending on the temperature and / or the speed, an additional further limitation of the flow rate can be adjusted so that the pressure at the outlet of the Pump or at the pressure measuring points provided for pump control still clearly remains below the predefinable maximum pressure, namely when the system z. B. at the suitable points measured temperature or in the low speed range has correspondingly lower lubricant requirements, so that the lubricant is not below the in particularly critical operating conditions require higher pressure or in a corresponding smaller amount must be provided (see Figure 2).
  • the lubricant pump according to the invention is an adjustable vane pump.
  • Adjustable vane pumps have the advantage that the mechanical adjustment of their cam ring in a relatively simple way Delivery volume can be adjusted. This has the advantage that the pump shaft directly with the Motor can be coupled and still a regulation of the delivery volume independent of the motor is possible.
  • other control devices are also conceivable, with which For example, the speed at which a lubricant pump is driven via pressure and / or temperature-related actuators is regulated. However, this requires one independent drive for the pump.
  • a wedge with a Thermostats such as a bimetallic strip, are provided, the one of which has a wedge flank the cam ring engages so that the cam ring is adjusted when the wedge is displaced.
  • a bimetal strip for example, can be part of the actuator or as an actuator itself are provided, such a bimetallic strip also being designed and can be arranged that, if desired, it engages directly with the cam ring and this is adjusted depending on the temperature of the bimetal strip.
  • Measurement and control can also take place, for example, via electrical elements, such as temperature-dependent electrical components, especially resistors, in an electrical Control loop are measured and emit an electrical signal as an output variable, the one adjustment of an actuator corresponding to the electrical signal.
  • electrical elements such as temperature-dependent electrical components, especially resistors
  • a special case of such a system is e.g. a stepped piston, one part of the surface for Pressure control from the outlet pressure of the pump or the pressure at a point of consumption is applied.
  • Another surface of the stepped piston can optionally be pressurized depending on the speed or temperature via a temperature or speed-controlled valve.
  • a temperature or speed-controlled valve At low temperature or speed, for example Valve must be open so that pressure is also applied to the second partial surface of the stepped piston is, which leads to a stronger adjustment of the stepped piston, so that the cam ring is set that there is a smaller delivery volume and thus a relatively small operating pressure sets.
  • the valve is switched over the temperature or Speed control closed, so that only a smaller area of the piston of Pressure is applied so that the pump to a higher outlet pressure and a higher Delivery rate is set.
  • the corresponding control and activation elements should be as simple as possible, so that the pump as a whole does not become much more complicated. This is especially true for the Use of the pump in standard situations, e.g. in internal combustion engines. In case of Motors or generally systems with a need for lubricants that change very strongly Operating conditions are exposed, but can also be a more complex temperature control the amount of lubricant appropriate and reasonable, provided that this additional effort correspondingly large energy savings due to the possible reduction in the amount of lubricant delivered.
  • the pressure in the feed lines to the engine has always the same value (e.g. 5 bar).
  • This pressure is designed so that in the most critical state, i.e. with the greatest oil demand, So at the highest temperature and the highest speed, with an oil of the lowest permissible viscosity the oil requirement of the engine is still covered.
  • a vane pump 1 with an adjustable lifting ring 2 is shown schematically in FIG.
  • a temperature controller for the eccentricity of the cam ring 2 is also shown schematically with respect to the pump shaft 6.
  • the temperature controller 3 consists of a temperature sensor or a thermosensitive element 4, a wedge 5 and a spring 7, which are in a row next to the Cam ring are arranged.
  • the temperature controller 3 is located inside, for example Pump housing and is in direct contact with the oil to be pumped, which by radial Openings penetrate into the cam ring and through axial openings in the pump housing again can leak. So that the thermosensitive element 4 is essentially at the temperature of the lubricant held.
  • element 4 could be, for example Be an element whose thermal expansion is relative in the temperature range of interest is large (for example, element 4 could contain a gas volume).
  • element 4 could contain a gas volume.
  • a compression spring 9 is provided, for example, which on a Actuating pin 10 of the cam ring 2 acts and this up against a flank of the wedge presses.
  • the cam ring 2 is relative to the pump shaft 6 so arranged that the cam ring eccentricity with respect to the shaft 6 by pivoting the Hubringes 2 upward about the axis 8, so when the wedge 5 moves to the right.
  • the cam ring 2 is flanked by one edge of the wedge 5 pressed down against the action of the spring 9 when the temperature of the lubricant system decreases or is lower, the wedge 5 shifting from right to left.
  • Suitable guides can ensure that the wedge 5 is not in the transverse direction to his can shift the intended travel range.
  • the vane pump can be essentially identical to the vane pump 4, only the control direction 3 is by a leaf spring or a bimetallic strip 4 ' replaced, which simultaneously the function of a temperature sensor and an actuator takes over. As the temperature increases, the two are firmly connected Metal strips of the bimetallic strip 4 'differ, so that depending on the relative arrangement of these two metal elements, the curvature of the leaf spring 4 'increases or decreases and the Eccentricity of the cam ring 2 with respect to the pump shaft is reduced accordingly or is enlarged.
  • an electrically controllable temperature controller is shown as an actuator 5, the measured by a temperature sensor and measured in a corresponding Control signal is implemented, which adjusts the cam ring in the desired direction, i.e. so, that its eccentricity increases with the temperature of the lubricant.
  • the remaining Details of the preload of the cam ring 2 by a spring 9 and the relative arrangement of lifting ring 2, bearing axis 8 and pump shaft 6 can with the embodiment of Figure 4 in be essentially identical.
  • FIG. 7 shows a further variant of the adjustment of the lifting ring of a vane pump shown.
  • a first partial area 11 of the step piston 5 constantly acted upon by the outlet pressure P2 of the pump, so that this provides a maximum pressure limitation.
  • a second stage of the Piston 5 on a surface 12 to which a pressure P1 can be applied which is the simplest Case is identical to pressure P2 and comes from the same source.
  • a controllable valve 13 is provided, which switches depending on the temperature and / or speed.
  • the valve 13 can be opened be so that both surfaces 11 and 12 are pressurized and thereby a larger Total force against the spring 9 acts as if only the surface 11 were pressurized.
  • the cam ring and shaft of the vane pump are arranged so that the eccentricity of the Lift ring by moving the actuator or step piston 5 down in Figure 7 is reduced.
  • the valve 13 With increasing temperature and / or speed, the valve 13 is closed, see above that only the surface 11 is pressurized and the cam ring under the effect of Spring 9 again in the direction of greater eccentricity and thus a higher delivery rate Vane pump is adjusted.
  • the valve can not only be temperature-dependent, but can also be switched depending on the speed. You have in addition to the pure Maximum pressure limitation and delivery volume control an additional limitation of the Delivery volume depending on the temperature and / or the speed of the motor.
  • the structure of the pump is somewhat reduced by the additional control elements provided more complicated, but the energy savings that can be achieved with the pump outweigh these small ones Disadvantage without further ado, especially since the embodiment according to FIG. 5 is a very simple implementation of the additional control according to the invention shows.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Pumpleistung von Schmiermittelpumpen, bei welchen die Pumpleistung über den am Pumpenausgang oder an einer Verbrauchsstelle herrschenden Druck derart geregelt wird, daß bei zunehmendem Druck die Pumpleistung effektiv reduziert wird. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung eine regelbare Schmiermittelpumpe mit einer Regeleinrichtung, durch welche zur Begrenzung der Fördermenge die Pumpleistung effektiv reduziert wird. Ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der DE 33 33 647 A1 bekannt.
In der bekannten Vorrichtung ist eine regelbare Schmiermittelpumpe (Flügelzellenpumpe) mit selbsttätiger Druckregelung mit einem in einem Gehäuse an einer Seite schwenkbar gelagerten Hubring beschrieben, dessen Exzentrizität durch das Fördermedium aus dem Druckmittelbereich mittels einer eine federnd vorgespannte Gegen halterung aufweisenden Regeleinrichtung einstellbar ist, sowie mit im Gehäuse befindlichen Saug- und Drucköffnungen, wobei zur radialen Abstützung der Flügel besagter Flügelzellenpumpe gegen den Hubring mindestens zwei Führungsringe in Kammern an den beiden Stirnseiten des Rotorkörpers radial beweglich angeordnet sind und ein Kanal die Druckseite mit den Kammern verbindet. Zur Anpassung der Schmiermittelmenge und des Druckes an die Erfordernisse und den jeweiligen Zustand des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, daß die durch eine Druckfeder vorgespannte Gegenhalterung einen Anschlag aufweist und die Regeleinrichtung auf der zum Zapfen des Hubringes gegenüberliegenden Seite ein Regelkolben ist, dessen Inneres über eine Regelleitung direkt mit der Druckseite der Pumpe verbunden ist.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf Flügelzellenpumpen beschränkt. Insbesondere kann die Erfindung auch angewendet werden auf alle regelbaren Pumpen, insbesondere auch auf solche, die lediglich eine sogenannte Verlustregelung aufweisen, d.h. welche bei Überschreiten eines vorgebbaren Druckes überschüssiges Schmiermittel über einen Bypaß an Verbrauchsstellen vorbeileiten, wobei lediglich die durch das System gepumpte Schmiermittelmenge (effektive Fördermenge) verringert wird, nicht jedoch die durch die Pumpe selbst geförderte Menge. Selbstverständlich sind gegenüber einem solchen System regelbare Pumpen bevorzugt, bei denen unmittelbar die Förderleistung der Pumpen bzw. deren Fördermenge und nicht nur deren effektives Fördervolumen beeinflußbar ist.
Dabei wird unter dem Begriff "effektives Fördervolumen" dasjenige Volumen des Schmiermittels verstanden, welches pro Zeiteinheit durch die Verbrauchsstellen, die entsprechenden Zu- und Ableitungen und gegebenenfalls etwaige vorgeschaltete Aggregate, wie z.B. Ölfilter, unter Druck gepumpt wird. Öl, welches z.B. über Bypaß-Leitungen ab- und zu einem Pumpensumpf zurückgeleitet wird, wird dabei nicht als Teil des effektiven Fördervolumens angesehen. Auch das Ableiten von Öl über Bypaß-Leitungen begrenzt den Druck am Ausgang der Pumpe und im gesamten System, wodurch allerdings keine Energieeinsparung zu erzielen ist. Eine nennenswerte Energiereduzierung wird nur erreicht, wenn von vornherein das von der Pumpe geförderte Volumen dem Bedarf angepaßtwird wie bei regelbaren Flügelzellenpumpen oder bei mehrstufigen Konstantpumpen mit Registerregelung.
Derartige Schmiermittelpumpen finden vor allem Verwendung für die Schmierstellenversorgung an Verbrennungsmotoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Der Schmiermittelbedarf bzw. Mindestbedarf eines Verbrennungsmotors ist jedoch von einer Reihe unterschiedlicher Faktoren abhängig. Ein wesentlicher Faktor ist dabei vor allem die Betriebstemperatur des Motors und/oder der betreffenden Schmierstellen sowie auch des Schmiermittels.
Im kalten Zustand hat das im allgemeinen als Schmiermittel verwendete Öl eine hohe Viskosität und läßt sich nur schlecht durch enge Zwischenräume in den Schmierstellen hindurchdrücken. Gleichzeitig ist jedoch auch der Schmiermittelbedarf im kalten Zustand des Verbrennungsmotors nicht übermäßig hoch, da die gegeneinander beweglichen Teile im kalten Zustand im allgemeinen auch ein kleineres Spiel gegeneinander haben und die Viskosität des Öles groß ist und daher weniger Öl durchgesetzt werden kann.
Bei dieser Ausgangslage hat man in der Vergangenheit die effektive Förderleistung der Schmiermittelpumpe so eingestellt, daß am Ausgang der Pumpe ein vorgegebener Maximaldruck nicht überschritten wurde. Es versteht sich, daß im kalten Zustand eines Motors, wegen des in diesem Temperaturbereich hochviskosen Öls beim Anlaufen des Motors und der damit direkt gekoppelten Schmiermittelpumpe der Druck am Ausgang der Schmiermittelpumpe zunächst relativ steil ansteigt, da der Fließwiderstand des Öls durch die Schmiermittelstellen relativ groß ist. Dabei besteht die Gefahr, daß einzelne Komponenten im Schmiermittelsystem, wie z.B. ein Ölfilter, durch die Beaufschlagung mit einem zu hohen Druck beschädigt oder zerstört werden. Aus diesem Grunde ist im Regelfall eine Druckbegrenzung vorgesehen, welche entweder das zuviel geförderte Schmiermittel über einen Bypaß ableitet oder aber die Fördermenge der Pumpe unmittelbar begrenzt, so daß das geförderte Schmiermittel bei dem vorgegebenen Grenzdruck durch das Schmiermittelsystem hindurchbefördert werden kann. Mit zunehmender Temperatur nimmt jedoch der Fließwiderstand im Schmiermittelsystem ab, so daß die Fördermenge allmählich gesteigert werden kann, was unter anderem dadurch geschieht, daß der Druck etwas unterhalb des Grenzdruckes absinkt, wodurch die effektive Fördermenge bzw. die Pumpenleistung entsprechend erhöht wird. Die Regelcharakteristik der bekannten regelbaren Pumpen ist dabei im allgemeinen so eingestellt, daß der Ausgangsdruck näherungsweise konstant bleibt und lediglich die Fördermenge in Abhängigkeit vom Fließwiderstand im Schmiermittelsystem variiert.
Dabei war man in der Vergangenheit der Ansicht, daß durch eine derartige Regelung dem unterschiedlichen Schmiermittelbedarf eines Verbrennungsmotors im kalten und im warmen Zustand hinreichend Rechnung getragen wird. Aus Kostengründen sind Schmierölpumpen für Verbrennungsmotoren generell so ausgelegt, daß sie bei der maximalen Betriebstemperatur und einem Öl der niedrigsten zulässigen Viskosität (= kritischster Schmierzustand) mit einer gewissen Reserve noch den Ölbedarf des Motors sicher decken, und zwar bei beliebigen Drehzahlen. Der Auslegungspunkt für die Pumpenkapazität ist dabei der Ölbedarf des Motors bei Leerlaufdrehzahl im heißen Zustand und mit entsprechend niedrig viskosem Öl. Auch in diesem Zustand muß die Pumpe eine gewisse Mindestfördermenge und damit einen gewissen Mindestöldruck bereitstellen, wobei die Pumpenwelle im allgemeinen direkt mit dem Motor gekoppelt ist, wie bereits erwähnt.
Ein anderer kritischer Zustand sind hohe Drehzahlen bei heißem Motor. Hier wird ein erheblich höherer Öldruck benötigt als bei niedrigen Drehzahlen. Die an sich bekannte Druckregelung wird deshalb mit einer entsprechenden Sicherheitsreserve auf diesen Betriebszustand eingestellt.
Da man im Stand der Technik den Druck auf diesem hohen Niveau konstant hält, der nur ausnahmsweise bei hohen Temperaturen und gleichzeitig niedrigen Drehzahlen unterschritten wird, so ist klar, daß über einen weiten Bereich normaler Betriebszustände hinweg ein wesentlich höhere Ölmenge durch das System gepumpt und ein wesentlich höherer Öldruck aufrechterhalten wird als es dem tatsächlichen Bedarf (Mindestölbedarf bzw. Mindestöldruck) entspricht. Hält man den Druck konstant, so ergeben sich für unterschiedliche Temperaturen die sogenannten Schluckkurven von Verbrennungsmotoren in Abhängigkeit von der Drehzahl, wie sie in Figur 1 schematisch dargestellt sind.
In der Regel nimmt der volumetrische Wirkungsgrad der Ölpumpen mit abnehmender Temperatur zu, und zwar bedingt durch geringere Leckageverluste. Gleichzeitig nimmt der Schierölbedarf des Motors mit fallender Temperatur ab. Dies hat zur Folge, daß bei niedrigeren Temperaturen als der maximalen Betriebstemperatur von den Ölpumpen in jedem Betriebszustand, d.h. bei beliebiger Motordrehzahl, mehr Öl gefördert wird als der Motor benötigt. Die Motordurchsatzmengen der Figur 1 geben also nicht wieder, welche Ölmenge der Motor tatsächlich bei der angegebenen Drehzahl und Temperatur als Mindestschmiermittelmenge benötigt, sondern lediglich das, was er bei konstantem Druck und den angegebenen Temperaturen und Drehzahlen an Schmiermittel aufnimmt. Das Fördem von an sich nicht in dieser Menge benötigtem Schmiermittel unter Druck kostet selbstverständlich Energie.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern von Schmiermittelpumpen und eine entsprechende Schmiermittelpumpe zu schaffen, welche insgesamt einen geringeren Energiebedarf haben.
Hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß über eine Temperatur- und/oder eine Drehzahlerfassung eine zusätzliche, von einer etwaigen druckabhängigen Regelung unabhängige Regelung bzw. Begrenzung des effektiven Fördervolumens stattfindet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin vorgesehen, daß die über die Temperaturregelung zugelassene Fördermenge mit der Temperatur zunimmt.
Hinsichtlich der eingangs genannten, vorzugsweise regelbaren, Schmiermittelpumpe wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die einen Temperatursensor und/oder einen Drehzahlsensor aufweist sowie ein Stellglied, welches unabhängig von einer etwaigen Druckregelung die effektive Fördermenge in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Drehzahl reduziert.
Die Aussage: "unabhängig von einer etwaigen Druckregelung" bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise, daß die Temperatur- bzw. Drehzahlregelung ohne jeden Einfluß auf die Druckregelung ist oder etwa von einer etwaigen Druckregelung in jedem Betriebszustand unbeeinflußt bleibt, sondem lediglich, daß Temperatur und/oder Drehzahl als zusätzliche, unbhängige Parameter für die Einstellung einer Ölfördermenge und des daraus resultierenden Öldruckes verwendet werden.
Damit wird die Fördermenge nicht nur so eingestellt, daß an den Verbrauchsstellen oder etwaigen vor- oder nachgeschafteten Aggregaten, ein vorgebbarer Maximaldruck nicht überschritten wird, sondern es kann in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Drehzahl zusätzlich eine weitere Begrenzung der Fördermenge eingeregelt werden, so daß der Druck am Ausgang der Pumpe oder an den für die Pumpenregelung vorgesehenen Druckmeßstellen noch deutlich unterhalb des vorgebbaren Maximaldruckes bleibt, wenn nämlich das System z. B. bei der an geeigneten Stellen gemessenen Temperatur oder im niedrigen Drehzahlbereich einen entsprechend geringeren Schmiermittelbedarf hat, so daß das Schmiermittel nicht unter dem in besonders kritischen Betriebszuständen erforderlichen höheren Druck bzw. in einer entsprechend kleineren Menge bereitgestellt werden muß (siehe Figur 2).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Schmiermittelpumpe eine regelbare Flügelzellenpumpe. Regelbare Flügelzellenpumpen haben den Vorteil, daß sich bei ihnen über eine mechanische Verstellung ihres Hubringes in relativ einfacher Weise das Fördervolumen einstellen läßt. Dies hat den Vorteil, daß die Pumpenwelle unmittelbar mit dem Motor gekoppelt sein kann und dennoch eine vom Motor unabhängige Regelung des Fördervolumens möglich ist. Selbstverständlich sind auch andere Regeleinrichtungen denkbar, bei welchen beispielsweise die Drehzahl, mit welcher eine Schmiermittelpumpe angetrieben wird, über druck- und/oder temperaturbezogen arbeitende Stellglieder geregelt wird. Dies erfordert allerdings einen unabhängigen Antrieb für die Pumpe.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als Stellglied ein Keil mit einem Thermostaten, wie zum Beispiel einem Bimetallstreifen, vorgesehen, dessen eine Keilflanke mit dem Hubring in Eingriff tritt, so daß bei einer Verschiebung des Keils der Hubring verstellt wird.
Als Teil des Stellgliedes bzw. als Stellglied selbst kann beispielsweise ein Bimetallstreifen vorgesehen werden, wobei ein solcher Bimetallstreifen zusätzlich auch so ausgestaltet und angeordnet werden kann, daß er, falls gewünscht, unmittelbar mit dem Hubring in Eingriff tritt und diesen je nach der Temperatur des Bimetallstreifens verstellt.
Auch andere Meßsensoren und Ansteuerungsmethoden sind dem Fachmann geläufig. Messung und Ansteuerung können beispielsweise auch über elektrische Elemente erfolgen, wie z.B. temperaturabhängige elektrische Bauteile, insbesondere Widerstände, die in einem elektrischen Regelkreis gemessen werden und als Ausgangsgröße ein elektrisches Signal abgeben, das eine dem elektrischen Signal entsprechende Verstellung eines Stellgliedes hervorruft.
Ein Sonderfall eines solchen Systems ist z.B. ein Stufenkolben, dessen eine Teilfläche zur Druckregelung vom Ausgangsdruck der Pumpe oder dem Druck an einer Verbrauchsstelle beaufschlagt wird. Eine weitere Fläche des Stufenkolbens kann wahlweise mit Druck beaufschlagt werden und zwar in Abhängigkeit von der Drehzahl oder der Temperatur über ein temperatur- bzw. drehzahlgesteuertes Ventil. Bei niedriger Temperatur oder Drehzahl kann beispielsweise das Ventil geöffnet sein, so daß auch die zweite Teilfläche des Stufenkolbens mit Druck beaufschlagt wird, was zu einer stärkeren Verstellung des Stufenkolbens führt, so daß der Hubring so eingestellt wird, daß sich ein kleineres Fördervolumen und damit ein relativ kleiner Betriebsdruck einstellt. Bei höherer Temperatur oder Drehzahl wird das Ventil über die Temperatur- bzw Drehzahlansteuerung geschlossen, so daß nur noch eine kleinere Teilfläche des Kolbens von Druck beaufschlagt wird, so daß die Pumpe auf einen höheren Ausgangsdruck und eine höhere Förderleistung eingestellt wird.
Die entsprechenden Regel- und Ansteuerelemente sollten so einfach wie möglich aufgebaut sein, damit die Pumpe insgesamt nicht wesentlich komplizierter wird. Dies gilt vor allem für die Verwendung der Pumpe in Standardsituationen, z.B. bei Verbrennungsmotoren. Im Falle von Motoren oder generell Systemen mit Schmiermittelbedarf, die sehr stark wechselnden Betriebszuständen ausgesetzt sind, kann jedoch auch eine aufwendigere Temperatursteuerung der Schmiermittelmenge angebracht und sinnvoll sein, sofern diesem zusätzlichen Aufwand eine entsprechend große Energieeinsparung aufgrund der dadurch möglichen Reduzierung der geförderten Schmiermittelmenge gegenübersteht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1
die Motordurchsatzmengen eines Motors in Abhängigkeit von der Drehzahl eines Motors bei verschiedenen Temperaturen,
Figur 2
den erforderlichen Mindestöldruck eines Motors in Abhängigkeit von der Drehzahl,
Figur 3
die Motordurchsatzmengen in Verbindung mit der Mindestdruckkurve gemäß Fig. 2,
Figur 4
das Prinzip einer Temperaturansteuerung des Hubringes einer Flügelzellenpumpe mittels eines Keils,
Figur 5
die Temperaturansteuerung des Hubringes über ein Bimetallelement,
Figur 6
die Temperaturansteuerung der Hubringverstellung über ein elektrisch gesteuertes Element und
Figur 7
eine Flügelzellenpumpe mit einem Stufenkolben als gleichzeitig druck- und temperaturabhängiges Regelelement.
In Figur 1 erkennt man insgesamt vier sogenannte Motordurchsatzmengen eines Motors bei den Temperaturen T1 = 25°C, T2 = 50°C, T3 = 90°C und T4 = 130°C. Aufgetragen ist die Ölfördermenge bzw. die vom Motor aufgenommene Menge in Litern pro Minute gegenüber der Motordrehzahl. Dem Verlauf der einzelnen Kurven entnimmt man, daß die bei konstantem Druck durchgesetzte Schmiermittelmenge mit zunehmender Drehzahl ansteigt, wobei allerdings dieser Anstieg nicht proportional zur Drehzahl ist.
Gleichzeitig erkennt man jedoch an dem unterschiedlichen Kurvenverlauf für verschiedene Temperaturen, daß bei einer gegebenen Drehzahl der Motor bei niedrigerer Temperatur erheblich weniger Öl benötigt als bei hoher Temperatur.
Bei den in Figur 1 gezeigten Motordurchsatzmengen hat der Druck in den Zuleitungen zum Motor immer den gleichen Wert (z. B. 5 bar).
Dieser Druck wird dabei so ausgelegt, daß im kritischsten Zustand, d.h. beim größten Ölbedarf, also bei der höchsten Temperatur und der höchsten Drehzahl, mit einem Öl der niedrigsten zulässigen Viskosität der Ölbedarf des Motors noch gedeckt wird.
Aus Figur 2 entnimmt man dabei, daß der Mindestöldruck typischerweise mit der Drehzahl bis auf einen Wert von etwa 5 bar im Schmiermittelsystem ansteigt. Selbstverständlich hängen die genauen Werte und der Kurvenverlauf sehr stark von der Art und Größe des Motors und der konkreten Ausgestaltung des Schmiermittelsystems ab, so daß die angegebenen Zahlen nur als Beispielswerte zu verstehen sind und den Erfindungsgegenstand nicht einschränken sollen. Die Pumpen nach dem Stand der Technik sind daher im allgemeinen so ausgelegt worden, daß sie unabhängig von der Temperatur und im wesentlichen auch unabhängig von der Drehzahl den Druck immer auf dem Wert hielten, der für das betreffende Schmiermittelsystem als Mindestöldruck unter kritischen Betriebsbedingungen vorgesehen war (z. B. die erwähnten 5 bar). Die typischerweise verwendeten Flügelzellenpumpen erreichen ohne weiteres auch wesentlich höhere Ausgangsdrücke. In der Praxis waren demzufolge bisher lediglich Druckbegrenzungen vorgesehen, die den Druck konstant hielten, wobei lediglich ein Grenzdruck gewählt wurde, der mit einer gewissen Sicherheitsreserve oberhalb des höchsten Mindestöldruckes in kritischen Betriebszuständen lag und der schon bei relativ niedrigen Drehzahlen erreicht wird..
Insbesondere bei niedrigen Temperaturen wird der durch die Druckbegrenzung vorgesehene Maximaldruck sehr schnell erreicht und eine nicht geregelte Pumpe fördert dabei vor allem im niedrigen Drehzahlbereich wesentlich mehr Öl als es dem Bedarf des Motors entspricht.
Herkömmliche, geregelte Pumpen fördern zwar immer nur soviel Öl, wie es dem eingestellten Maximaldruck entspricht, jedoch ist dieser Druck nur bei hohen Drehzahlen auch der erforderliche Mindestöldruck. In allen anderen Betriebszuständen können Druck und Fördermenge ohne weiteres geringer sein. Dabei ergibt sich vor allem für niedrige Drehzahlen und bei niedrigen Betriebstemperaturen ein beträchtliches Einsparpotential, indem beispielsweise über eine drehzahl- und temperaturabhängige Steuerung der Motoröldruck deutlich unter den Begrenzungswert herkömmlicher Systeme herabgeregelt wird, auf welchen das Regelsystem ansonsten zum Schutz von druckempfindlichen Bauteilen eingestellt ist. Dabei ergeben sich Fördermengen bzw. Motordurchsatzmengen für den Motor, die in Figur 3 gestrichelt dargestellt sind, wobei man erkennt, daß auch bei hohen Betriebstemperaturen und niedrigen Drehzahlen noch ein beträchtliches Einsparpotential vorhanden ist. Derartige Betriebszustände treten beispielsweise im Stadtverkehr bei Kraftfahrzeugmotoren häufig auf. Durch die verringerte Ölmenge, die dem Motor in diesem Betriebszustand zugeführt wird, die jedoch für den Schmierbedarf völlig ausreichend ist, verringert man die Energieaufnahme der Schmiermittelpumpe und damit auch den Gesamtenergiebedarf des Motors. Damit ist eines der wesentlichen Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht. Bei der Kombination aus Druckregelung und Temperaturregelung wird also in den Ölstrom nur soviel Energie eingebracht, wie zur Sicherstellung einer ausreichenden Ölversorgung des Motors notwendig ist. Beispiele für technische Realisierungen sind in den Figuren 4 bis 7 dargestellt.
In Figur 4 ist schematisch eine Flügelzellenpumpe 1 mit einem verstellbaren Hubring 2 dargestellt. Ebenfalls schematisch dargestellt ist ein Temperaturregler für die Exzentrizität des Hubringes 2 bezüglich der Pumpenwelle 6. Der Temperaturregler 3 besteht aus einem Temperatursensor bzw. einem thermosensiblen Element 4, einem Keil 5 und einer Feder 7, die in einer Reihe neben dem Hubring angeordnet sind. Der Temperaturregler 3 befindet sich beispielsweise im Inneren eines Pumpengehäuses und steht in direktem Kontakt mit dem zu fördemden Öl, welches durch radiale Öffnungen in den Hubring eindringt und durch axiale Öffnungen im Pumpengehäuse wieder austreten kann. Damit wird das thermosensible Element 4 im wesentlichen auf der Temperatur des Schmiermittels gehalten. Im einfachsten Fall könnte das Element 4 beispielsweise ein Element sein, dessen thermische Ausdehnung in dem interessierenden Temperaturbereich relativ groß ist (beispielsweise könnte das Element 4 ein Gasvolumen enthalten). Bei einer Temperaturerhöhung würde sich dann das Element 4 ausdehnen und dabei den Keil 5 gegen die Wirkung der Feder 7 nach rechts verschieben, so daß der Hubring 2 um die Achse 8 nach oben schwenken könnte. Hierzu ist beispielsweise eine Druckfeder 9 vorgesehen, welche auf einen Stellzapfen 10 des Hubringes 2 einwirkt und diesen nach oben gegen eine Flanke des Keiles drückt. Um die gewünschte Einstellcharakteristik der Pumpe zu erhalten, d.h. eine Zunahme der Fördermenge mit steigender Temperatur, ist dabei der Hubring 2 relativ zu der Pumpenwelle 6 so angeordnet, daß die Hubringexzentrizität bezüglich der Welle 6 durch das Verschwenken des Hubringes 2 nach oben um die Achse 8 zunimrnt, wenn sich also der Keil 5 nach rechts bewegt. Umgekehrt wird bei abnehmender Temperatur der Hubring 2 von der einen Flanke des Keiles 5 gegen die Wirkung der Feder 9 nach unten gedrückt, wenn die Temperatur des Schmiermittelsystems abnimmt bzw. niedriger ist, wobei sich der Keil 5 von rechts nach links verschiebt. Durch geeignete Führungen kann man dafür sorgen, daß der Keil 5 sich nicht in Querrichtung zu seinem vorgesehenen Stellweg verschieben kann.
In Figur 5 kann die Flügelzellenpumpe im wesentlichen identisch mit der Flügelzellenpumpe der Figur 4 sein, lediglich die Regelrichtung 3 ist durch eine Blattfeder bzw. einen Bimetallstreifen 4' ersetzt, welcher gleichzeitig die Funktion eines Temperatursensors und eines Stellgliedes übernimmt. Mit zunehmender Temperatur dehnen sich die beiden fest miteinander verbundenen Metallstreifen des Bimetallstreifens 4' unterschiedlich aus, so daß je nach der relativen Anordnung dieser beiden Metallelemente die Krümmung der Blattfeder 4' zu- oder abnimmt und die Exzentrizität des Hubringes 2 bezüglich der Pumpenwelle entsprechend verkleinert oder vergrößert wird.
In Figur 6 ist ein elektrisch ansteuerbarer Temperaturregler als Stellglied 5 dargestellt, wobei die von einem Temperatursensor erfaßte Temperatur gemessen und in ein entsprechendes Steuersignal umgesetzt wird, welches den Hubring in der gewünschten Richtung verstellt, d.h. so, daß seine Exzentrizität mit steigender Temperatur des Schmiermittels zunimmt. Die übrigen Einzelheiten der Vorspannung des Hubringes 2 durch eine Feder 9 und die relative Anordnung von Hubring 2, Lagerachse 8 und Pumpenwelle 6 kann mit der Ausführungsform nach Figur 4 im wesentlichen identisch sein.
In Figur 7 ist eine weitere Variante der Verstellung des Hubringes einer Flügelzellenpumpe gezeigt. Hierbei sind die druckabhängige Regelung, die temperaturabhängige Regelung und gegebenenfalls auch eine drehzahlabhängige Regelung an ein und demselben Stellglied 5 realisiert, welches in diesem Fall ein Stufenkolben ist. Beispielsweise wird eine erste Teilfläche 11 des Stufenkolbens 5 andauemd vom Ausgangsdruck P2 der Pumpe beaufschlagt, so daß hierdurch eine Maximaldruckbegrenzung bereitgestellt wird. Daneben weist eine zweite Stufe des Kolbens 5 eine Fläche 12 auf, die mit einem Druck P1 beaufschlagbar ist, welcher im einfachsten Fall mit dem Druck P2 identisch ist und von derselben Quelle herrührt. In einer Zuleitung zu dem Druckraum, von welchem aus die Fläche 12 mit Druck beaufschlagt werden kann, ist ein ansteuerbares Ventil 13 vorgesehen, das temperatur- und/oder drehzahlabhängig schaltet. Bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedrigen Temperaturen kann beispielsweise das Ventil 13 geöffnet sein, so daß beide Flächen 11 und 12 mit Druck beaufschlagt werden und dadurch eine größere Gesamtkraft gegen die Feder 9 wirkt als wenn nur die Fläche 11 mit Druck beaufschlagt würde. Hubring und Welle der Flügelzellenpumpe sind dabei so angeordnet, daß die Exzentrizität des Hubringes durch eine Bewegung des Stellgliedes bzw. Stufenkolbens 5 nach unten in Figur 7 verringert wird. Bei steigender Temperatur und/oder Drehzahl wird das Ventil 13 geschlossen, so daß nur noch die Fläche 11 mit Druck beaufschlagt wird und der Hubring unter der Wirkung der Feder 9 wieder in Richtung größerer Exzentrizität und damit einer höheren Förderleistung der Flügelzellenpumpe verstellt wird. Wie bereits erwähnt, kann das Ventil nicht nur temperaturabhängig, sondern auch drehzahlabhängig geschaltet werden. Man hat damit neben der reinen Maximaldruckbegrenzung und Fördervolumenregelung eine zusätzliche Begrenzung des Fördervolumens in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Drehzahl des Motors.
Zwar wird der Aufbau der Pumpe durch die zusätzlich vorgesehenen Regelelemente etwas komplizierter, die mit der Pumpe erzielbaren Energieeinsparungen wiegen jedoch diesen kleinen Nachteil ohne weiteres auf, zumal beispielsweise die Ausführungsform gemäß Figur 5 eine sehr einfache Realisierungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Zusatzregelung zeigt.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Regeln der Pumpleistung einer Schmiermittelpumpe, bei welcher über den am Pumpenausgang oder an einer Verbraucherstelle herrschenden Druck durch eine Druckabhängige Regelung die effektive Pumpleistung reduziert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß über eine Temperatur und/oder Drehzahlerfassung eine zusätzliche unabhängige Begrenzung der Förderleistung stattfindet, wobei die über die Temperaturregelung zugelassene Fördermenge mit steigender Temperatur und/oder Drehzahl im Vergleich zu der durch die Druckabhängige Regelung zugelassene Fördermenge begrenzt wird.
  2. Regelbare Schmiermittelpumpe, insbesondere Flügelzellenpumpe (1), mit einer druckgesteuerten Regeleinrichtung (2),
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Regeleinrichtung (3) vorgesehen ist mit einem Drehzahlsensor und/oder einem Temperatursensor (4) und einem Stellglied (5), welche neben der Druckregeleinrichtung die effektive Fördermenge in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder der Temperatur regulieren, wobei das Regelelement der Schmiermittelpumpe elektrisch ansteuerbar ist und wobei das Stellglied (5) ein Stufenkolben ist, dessen zumindest einer Teil über ein temperaturabhängig ansteuerbares Ventil (13) mit Druck beaufschlagbar ist.
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