SCHMIERSTOFFPUMPENSYSTEM

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kennfeldgesteuertes Schmierstoffpumpensystem mit einer Schmierstoffpumpe zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Schmierstoff. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schmierstoffpumpe für ein derartiges kennfeldgesteuertes Schmierstoffpumpensystem.

Aus der WO 2008/037070 A1 ist ein kennfeldgesteuertes Schmierstoffpumpensystem mit einer Schmierstoffpumpe, insbesondere einer Zellenpumpe, zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Schmierstoff bekannt. Die Schmierstoffpumpe ist von einem Proportionalventil gesteuert, welches eingangsseitig mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. In der Schmierstoffpumpe ist dabei eine von einer Feder vorgespannte Stelleinheit angeordnet, über welche eine Förderleistung der Schmierstoffpumpe regelbar ist. Auf die Stelleinheit wirkt eine erste Druckkammer, welche ebenfalls in der Schmierstoffpumpe angeordnet und mit Druck beaufschlagbar ist und dadurch die Stelleinheit entgegen der Feder verstellt und welcher das Proportionalventil vorgeschaltet ist.

Aus der US 2007/0224067A1 ist wiederum ein Schmierstoffpumpensystem mit einer als Flügelzellenpumpe ausgebildeten Schmierstoffpumpe bekannt.

Auch aus der WO 2007/128105A1 ist eine als Flügelzellenpumpe ausgebildete Schmierstoffpumpe bekannt.

Schließlich ist aus der WO 2008/030491A2 ein Schmierstoffpumpensystem bekannt mit einer Schmierstoffpumpe, bei der ein Pumpsensor zwischen dem Proportionalventil und dem Verbrennungsmotor beziehungsweise einer Steuereinheit desselben angeordnet ist.

Der Einsatz von mengengeregelten Schmierstoffpumpen in Verbrennungsmotoren ist Stand der Technik, um beispielsweise eine Fördermenge und einen Druck an den Bedarf der jeweiligen Bedürfnisse des Verbrennungsmotors annähern zu können. Dies geschieht meist über das Beaufschlagen einer Stelleinheit innerhalb der Schmierstoffpumpe, wie beispielsweise eines Steuerkolbens oder eines Stellringes, mit einem aus einer Hauptölgalerie des Verbrennungsmotors stammenden Öldruck. Der Nachteil einer derartigen Steuerung liegt darin, dass die Regelung in direkter Verbindung von dem im Verbrennungsmotor herrschenden Öldruck, dem Volumenstrom, einer Motordrehzahl, einer Schmierstofftemperatur sowie einer an der Stelleinheit anliegenden Federkraft ist. Ziel von sogenannten Kennfeldsteuerungen ist das Entkoppeln der genannten direkten Einflussgrößen auf die Steuerung, um ein Regelkennfeld der Schmierstoffpumpe zu erreichen, welches auf jede einzelne Einflussgröße reagieren kann, um somit den Bedürfnissen des Verbrennungsmotors näher zu kommen und weitere Antriebs- und Verlustleistungen zumindest zu reduzieren. Hierzu finden meist proportionale Ventile Verwendung, die einen Steueröldruck aus der Hauptölgalerie oder aus einem Ausgang der Schmierstoffpumpe je nach Bedarf auf die Stelleinheiten hin zu- oder abschalten.

Kommt es zu Steuerungen in einem derartigen Regelkreis oder zu einem Defekt des Proportionalventils, kann dies zu einer Unterversorgung des Verbrennungsmotors und damit zu einer Beschädigung desselben führen. Aus diesem Grund ist bei den üblichen Schmierstoffpumpen eine Art Notlaufsteuerung auf einem höheren Druckniveau vorgesehen, um den Verbrennungsmotor auch bei einem Ausfall des Proportionalventils weiterhin mit Schmierstoff versorgen zu können. Ein derartiges sogenanntes "Second-Level-Ventil", welches eine Art Kolbenventil darstellt, wird im normalen Betrieb beiderseits mit Schmierstoffdruck beaufschlagt und einerseits mit einer Feder vorgespannt, um die Stelleinheit in einer Vorzugsstellung halten zu können, damit der Regeldruck vom Proportionalventil direkt auf die Stelleinheit der Schmierstoffpumpe wirken kann. Bei einem Defekt des Proportionalventils bekommt die Schmierstoffpumpe keinen Abregeldruck über das Proportionalventil und fördert somit die maximal mögliche Fördermenge in die Hauptölgalerie des Verbrennungsmotors. Das Second-Level-Ventil wird in diesem Fall nur einseitig mit dem steigenden Schmierstoffdruck der Hauptölgalerie beaufschlagt und nimmt gleichzeitig eine Stellung ein, in der der Schmierstoff, d.h. das Öl, der Hauptölgalerie in Abhängigkeit des Öldrucks zur Stelleinheit zu- und abströmen kann und somit die Schmierstoffpumpe auf ein gewünschtes höheres Druckniveau regelt. Nachteilig bei einem derartigen Schmierstoffversorgungssystem ist jedoch eine hohe Teilevielfalt mit damit verbundenen hohen Montage-, Lager- und Logistikkosten.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein kennfeldgesteuertes Schmierstoffpumpensystem anzugeben, welches zuverlässig arbeitet und gleichzeitig kostengünstig zu realisieren ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem kennfeldgesteuerten Schmierstoffpumpensystem mit einer Schmierstoffpumpe ein bisher übliches "Second-Level-Ventil" durch eine entsprechende Ausbildung einer Schmierstoffpumpe entfallen zu lassen. In dem erfindungsgemäßen kennfeldgesteuerten Schmierstoffpumpensystem ist der eigentlichen Schmierstoffpumpe ein Proportionalventil vorgeschaltet, welches eingangsseitig mit dem Verbrennungsmotor und/oder mit einem Ausgang der Schmierstoffpumpe kommunizierend verbunden ist. Innerhalb der erfindungsgemäßen Schmierstoffpumpe ist eine federvorgespannte Stelleinheit, beispielsweise ein Ring oder ein Schieber, angeordnet, über welchen eine Förderleistung der Schmierstoffpumpe, welche üblicherweise als Zellenpumpe ausgebildet ist, regelbar ist. Die erfindungsgemäße Schmierstoffpumpe weist dabei eine erste auf die Stelleinheit einwirkende Druckkammer auf, welche kennfeldgesteuert mit Druck beaufschlagbar ist und dadurch die Stelleinheit entgegen der Feder verstellt sowie zumindest zwei zweite in gleicher Weise auf die Stelleinheit einwirkende Druckkammern. Die zweiten Druckkammern sind dabei kleiner dimensioniert als die erste, so dass bei einem Ausfall des Proportionalventils die Schmierstoffpumpe ausschließlich über die zumindest zwei zweite Druckkammern mit Druck beaufschlagt wird und aufgrund ihrer kleineren Dimension einen höheren Schmiermitteldruck, das heißt einen höheren Öldruck, erzeugt, so dass der Verbrennungsmotor beim Ausfall des Proportionalventils auf einem höheren Druckniveau mit Schmierstoff versorgt wird. Auf die erste Druckkammer wirkt dabei ein permanent anliegender Schmierstoffdruck ein, ebenso wie auf die zwei zweiten Druckkammern, wobei das Verhältnis der beiden Druckkammern und der die Stelleinheit vorspannenden Feder so ausgelegt wird, dass der permanent anliegende Schmierstoffdruck sowie der über das Proportionalventil zugesteuerte Schmierstoffdruck das komplette Kennfeld abdeckt. Die zwei zweiten permanent angeströmten Druckkammern sind dabei so dimensioniert, dass bei einem Ausfall des Proportionalventils, also dem alleinigen Anliegen des permanenten Schmierstoffdruckes an den zweiten Druckkammern, die Schmierstoffpumpe aufgrund der gleichbleibenden Federgegenkraft auf die Stelleinheit, auf einem höheren Druckniveau weiterarbeitet und den Verbrennungsmotor mit Schmierstoff, das heißt insbesondere mit Öl, versorgt. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass durch das Entfallen des bisher separat auszubildenden "Second-Level-Ventils" sowie dem Entfallen sämtlicher notwendiger Bearbeitungen in einem Ventilbereich deutlich weniger Einzelteile vorliegen, die zudem aufwändig montiert werden müssten. Das erfindungsgemäße Schmierstoffpumpensystem weist somit eine geringere Teilevielfalt und damit verbunden geringere Lager-und Logistikkosten sowie geringere Montagekosten auf. Durch das Wegfallen des Second-Level-Ventils werden darüber hinaus Wechselwirkungen mit der Stelleinheit ausgeschlossen. Weiterhin arbeitet das erfindungsgemäße kennfeldgesteuerte Schmierstoffpumpensystem beim Ausfall des Proportionalventils auf einem höheren Kräftegleichgewicht, was den Einfluss von inneren Kräften aus einem Pumpenlaufsatz minimiert. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Schmierstoffpumpe auch andernorts eingesetzt werden, so dass das erfindungsgemäße Schmierstoffpumpensystem eine Kennfeldsteuerung sämtlicher hydraulisch variabel regelbarer Schmierstoffpumpen für Verbrennungsmotoren mit Second-Level-Regelung betrifft. Die Faktoren wie Schmierstoffdruck, Volumenstrom, Motordrehzahl, Schmierstofftemperatur sowie die an der Stelleinheit anliegende Federkraft können dabei getrennt voneinander berücksichtigt werden.

Kennfeldgesteuert bedeutet, dass entgegen der Zwei- oder Mehrstufenregelung das Proportionalventil nicht "nur" hinzu oder abgeschaltet und somit die zusätzlichen Druck- bzw. Steuerkammer mit Steuerdruck beaufschlagt wird. Hier wird die Temperatur, die Drehzahl, der Öldruck, der Lastfall etc. der zu versorgenden Einheit, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, ermittelt und mit einem vorgegebenen Kennfeld verglichen (Regelsystem). Darauf wird das Proportionalventil frequenzmodeliert angesteuert (angepulst) und auf Grund der jeweiligen Stellung des Proportionalventils, die Stelleinheit der Schmierstoffpumpe in eine bestimmte Lage gebracht, die der Schmierstoffpumpe ermöglicht, Fördermenge und Förderdruck nach dem vorgegebenen "Kennfeld" darzustellen. Bei herkömmlichen Mehrstufenansteuerungen sind die Steuerdrücke in direkter Abhängigkeit von Öltemperatur (Mediumtemperatur), Drehzahl u. den vorgegebenen Geometrien der (Druck-)Kammern. Hier werden ausschließlich die Druckkammern hinzugeschaltet.

In der bekannten Kennfeldregelung wird der Regeldruck auf die Stelleinheit der Schmierstoffpumpe im Falle des Defektes des Proportionalventils unterbrochen. Die Schmierstoffpumpe geht somit auf Vollförderung, der Pumpenausgangsdruck steigt soweit an, bis der Pumpenausgangsdruck das Second-Level-Ventil öffnet und die Schmierstoffpumpe mit Regeldruck intern versorgt. Die Auslegung des SLR-Ventils erfolgt, dass dieses auf einem entsprechend höheren Druck gegenüber dem normalen Arbeitsdruck der Schmierstoffpumpe öffnet bzw. schließt und die Schmierstoffpumpe auf diesem Druckniveau einregelt und den Verbrennungsmotor dementsprechend versorgt. Nachteilig sind hierbei die Wechselwirkungen der unterschiedlichen Masse-Kraft-Systeme von Second-Level-Ventil und Stelleinheit, was zu Wechselwirkungen bis hin zum Aufschwingen der gesamten Second-Level-Regelung und Stelleinheit führen kann. Im Unterschied dazu wird die erfindungsgemäße Schmierstoffpumpe stetig mit Steuerdruck versorgt, der dem SLR-Niveau entspricht. Ein Vorteil liegt darin, dass die Schmierstoffpumpe mit Pumpenausgangsdruck (intern geregelt) oder mit dem Druck aus dem Hauptversorgungskanal sowie beliebigen Stellen des Versorgungskreislaufes angesteuert werden kann. Die Kennfeldsteuerung steuert das Proportionalventil hochfrequent an und auf Grund der jeweiligen Stellung des Proportionalventils, wird zu dem bereits vorhendenen SLR-Druckbereich ein weiterer Stellbereich mit Druck versehen und die Verstelleinheit der Schmierstoffpumpe in eine bestimmte Lage gebracht, die der Schmierstoffpumpe ermöglicht, Fördermenge und Förderdruck nach dem vorgegebenen "Kennfeld" darzustellen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1

ein erfindungsgemäßes Schmierstoffpumpensystem,

Fig. 2

eine Schnittdarstellung durch eine nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform einer Schmierstoffpumpe,

Fig. 3

eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,

Fig. 4

eine weitere nicht zur Erfindung gehörende Ausführungsform der Schmierstoffpumpe.

Entsprechend der Fig. 1, weist ein kennfeldgesteuertes Schmierstoffpumpensystem 1 eine Schmierstoffpumpe 2 auf, welche beispielsweise als Zellenpumpe ausgebildet ist, und welche zur Versorgung eines Verbrennungsmotors 3 mit Schmierstoff dient. Innerhalb des erfindungsgemäßen Schmierstoffpumpensystems 1 ist noch ein mit einer Ausgangsseite der Schmierstoffpumpe 2 verbundenes Filter 4, ein Drucksensor 5 sowie ein Proportionalventil 6 angeordnet, wobei letzteres beispielsweise als 3/2-Wegeventil ausgebildet sein kann. Selbstverständlich gehört zu dem erfindungsgemäßen Schmierstoffpumpensystem 1 noch ein Schmierstoffreservoir 7, in welchem der Schmierstoff, beispielsweise das Öl 8, gesammelt wird. Unabhängig ob im Folgenden von Öl 8 gesprochen wird, soll hierunter selbstverständlich auch jeder andere gängige Schmierstoff verstanden werden.

Zur Steuerung der Leistung der Schmierstoffpumpe 2 dient dabei das Proportionalventil 6, welches eingangsseitig mit dem Verbrennungsmotor 3 bzw. einem Ausgang der Schmierstoffpumpe 2 kommunizierend verbunden ist. Betrachtet man hierbei insbesondere die Fig. 3, so kann erkennen, dass innerhalb der Schmierstoffpumpe 2 eine verstellbare Stelleinheit 9 angeordnet ist, über welche eine Förderleistung der Schmierstoffpumpe 2 regelbar ist, und welche von einer Feder 10 vorgespannt ist. Entgegen einer Federkraft der Feder 10 wirkt dabei ein Öldruck, der über eine erste auf die Stelleinheit 9 wirkende Druckkammer 11 sowie über zumindest zwei zweite Druckkammern 12, 12' wirkt. Wie dabei insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist dabei die eine zweite Druckkammer 12, kleiner dimensioniert als die erste Druckkammer 11 und beim Vorhandensein von zwei Druckkammern 12, 12' gemäß Fig. 3, sind diese in Summe kleiner dimensioniert als die erste Druckkammer 11. Sowohl die erste Druckkammer 11 als auch die zumindest eine zweite Druckkammer 12, 12' ist dabei mit einem Kennfeld gesteuerten Öldruck beaufschlagt und verstellt je nach eingebrachtem Öldruck die Stelleinheit 9 entgegen der Federkraft der Feder 10.

Die erste und/oder die zweite Druckkammer 11, 12, 12' sind dabei eingangsseitig mit dem Verbrennungsmotor 3 und/oder mit einem Ausgang der Schmierstoffpumpe 2 kommunizierend verbunden, wobei bei der gemäß der Fig. 3 dargestellten Schmierstoffpumpe 2 insgesamt zwei zweite Druckkammern 12, 12' vorgesehen sind, die über einen Verbindungskanal 13 miteinander verbunden sind.

Bei einem Ausfall des Proportionalventils 6 wird die Schmierstoffpumpe 2 ausschließlich über die zweiten Druckkammern 12, 12' mit Druck beaufschlagt, wobei aufgrund der kleineren Dimensionierung der zweiten Druckkammern 12, 12' ein höherer Schmierstoffdruck erzeugt wird, so dass der Verbrennungsmotor 3 auch beim Ausfall des Proportionalventils 6 einerseits ausreichend mit Schmierstoff versorgt wird, dies andererseits jedoch auf einem vergleichsweise höheren Druckniveau erfolgt.

Gemäß der Fig. 2 ist die Stelleinheit 9 schwenkbar ausgestaltet, während sie gemäß der Fig. 3 als translatorisch verstellbarer Schieber ausgebildet ist. Durch das erfindungsgemäße kennfeldgesteuerte Schmierstoffpumpensystem 1 kann ein bisher erforderliches "Second-Level-Ventil" entfallen, wodurch weniger Teile produziert und montiert und damit das gesamte Schmierstoffpumpensystem 1 kostengünstiger gestaltet werden kann. Darüber hinaus können Wechselwirkungen des nunmehr entfallenen Second-Level-Ventils mit der Stelleinheit 9 ausgeschlossen werden, wobei das erfindungsgemäße Schmierstoffpumpensystem 1 zudem in seiner Second-Level-Regelung, in welcher ausschließlich die zweiten Druckkammern 12, 12' mit Druck beaufschlagt sind, auf einem höheren Kräftegleichgewicht arbeitet, was den Einfluss von inneren Kräften aus einem Pumpenlaufsatz minimiert. Mit der erfindungsgemäßen Schmierstoffpumpe 2 können darüber hinaus ohne zusätzliches Second-Level-Ventil sämtliche Faktoren, wie beispielsweise Öldruck, Volumenstrom, Motordrehzahl, Öltemperatur sowie Federkraft getrennt voneinander berücksichtigt werden. Das im normalen Betriebszustand zur Steuerung der Schmierstoffpumpe 2 dienende Proportionalventil 6 ist dabei eingangsseitig über eine Hauptölgalerie mit dem Verbrennungsmotor 3 bzw. mit dem Ausgang der Schmierstoffpumpe 2 verbunden.

Entsprechend der Fig. 4, weist eine Schmierstoffpumpe 1 a eine Welle 2a auf, an welcher ein Rotor 3a drehfest angeordnet ist. Der Rotor 3a ist dabei über einzelne Pendel 4a mit einem Käfig 5a wirkungsverbunden, wobei der Käfig 5a in einem Schieber 6a geführt ist. Der Schieber 6a seinerseits ist schwenkbar um einen Lagerstift 7a gelagert und mittels einer Feder 8a vorgespannt. Die Feder 8a, beispielsweise eine Regelfeder, stützt sich dabei einenends am Schieber 6a und anderenends an einer Federgegenlage 9a am Gehäuse 10a der Schmierstoffpumpe 1 a ab. Durch ein Verdrehen des Schiebers 6a um den Lagerstift 7a kann eine Förderleistung der erfindungsgemäßen Schmierstoffpumpe 1a reguliert werden, indem beispielsweise die Volumina eines Druckraums 11a und eines Saugraums 12a durch eine Veränderung der Exzentrität des Rotors 3a zum Schieber 6a verändert werden. Die Schmierstoffpumpe 1a ist dabei als sogenannte Zellenpumpe ausgebildet und dient üblicherweise zur Versorgung eines nicht gezeigten Verbrennungsmotors mit Schmierstoff, insbesondere mit Öl.

Ein Verstellen des Schiebers 6a wird dabei mittels eines hydraulischen Drucks innerhalb einer Regeldruckkammer 14a bewirkt, wobei ein Ansteigen des Drucks in der Regeldruckkammer 14a ein Verstellen des Schiebers 6a entgegen der Feder 8a bewirkt. Darüber hinaus trennt der Schieber 6a noch eine Dämpfungskammer 13a von einer Saugkammer 17a, wobei eine Trennung zwischen der Regeldruckkammer 14a, der Dämpfungskammer 13a und der Saugkammer 17a über am Schieber 6 angeordnete Dichtleisten 15a und 15a' erfolgt, welche den Schieber 6a gegenüber dem Gehäuse 10a der Schmierstoffpumpe 1 a abdichten.

Zwischen der Regeldruckkammer 14a und der Dämpfungskammer 13a ist entsprechend einer ersten Variante eine Verbindung 16a, beispielsweise ein Verbindungskanal, zum Ausgleich von Druckschwankungen und damit zur Dämpfung der Schmierstoffpumpe 1 a vorgesehen. Die Verbindung 16a kann dabei nicht nur als im Gehäuse 10a ausgebildeter Verbindungskanal ausgestaltet sein, sondern ebenfalls in der Art eines Freischliffs oder schon im Gussgehäuse als Kanal integriert sein, zwischen dem Schieber 6a und dem Gehäuse 10a. Die Verbindung 16a ist dabei gemäß der Fig. 1 stark vergrößert dargestellt, so dass diese normalerweise so klein ausgebildet ist dass sie eine Drosselwirkung entfaltet. Alternativ zur Verbindung 16a kann auch eine Verbindung 16a' zwischen der Dämpfungskammer 13a und der Saugkammer 17a vorgesehen sein, wobei diese Verbindung 16a' innerhalb des Schiebers 6a verläuft und in diesem Fall ebenfalls als Verbindungskanal ausgebildet sein kann. Selbstverständlich kann auch hierbei eine Verbindung zwischen der Dämpfungskammer 13a und der Saugkammer 17a alternativ als Freischliff zwischen dem Schieber 6a und dem Gehäuse 10a unter Überwindung der Dichtleiste 15a' ausgebildet sein.

Beiden Varianten ist dabei gemein, dass eventuell auftretende Druckschwankungen bzw. Druckpulsationen durch die Verbindung 16a bzw. 16a' besser ausgeglichen und damit kompensiert werden können, wodurch eine Dämpfung der in der Schmierstoffpumpe 1a auftretenden Vibrationen des Schiebers erreichbar ist. Die Regeldruckkammer 14a ist dabei üblicherweise kleiner dimensioniert als die Dämpfungskammer 13a und ist gleichzeitig eingangsseitig üblicherweise mit einer Hauptölgalerie des Verbrennungsmotors verbunden.

Eine weitere Alternative ist es, mittels einer Drosselbohrung, die wie die Verbindung 16a,16a' wirkt, ein außen am Gehäuse 10a angebrachtes Dämpfungsvolumen (Schmierstoffreservoir 18a) mit einem der Volumina in der Pumpe zu verbinden.

Durch die Verbindung 16a wird bei allen Ausführungsformen ein Überpumpen des Öls von einem zum anderen Volumen erzielt, gleichzeitig erfolgt eine Drosselung wodurch die Druckpulsationen vermindert werden.