Ölpumpen für Verbrennungsmotoren und Getriebe

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1 Ölpumpen für Verbrennungsmotoren und Getriebe Konventionell, variabel und elektrisch

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3 Ölpumpen für Verbrennungsmotoren konventionell und variabel Die Ölpumpen von Pierburg Pump Technology werden von fast allen Motorenherstellern eingesetzt. Kunden sind die Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie weltweit. Die Ölpumpe des Verbrennungsmotors ist einer der Motorbauteile, die bereits bei der Erstellung des Motorkonstruktionskonzepts festgelegt werden. Die Qualität der Pumpenauslegung und ihrer Ausführung trägt entscheidend dazu bei, die Ausbaufähigkeit des Motorgrundkonzepts über viele Jahre der Serienfertigung hinweg aufrecht zu erhalten. In den leistungsfähigen Entwicklungszentren in Italien, Frankreich und Deutschland stehen Motorprüfstände, Fahrzeugrollenprüfstände sowie produktspezifische Dauerlaufund Funktionsprüfstände in großer Anzahl zur Verfügung. Konstruktion und Berechnung werden auf kundenspezifischer CAD-Software und mit modernsten Programmen für die Berechnung von Pumpen und Bauteilen durchgeführt. Die Pierburg Pump Technology fertigt Ölpumpen mit Außenverzahnung, Innenverzahnung für Kurbelwellendirektantrieb oder Nebentriebe sowie nach Kundenspezifikation. Der Ölvolumenstrom wird üblicherweise mit integrierten Druckbegrenzungsventilen in Kolbenbauart abgeregelt. Abb. 1: Kurbelgetriebene VOP mit Magnetventil Abb. 2: Kettengetriebene VOP mit hydraulischer Steuerung Abb. 3: VOP mit hydraulischer Steuerung 3

4 Innovative Ölpumpen Mit den zum Teil neuen ölhydraulischen Aufgaben, wie beispielsweise dem hydraulischen Ventilspielausgleich, der Kolbenkühlung und Aluminium-Motorblöcken benötigen moderne Motoren gerade im unteren Drehzahlbereich überproportional große Ölvolumenströme. Bei konventionellen, ungeregelten Pumpen führt dies zu erheblichen Verlustleistungen (Abb. 4) durch die direkte Kopplung an die Motordrehzahlen in höheren Drehzahlbereichen. Die Pierburg Pump Technology entwickelt hierzu verschiedene Konzepte, um die sichere Schmierung und zuverlässige Regelung des Ölversorgungssystems unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Ziel ist es, Pumpen anzubieten, die alle Funktionsanforderungen erfüllen, jedoch unter der Prämisse von optimalem Wirkungsgrad und möglichst geringer Verlustleistung. Angesichts der Forderung nach verbesserten Wirkungsgraden zur Emissionsminderung werden konventionelle Zahnradpumpen mit Ableitungssystemregelung zunehmend durch neue Pumpentypen ersetzt, die Fördermenge und -druck ohne Energieverluste regeln. Flügelpumpen haben den Vorteil, dass sie über einen breiten Einstellbereich mit konstantem Wirkungsgrad einfach und kontinuierlich geregelt werden können. Außerdem können sie sowohl an der Kurbelwelle als auch in der Ölwanne angeordnet werden. Die von Pierburg Pump Technology gewählte Lösung erlaubt die Anwendung von verschiedenen passiven und aktiven Regelformen. Bei dem eingesetzten Regelsystem kann selbst bei hoher Drehzahl und einer großen im Öl gelösten Wasserluftmenge eine genaue und konstante Druckeinstellung erreicht werden. Die Exzentrizität des Rotors und folglich sein Versatz werden durch den Druckunterschied zwischen den zwei begrenzenden Kammern angepasst. Diese Änderung erfolgt mittels eines hydraulischen Ventils und kann durch Einsatz eines Thermostaten oder eines Elektroventils zur Anpassung an die Temperatur oder zahlreiche anderen Betriebsparameter justiert werden. Um ein optimales Ergebnis zu erreichen, ist eine variable Druckregelung erforderlich, wie der NEFZ zeigt. Hier wird der Druck im niedrigen Drehzahlbereich und bei Temperaturen, die von den üblichen Betriebstemperaturen abweichen, begrenzt. Je nach angewandter Strategie Antriebsleistung [kw] Volumenstrom [l/min] Neuer Motorbedarf Ölpumpe, theoretische Förderleistung Bisheriger Motorbedarf Neu = 600 % B.L. Alt = 100 % B.L. Verlorene Leistung Benötigte Leistung (B.L.) Motordrehzahl [min -1 ] Abb. 4: Vorteil eines geregelten Ölpumpenkonzeptes 4

5 können gute Ergebnisse mit elektronischer Regelung über zwei verschiedene Druckstufen erreicht werden. Darüber hinaus gestattet die kontinuierliche Druckregelung eine weitergehende Verbesserung der Ergebnisse selbst außerhalb des Prüfzyklus. In Bezug auf den NEFZ kann die Leistungsaufnahme der Ölpumpe durch Einsatz dieser Technologie um bis zu 70 % verringert werden. Die Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch führt zu einer Einsparung von bis zu 3 %. Variable Ölpumpen können in Module integriert werden unter Einbeziehung von Vakuumpumpen, Wasserpumpen und Ausgleichswellen. Die Konstruktionsabteilung von Pierburg Pump Technology verfügt über die modernsten Konstruktions- und Simulationstools sowie umfassende Sachkenntnis und Erfahrung bei der Strukturanalyse der finiten Elemente (statisch, modal, spektral und dauerfestigkeitsbezogen), numerische Strömungssimulation (CFD) sowie Mehrkörpersimulationen. Mehrkörperanalysen wurden eingeführt, um genaue Informationen über die Faktoren zu erhalten, die bewegliche Teile beeinflussen. Mit Simulationen kann die Auswirkung des Antriebs auf die dynamischen Bedingungen des Motors analysiert werden, wie z.b. das Drehschwingungsverhalten der Kurbel- und Nockenwelle. Um die hydraulische Wechselwirkung zwischen der Pumpe und dem Schmiersystem zu beurteilen, hat Pierburg Pump Technology ein Simulationsmodell entwickelt, das auf einer Systemanalysenplattform basiert, die die spezifischen Pumpeneigenschaften mithilfe eines eindimensionalen Modells nachbildet. Der Einsatz von CFD- Simulationen ist von grundlegender Bedeutung für die Optimierung der Strömungsdynamik in der Pumpe und die Einschränkung von Druckschwankungen, insbesondere wenn das geförderte Öl große Mengen Luft enthält. Die Physik der mehrphasigen Förderung (Öl, Luft und Öldämpfe) wird in das Berechnungsmodell integriert. Schlüsselergebnisse dieser Simulationen sind die Größe, Intensität und Position der anfallenden Druckspitzen sowie der prozentuale Anteil von Luft und Öldämpfen in den verschiedenen Bereichen der Pumpe. Die herausragende Fachkompetenz von Pierburg Pump Technology auf diesem Gebiet ist das Ergebnis enger Zusammenarbeit mit renommierten Forschungsinstituten und Hochschulen. Abb. 5: Kettengetriebene VOP mit thermohydraulischer Steuerung Abb. 6: Kettengetriebene VOP mit elektrohydraulischer Steuerung 5

6 Elektrische Ölpumpen Für Hybridantriebe und Motoren mit automatischer Start- Stopp-Funktion ist der Einsatz von elektrischen Zahnradölpumpen unerlässlich, wenn der hydraulische Druck in den Nebensystemen nach Abschalten des Verbrennungsmotors aufrechterhalten werden muss. Elektrische Ölpumpen können auch in Kombination mit der mechanischen Ölpumpe des Motors als Boosterpumpe eingesetzt werden oder oder in einem jeden Fall, in dem Öldruck erforderlich ist, um Bauteile unabhängig von den Verbrennungsmotoren zu betreiben. Zur Entwicklung neuer Ölpumpen bedient sich Pierburg Pump Technology der Synergieeffekte mit den elektrischen Wasserpumpen und spart so Kosten und Entwicklungszeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Betriebssicherheit. Durch Integration von Elektromotor und Hydraulik ist es gelungen, Baugröße, Gewicht und Komplexität zu verringern. Auf diese Weise ist Pierburg Pump Technology in der Lage, integrierte elektrische Ölpumpen basierend auf Motoren von 50 W bis zu mehr als 400 W zu realisieren. In Abb. 7. ist beispielhaft die bereits in Serie befindliche X20 Ölpumpe mit einem 200 W-Motor dargestellt. Je nach Erfordernis kann die Elektronik, die in erster Linie die sensorlose Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors sicherstellt, als getrennte Regeleinheit ausgeführt oder in das Pumpengehäuse integriert werden. Wie die sensorlose Rotorlageerfassung erfolgt die Erzeugung der Motorsteuersignale durch die Software im von Pierburg Pump Technology entwickelten ASIC (= anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis). Da der tatsächlichen Motornennstrom Werte bis 40 A erreichen kann, erfordert die Auslegung der Halbleiter-Ausgangsstufen besondere Aufmerksamkeit in Bezug auf elektromagnetische Vereinbarkeit und Kühlung. An dieser Stelle ist eine frühzeitige Prognose des thermischen Verhaltens der Pumpe erforderlich, gepaart mit dem interdisziplinären Fachwissen, das Pierburg Pump Technology sich über viele Jahre angeeignet hat. Abb. 7: X20 elektrische Ölpumpe Abb. 8: Bsp. der neuen Generation elektrischer Ölpumpen 6

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8 Pierburg Pump Technology GmbH Alfred-Pierburg-Straße Neuss Tel Fax Änderungen vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. A IX k