WO1998049431A1

WO1998049431A1 - Zweistufenregelventil

Info

Publication number: WO1998049431A1
Application number: PCT/DE1998/001189
Authority: WO
Inventors: Harald Dehmel; Robert Laux; Dieter Peters; Dietmar Sauter; Günther Stützle; Bernd Schreiber
Original assignee: SCHWäBISCHE HüTTENWERKE GMBH
Priority date: 1997-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1998-11-05
Also published as: DE19717922A1

Abstract

Ein Überdruckventil für Pumpen, durch die kontinuierlich Flüssigkeiten gefördert werden, vorzugsweise für Schmierölpumpen zu Verbrennungsmotoren, ist in der Weise gestaltet, daß die Regelung des Abflusses von Flüssigkeit bei auftretendem unzulässigem Überdruck mindestens zweistufig erfolgt, wobei in einer ersten Stufe nur eine Teilmenge der insgesamt abzuregelnden Höchstmenge abgefördert wird. In einer ersten Variante erfolgt die zweistufige Regelung durch Anordnung zweier Abströmöffnungen (6) und (7) im Ventilkörper (1), in einer zweiten Variante durch Verwendung eines zweistufigen Regelkolbens (9). Die beiden Varianten können miteinander kombiniert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausführung werden wesentliche Ersparnisse an Leistungsaufnahme der Pumpe bei betriebsüblichen Drehzahlen und Fördermengen erzielt.

Description

Zweistufenregelventil

Beschreibung:

Die als Schmierpumpen in Verbrennungsmotoren eingesetzten Pumpen verschiedener Bauarten befinden sich stets, um ein Stillstehen der Pumpe und damit ein Trockenlaufen des Motors auszuschließen, in direkter Verbindung mit der Antriebswelle des Motors. Sie werden beim Anspringen des Motors in Bewegung gesetzt und sind in ihrer Drehzahl direkt von diesem abhängig. Dies bringt, neben dem Vorteil der Zwangsschmierung des Motors, auch Nachteile mit sich. So steht dem Motor beim Anlaufen und in Leerlaufdrehzahlen relativ wenig Öl zur Verfügung, in hohen Drehzahlen ergibt sich ein Überschuß an Schmieröl, der zu einem Druckaufbau im gesamten Ölversorgungsbereich des Motors führt und, bei unakzeptabel hohem Druck, Schäden im Motor hervorrufen könnte. Um vor allem die Versorgung des Motors mit Schmieröl in allen Betriebszuständen sicherzustellen, muß man die Pumpe so auslegen, daß sie im Anlauf und Leerlauf ausreichende Mengen fördert. Damit wird das Überschußproblem in hohen Drehzahlen noch verschärft. Der Ölüberschuß, der mit steigenden Drehzahlen zunimmt, muß deshalb aus dem Förderstrom herausgenommen werden, um den schädlichen Überdruck abzubauen. Dies geschieht über ein Überdruckventil, welches bei Erreichen eines bestimmten Drucks geöffnet wird und das überschüssige Öl direkt wieder zurückführt, vorzugsweise über einen Bypass in den Saugbereich der Pumpe, in anderen Ausführungen in die Ölwanne. Alternativlösungen in Form von regelbaren Pumpen, bei denen mit zunehmender Drehzahl des Motors eine Verminderung der Ölförderung eintritt, sind zwar angedacht, befinden sich aber noch nicht in der Anwendung. Es ist auch zweifelhaft, ob sie so zur sicheren Serienreife geführt werden können, daß damit das Problem des Überschußöls zu lösen ist.

Die kritische Regelgröße bei der Auslegung von Pumpe und Überdruckventil ist der Öldruck, der zum Öffnen des Ventils führt. Da die Ventilöffnung so groß sein muß, daß auch die höchsten auftretenden Ölfördermengen zuverlässig bis auf eine Mindestmenge abgeführt werden, darf der Grenzdruckwert nicht zu niedrig angesetzt werden. Üblicherweise liegt er in einer Größenordnung von zwischen 5 und 7 bar, je nach Konstruktion des mit Öl zu versorgenden Motors. Diese Festlegung muß aber zwangsläufig dazu führen, daß in Betriebszuständen, in denen der Öldruck unterhalb des Grenzwerts, aber oberhalb der für die Mindestversorgung des Motors notwendigen Höhe liegt, die hydraulische Leistung der Pumpe bereits über dem optimalen Wert liegt. Dies führt dann zu einem erhöhten Bedarf an Antriebsleistung und damit zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch im Motor. Es hat sich deshalb als wünschenswert erwiesen, die Abregelung des Überdrucks in Stufen erfolgen zu lassen, so daß zunächst nur Teilmengen und sodann in weiteren Schritten schließlich die gesamte abzuführende Menge aus dem Pumpkreislauf abgeleitet wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abregelung in 2 Stufen erfolgt, wobei das Druckniveau des 1. Regeldrucks sich deutlich von dem Druckniveau des 2. Regeldrucks unterscheiden muß. Als besonders günstig hat sich eine Teilung in der Weise erwiesen, daß der 1. Regeldruck etwa 30 % des 2. Regeldrucks ausmacht.

Die Ergebnisse dieser erfindungsgemäßen Verbesserung der Pumpenausführung sind außerordentlich. Bei betriebsrelevanten Motorendrehzahlen zwischen 1.500 und 4.000 1/min lassen sich je nach Öltemperatur bei mittleren Pumpengrößen Leistungseinsparungen von bis zu 200 Watt erzielen. Dies entspricht etwa 1/3 der Gesamtleistungsaufnahme der Pumpe. Die Ergebnisse von erfindungsgemäßen Pumpenausführungen bezüglich Reduzierung der Fördermengen und der Leistungsaufnahme sind in den Diagrammen in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Die Abregelpunkte der 1. und der 2. Druckstufe sind darin jeweil mit A (1. Druckstufe) und B (2. Druckstufe) gekennzeichnet. Die deutlichen Verbesserungen der Betriebscharakteristik der Pumpe sind erkennbar.

Für die zweistufige Abregelung werden erfindungsgemäß zwei alternative technische Gestaltungen vorgesehen. Die erste Variante weist einen relativ langen Öffnungshub des Ventilkolbens auf, bei dem der Kolben nacheinander 2 Öffnungen im Ventilzylinder frei gibt. Die 1. Öffnung gestattet in diesem Fall den Abfluß einer Teilmenge des abzuführenden Öls. Die größte zulässige Abfluß menge wird erst erreicht, wenn beide Öffnungen völlig freigegeben sind. In der zweiten Variante weist der Ventilzylinder nur eine Abflußöffnung auf, während der Ventilkolben zweiteilig ausgeführt ist. Diese Ausführung wird vorzugsweise dann angewandt, wenn die Baulänge des Ventils ein Grenzkriterium ist. Ein 1. Kolbenteil, der sich im 2. Kolbenteil befindet, gibt bei Druckerhöhung so weit nach, daß bei Erreichen des 1. Abregelpunktes ein Teil der Abflußöffnung geöffnet wird. Bei weiterem Druckanstieg wird auch der 2. Teil des Kolbens mitgenommen und damit dann die gesamte Abflußöffnung freigegeben. Es wäre denkbar, beide Ausführungen zu kombinieren, womit eine noch feinere Stufung der Abflußregelung geschaffen werden könnte. Dies hat sich jedoch bisher im praktischen Betrieb nicht als notwendig erwiesen.

Die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Ausführung sind in den Abbildungen gemäß Fig. 3 bis Fig. 8 dargestellt. Die Fig. 3 bis 5 zeigen die Ausführung mit einteiligem Kolben und 2 Abströmöffnungen, die Fig. 6 bis 8 die Ausführung mit zweiteiligem Kolben und einer Abströmöffnung. Es sind jeweils die Grundstellung und der 1. und 2. Abregelpunkt dargestellt.

In den Fig. 3 bis 5 befindet sich innerhalb des Ventilkörpers (1) die Ventilbohrung (2), in der der innen hohle Kolben mittels der Feder (4) gegen den Sitz (5) gedrückt wird. Die Abströmöffnungen (6) und (7) sind in der in Fig. 3 dargestellten Grundstellung gegenüber der Zuflußöffnung (8), die mit dem Pumpen-Innenraum in Verbindung steht, abgedichtet. Die unterschiedlichen Querschnitte der Abströmöffnungen (6) und (7) sind in Abhängigkeit vom jeweiligen Ölbedarf des Motors zu wählen. Ihre Lage in Bezug auf den Sitz (5) und untereinander bestimmt - im Zusammenwirken mit der wirkenden Kraft der Feder (4) - den Druck, bei dem der 1. bzw. 2. Regelpunkt erreicht wird. Diese Maße sind sämtlich nach der Charakteristik des zu versorgenden Motors und der eingesetzten Pumpe mit den dem Fachmann bekannten Methoden zu ermitteln.

Die Fig. 4 und 5 zeigen die Ventilausführung mit einteiligem Kolben im Zeitpunkt des Erreichens des 1. Abregelpunktes (Fig. 4) bzw. des Erreichens des 2. Abregelpunktes (Fig. 5). Zwischenstellungen sind nicht dargestellt. Der Kolben (3) wird bei steigendem Druck in der Zuflußöffnung (8) zunächst vom Sitz (5) abgehoben und sodann über die Abströmöffnung (6) und schließlich auch die Abströmöffnung (7) hinausgedrückt.

In Fig. 6 bis 8 befindet sich innerhalb des Ventilkörpers (1) die Ventilbohrung (2) mit dem 2. Regelkolben (9), der durch die Feder (10) gegen den Sitz (5) gepreßt wird. Die Feder (10) reicht dabei in die obere Kammer (11) des 2. Regelkolbens (9) und stützt sich gegen dessen Querwand (12) ab. In der unteren Kammer (13) des 2. Regelkolbens ist der 1. Regelkolben (14) angeordnet, der von der Feder (15) in Richtung des Sitzes (5) gedrückt wird, die ihrerseits sich an ihrem oberen Ende gegen die Querwand (12) abstützt. Das Ventilgehäuse (1) weist nur eine Abströmöffnung (16) auf. Der 2. Regelkolben (9) ist im Bereich der unteren Kammer (13) achsparaliel zu der Abströmöffnung (16) mit den Bohrungen (17) versehen. Der Querschnitt der Bohrungen (17) ist geringer als der der Abströmöffnung (16). In der Grundstellung wird der 1. Regelkolben (14) von der Feder (15) gegen den Sicherungsring (18) gedrückt, der sich unterhalb der Bohrungen (17) befindet, so daß diese durch den 1. Regelkolben (14) verschlossen werden. Die Abströmöffnung (16) ist damit gegen die Zuströmöffnung (8) abgedichtet.

Das Verhältnis der Querschnitte der Bohrungen (17) und der Abströmöffnung (16) bestimmt die in der 1. und der 2. Regelstufe erfolgende Versorgung des Motors mit Öl und ist nach dessen Charakteristik auszulegen, in gleicher Weise wie die Lage der Bohrungen (17) im 2. Regelkolben (9) in Beziehung auf die Abströmöffnung 16. Wie in der in Fig. 3 bis 5 dargestellten Ausführung sind diese Maße nach dem Fachmann bekannten Verfahren aus den Motoren- und Pumpencharakteristiken zu ermitteln.

Die weiteren Figuren zeigen das Erreichen des 1. Abregelpunktes (Fig. 7) und des 2. Abregelpunktes (Fig. 8). Zwischenzustände sind nicht dargestellt. Mit zunehmendem Druck in der Zuflußöffnung (8) wird zunächst der 1. Regelkolben (14) gegen die - schwächer als die Feder (10) ausgelegte - Feder (15) gedrückt und von dem Sicherungsring (18) abgehoben. Er gibt sodann die Bohrungen (17) frei, die ihrerseits in Verbindung mit der Abströmöffnung (16) stehen. Nach Erreichen der Endstellung des 1. Regelkolbens (14) wird der 2. Regelkolben (9) vom Sitz (5) abgehoben, so daß er schließlich die Abflußöffnung (16) freigibt. Unmittelbar nach Erreichen dieses Punktes wirken der volle Querschnitt der Bohrungen (17) und die zusätzliche Öffnung der Abströmöffnung (16) am unteren Ende des Regelkolbens (9) zusammen, bis schließlich der gesamte Querschnitt der Abflußöffnung (16) freigegeben ist.

Zeichnerisch nicht dargestellt, technisch jedoch durchführbar ist eine Kombination der Ventilausführung nach Fig. 3 bis 5 und nach Fig. 6 bis 8. Sie kann dann gewählt werden, wenn eine mehrstufige, feinere Regelung des Pumpendrucks gewünscht wird, was insbesondere dann angebracht sein kann, wenn der mit Öl zu versorgende Motor über einen sehr großen Drehzahlbereich unter Last betrieben werden soll. Bei der Kombination der beiden Varianten sind die 2 Abströmöffnungen im Ventilkörper, die Bohrungen im Regelkolben und die Dicke des 1. Regelkolbens so aufeinander abzustimmen, daß sich nacheinander die teilweise Freigabe der 1. Abströmöffnung, deren vollständige Freigabe, die zusätzliche teilweise Freigabe der 2. Abströmöffnung und sodann auch deren vollständige Freigabe ergeben. Es lassen sich damit 4 statt 2 Regelpunkten erreichen. Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungen sind Gegenstand der Ansprüche 1 bis 4. Die Unteransprüche 5 und 6 umfassen die bevorzugten Formen der Abströmöffnungen und Bohrungen. Diese werden in erster Linie, auch aus^' Herstellgründen, kreisförmigen Querschnitt haben. Durch eine tropfen- oder keilförmige Gestaltung, wobei das schmälere Ende der Öffnung oder Bohrung in Richtung der Zuflußöffnung 8 liegt, kann jedoch das abzuführende Volumen nochmals feinreguliert werden. Der bei Beginn der Öffnung zunächst nur minimale Abfluß steigt bei diesen Ausführungen mit fortschreitender Öffnung zusätzlich dadurch an, daß sich der freie Querschnitt nicht nur öffnungs-, sondern auch gestaltabhängig vergrößert. Die Herstellung entsprechender Öffnungsformen ist bei Erzeugung durch Gießen oder Pulverpressen ohne wesentlichen Zusatzaufwand möglich.

Es leuchtet ein, daß die Anwendung eines erfindungsgemäßen Überdruckventils nicht auf die Ölversorgung von Verbrennungsmotoren beschränkt ist, sondern überall dort stattfinden kann, wo Verbraucher fortlaufend mit flüssigen Medien versorgt werden müssen und unerwünschte Schwankungen im Druckniveau des geförderten Mediums reguliert werden sollen.

"Liste der Bezugszeichen"

1 Ventilkörper

2 Ventilbohrung

3 Regelkolben

4 Feder

5 Sitz

6 1. Abströmöffnung

7 2. Abströmöffnung

8 Zuflußöffnung

9 2. Regelkolben

10 Feder

11 Obere Kammer des 2. Regelkolbens

12 Querwand des 2. Regelkolbens

13 Untere Kammer des 2. Regelkolbens

14 1. Regelkolben

15 Feder

15 Abströmöffnung

17 Bohrung des 2. Regelkolbens

18 Sicherungsring

Claims

Ansprüche

1. Überdruckventil, vorzugsweise für eine schmierölfördernde Pumpe zu einem^' Verbrennungsmotor, deren Drehzahl direkt abhängig ist von der Drehzahl des zu versorgenden Motors, bestehend aus einem im Pumpengehäuse enthaltenen oder mit diesem verbundenen Regelventil, das in seinem Ventilkörper (1) eine Bohrung (2) aufweist, deren eines, offenes Ende mit dem Druckraum der Pumpe in Verbindung steht, und das eine Abströmöffnung aufweist, die in den Pumpenraum zurück oder zum Ölsammelraum des zu versorgenden Motors führt, und einem in der Ventilbohrung (2) verschiebbar angeordneten Kolben (3) der, getrieben durch mechanische oder hydraulische Mittel, bei zulässigen Betriebsdrücken im zu fördernden Medium die Abflußöffnung des Ventils verschließt und diese bei Druckanstieg über eine zulässige Grenze hinaus freigibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

anstelle einer Abflußöffnung im Ventilkörper (1) wenigstens 2 hintereinander angeordnete Abflußöffnungen (6) und (7) geringeren Querschnitts vorhanden sind, die durch den Kolben (3) bei fortlaufendem Druckanstieg nacheinander freigegeben werden.

2. Überdruckventil, vorzugsweise für eine schmierölfördernde Pumpe zu einem Verbrennungsmotor, deren Drehzahl direkt abhängig ist von der Drehzahl des zu versorgenden Motors, bestehend aus einem im Pumpengehäuse enthaltenen oder mit diesem verbundenen Regelventil, das in seinem Ventilkörper (1) eine Bohrung (2) aufweist, deren eines, offenes Ende mit dem Druckraum der Pumpe in Verbindung steht und das eine Abströmöffnung aufweist, die in den Pumpenraum zurück oder zum Ölsammelraum des zu versorgenden Motors führt, und einem in dem Ventilbohrung (2) verschiebbar angeordneten Kolben (3), der, getrieben durch mechanische oder hydraulische Mittel, bei zulässigen Betriebsdrücken im zu fördernden Medium die Abflußöffnung des Zylinders verschließt und diese bei Druckanstieg über eine zulässige Grenze hinaus freigibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Regelkolben aus 2 Teilen besteht, die bei steigendem Förderdruck nacheinander in der Weise bewegt werden, daß das 1. Teil des Kolbens nur einen Teil der Abflußöffnung freigibt und deren Vollöffnung erst bei Miteinbeziehung des 2. Teils des Kolbens erreicht wird.

3. Überdruckventil, vorzugsweise für eine schmierölfördernde Pumpe zu einem Verbrennungsmotor, deren Drehzahl direkt abhängig ist von der Drehzahl des zu versorgenden Motors, bestehend aus einem im Pumpengehäuse enthaltenen oder mit diesem verbundenen Regelventil, das in seinem Ventilkörper (1) eine Bohrung (2) aufweist, deren eines, offenes Ende mit dem Druckraum der Pumpe in Verbindung steht und das eine Abströmöffnung aufweist, die in den Pumpenraum zurück oder zum Ölsammelraum des zu versorgenden Motors führt, und einem in dem Ventilbohrung (2) verschiebbar angeordneten Kolben (3), der, getrieben durch mechanische oder hydraulische Mittel, bei zulässigen Betriebsdrücken im zu fördernden Medium die Abflußöffnung des Zylinders verschließt und diese bei Druckanstieg über eine zulässige Grenze hinaus freigibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

im Ventilkörper (1) wenigstens 2 hintereinander angeordnete Abströmöffnungen (6) und (7) geringeren Querschnitts vorhanden sind, die durch den Regelkolben bei fortlaufendem Druckanstieg nacheinander freigegeben werden,

und

der Regelkolben aus 2 Teilen besteht, die bei steigendem Förderdruck nacheinander in der Weise bewegt werden, daß das 1. Teil des Regelkolbens nur einen Teil der Abströmöffnung (6) und anschließend (7) freigibt und deren jeweilige Vollöffnung erst bei Miteinbeziehung des 2. Teils des Regelkolbens erreicht wird.

4. Überdruckventil nach Ansprüchen 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

der 1. Teil des Kolbens sich innerhalb des 2. Teils des Kolbens befindet und der 2. Teil des Kolbens Bohrungen (17) aufweist, die einerseits zur Zuflußöffnung (8), andererseits zur Abströmöffnung (16) geöffnet sind, geringeren Querschnitt als die Abströmöffnung (16) aufweisen und in Grundstellung des Regelventils durch den 1. Teil des Kolbens (14) verschlossen sind.

5. Überdruckventil nach Ansprüchen 1 , 2 oder 3

dadurch gekennzeichnet, daß

die Abströmöffnungen (6), (7) bzw. (16) und/oder die Bohrungen (17) kreisförmig sind.

6. Überdruckventil nach Ansprüchen 1 , 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Abströmöffnungen (6), (7), bzw. (16) und/oder die Bohrungen (17) tropfenförmig oder keilförmig sind.