articolo MTZ

ElEktrifiziErung treibt PumPeninnovationen

Dipl.-ing. Achim Brömmel Leitung Produktentwicklung und Fertigungsprozesse bei Pierburg

Pump Technology in Neuss.

auToreN

Dipl.-ing. michAel romBAch ist Leiter Produktentwicklung Vakuumpumpen bei Pierburg

Pump Technology in Neuss.

Dr.-ing. BernD WickerAth ist Technischer experte

Strömungsmechanik bei Pierburg Pump Technology in Neuss.

Dipl.-ing. thomAs Wienecke ist Leiter Produktentwicklung

elektrische Kühlmittelpumpen bei Pierburg Pump Technology

in Neuss.

pumpen

86 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg

Pierburg Pump Technology (PPT) gilt als weltweit an

erkannter Spezialist für innovative und zukunftsweisen

de Pumpentechnologie. Das Produktportfolio umfasst

mechanische und elektrische Kühlmittel, Öl und

Vakuumpumpen sowie Wasserumwälzpumpen für

Personenkraft und Nutzfahrzeuge. Das international

aufgestellte unternehmen ist seit vielen Jahren ein

führender Hersteller von Pumpen im Verbrennungs

motorenbereich und Vorreiter bei technologischen

Neuentwicklungen und Innovationen.

Dipl.-ing. JeAn-michel DurAnD ist Leiter Produktentwicklung

mechanische Kühlmittelpumpen bei Pierburg Pump Technology in

Thionville (Frankreich).

Dipl.-ing. giAcomo Armenio ist Leiter Produktentwicklung

Ölpumpen bei Pierburg Pump Technology in Livorno

(Italien).

Dipl.-ing. ph.D. rAffAele squArcini

ist Gruppenleiter Berechnung und Simulation bei Pierburg Pump

Technology in Livorno (Italien).

Dipl.-ing. thomAs JoAchim giBAt ist Leiter elektronik in der Zentralen

entwicklung der Kolbenschmidt Pierburg aG in Neuss.

technologietrenDs in Der pumpenAuslegung

Die rasant wachsenden Anforderungen in der Motorenentwick-lung im Hinblick auf Verbrauchs- und Emissionswerte erfordern neben der Optimierung der Energiebilanz des Motors gleichfalls eine Reduktion der Leistungsaufnahme der Nebenaggregate. Für die Entwicklung neuer Pumpen bedeutet dies neben einer nach-haltigen Optimierung des Wirkungsgrads die konsequente Nut-zung weiterer Einsparpotenziale wie die Variabilisierung der Pumpe, das heißt die Anpassung der Pumpenleistung an die Er-fordernisse des jeweiligen Betriebszustands.

PPT hat diesen Trend bereits vor Jahren erkannt und mit der Entwicklung elektrischer Kühlmittelpumpen sowie variabler me-chanischer Wasser- und Ölpumpen vorangetrieben. Mittlerweile finden sich solche Produkte bei verschiedenen OEM von Perso-nenkraft- und Nutzfahrzeugen in Serienproduktion oder kurz vor Serienanlauf.

Aktuelle Entwicklungen befassen sich mit der weiteren Variabili-sierung mechanischer Wasserpumpen, ausgehend von einfachen abschaltbaren bis hin zu vollvariablen Pumpen mit Drosselregelung. Im Bereich der variablen mechanischen Ölpumpen tragen verbes-serte kennfeldgesteuerte Regelsysteme mit Hilfe elektrifizierter Ak-tuatorik zur Erschließung zusätzlicher Einsparpotenziale bei. Ange-sichts zukünftiger Antriebskonzepte wie Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen forciert PPT ebenfalls die Entwicklung elektrischer Vakuumpumpen und elektrischer Ölpumpen, letztere für eine erweiterte Funktionalität neuer Getriebekonzepte.

87100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg

pumpen

mechAnische kühlmittelpumpen

Lange lag der Fokus bei der Entwicklung von Kühlmittelpumpen auf einer Verbesse-rung des Wirkungsgrades und der Haltbar-keit sowie einer Reduzierung der Geräusch- emissionen. In dieser Zeit hat sich der Auf-bau dieser Pumpen nicht wesentlich geän-dert. Die in den letzten Jahren stetig gestie-genen Anforderungen hinsichtlich Kraft-stoffeinsparung und Emissionsreduzierung machen jedoch die Einführung flexibler Systeme unumgänglich und führen so zu einem grundlegenden Wandel in der Pum-penentwicklung. Die Optimierung des Kalt-starts des Verbrennungsmotors und die Re-duzierung der Leistungsaufnahme der Pumpe sind die zentralen Gründe für diese Flexibilisierung der Kühlmittelpumpe. In den ersten Minuten nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors sollte die Pumpe keine Kühlleistung bereitstellen, da mittels einer verkürzten Aufwärmphase des Mo-tors die Abgasemissionen reduziert wer-den. Diese Funktionalität kann mit Hilfe ei-ner abschaltbaren Kühlmittelpumpe, einer so genannten On/Off-Pumpe, abgebildet werden. Des Weiteren wird die Hydraulik der Kühlmittelpumpe für die ungünstigste thermische Belastung des Motors ausge-legt. Als Folge dieser Auslegungsvorschrift und des festen Übersetzungsverhältnisses zwischen Motor und Pumpe wird dem Mo-tor in den meisten Betriebspunkten eine zu große Kühlmittelmenge zugeführt. Eine bessere Anpassung der Kühlleistung an

den Bedarf des Motors kann sowohl über kontinuierliche als auch über diskrete Ver-stellmechanismen erzielt werden. In bei-den Fällen wird die Variabilität der Pumpe mittels eines elektrischen Aktuators er-reicht. Dabei ist ein störungssicheres Sys-tem (Fail-Safe-System) zu gewährleisten, das heißt, bei einem Ausfall der Steuerein-heit muss die variable Pumpe die Funktio-nalität einer konventionellen Pumpe auf-weisen.

Im Zuge der Abgasnormen Euro 5 und Euro 6 entwickelte PPT bereits verschie-dene variable Kühlmittelpumpen, ❶. Für Nutzfahrzeuge wurde zunächst eine Pum-pe mit einem schaltbaren Übersetzungs-verhältnis realisiert. Hierzu integrierte PPT eine elektromagnetische Kupplung in die Pumpe, welche zwei verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen Rie-menscheibe und Pumpenlaufrad und so-mit zwei unterschiedliche Laufraddreh-zahlen ermöglicht. Der Serienanlauf die-ser Applikation war im Juni 2009. Die zweite Anwendung, welche für den Pkw-Bereich entwickelt wurde, beinhaltet ebenfalls eine elektromagnetische Kupp-lung. Im Unterschied zur ersten Anwen-dung wird mit Hilfe der Kupplung jedoch keine zweite Drehzahl realisiert, sondern der Kraftschluss bei eingeschaltetem Ak-tuator unterbrochen und somit eine Null-förderung ermöglicht. Die entwickelten Prototypen haben bereits umfangreiche Dauerversuche erfolgreich überstanden. Eine weitere Entwicklung für Nutzfahr-zeuge basiert auf einer kontinuierlichen Anpassung des Strömungsquerschnittes am Austritt der Pumpe. Dabei werden über einen elektrischen Aktuator die Leit-schaufeln verstellt und somit der Kühl-massenstrom den Erfordernissen des Mo-tors angepasst. Nach erfolgreichen Versu-chen auf Komponentenprüfständen wird

❶ entwicklung mechanischer KühlmittelpumpenDevelopment of mechanical coolant pumps

❷ Kennfelder elektrischer KühlmittelpumpenHydraulic characteristic of electric coolant pumps

pumpen


technologicAl trenDs in pump Design

The rapidly growing requirements in en-gine development in terms of fuel con-sumption and emission values call not on-ly for the optimization of the engine’s en-ergy balance but also a reduction in the power consumption of the accessories. For the development of new pumps this means, along with a sustained optimiza-tion of efficiency, the consistent exploita-tion of further potential for savings such as pump variability, i.e., the adaptation of pump output to the requirements of the particular operating point.

PPT identified this trend years ago and has pushed ahead with the development of electric coolant pumps and variable mechanical water and oil pumps. In the meantime, such products are already in, or on the verge of, mass production at a variety of OEM of cars and commercial vehicles.

Current development work is concerned with further improvements in the variabil-ity of mechanical water pumps, be they simple On/Off or fully variable pumps with throttle control. In the field of vari-able mechanical oil pumps, improved characteristic-driven control systems help to exploit extra conservation potential by using electrified actuators. In view of the drive concepts of the future such as hy-brid, electric and fuel-cell vehicles, PPT is also advancing the development of elec-tric vacuum pumps and electric oil pumps, the latter to extend the functional-ity of new transmission strategies.

mechAnicAl coolAnt pumps

The focus in the development of coolant pumps was for a long time on improving efficiency and durability and reducing noise emissions. In essence, pump design remained unchanged throughout this peri-od. However, increasingly tough require-ments in terms of fuel economy and emis-sion reduction over the last few years have made the introduction of flexible systems imperative and are thus encour-aging a fundamental rethink in pump de-velopment. The optimization of the cold starting of the internal combustion engine and the reduction in pump power con-sumption are the key reasons for develop-ing coolant pumps with greater flexibility. In the first few minutes after cold starting, the pump should not cool the internal combustion engine, as exhaust gas emis-sions can be reduced by shortening the engine’s warm-up phase. This functionali-ty can be achieved with the aid of an On/Off coolant pump. Moreover, the hydrau-lics of the coolant pump is designed for the engine’s least favorable thermal load-ing. As a consequence of this design re-quirement and the fixed transmission ra-tio between the engine and pump, the en-gine is oversupplied with coolant at most operating points. A better adaptation of cooling performance to the needs of the engine can be achieved with both contin-uous and discrete adjustment mecha-nisms. In both cases, pump variability is realized with an electric actuator. Fail-safe operation must be ensured here, i.e. in the event of a failure of the control unit, the

ElEctrificationPowers PumP innovation

Dipl.-ing. Achim Brömmel is Vice President engineering and

Manufacturing Process at Pierburg Pump Technology in Neuss

(Germany).

Dipl.-ing. michAel romBAch is Senior Manager Product

engineering Vacuum Pumps at Pierburg Pump Technology in Neuss

(Germany).

Dr.-ing. BernD WickerAth is Technical expert Fluid Dynamics

at Pierburg Pump Technology in Neuss (Germany).

Dipl.-ing. thomAs Wienecke is Senior Manager Product

engineering electric Water Pumps at Pierburg Pump Technology in Neuss

(Germany).

Dipl.-ing. JeAn-michel DurAnD is Senior Manager Product

engineering Mechanical Water Pumps at Pierburg Pump

Technology in Thionville (France).

Dipl.-ing. giAcomo Armenio is Senior Manager Product engineer

ing oil Pumps at Pierburg Pump Technology in Livorno (Italy).

Dipl.-ing. ph.D. rAffAele squArcini is Group Manager Calculation

and Simulation at Pierburg Pump Technology in Livorno (Italy).

Dipl.-ing. thomAs JoAchim giBAt is Senior Manager electronics

within Central engineering of Kolbenschmidt Pierburg aG

in Neuss (Germany)

auTHorS

Pierburg Pump Technology (PPT) is a globally acknowledged specialist in innovative and futuristic pump tech

nology. The product portfolio comprises mechanical and electric coolant, oil and vacuum pumps as well as water

circulation pumps for cars and commercial vehicles. The globally oriented company has been a marketleading

producer of pumps for internal combustion engines for many years and has always been a pioneer of novel

technical developments and innovations.

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pumps

100 Years of Kolbenschmidt Pierburg

zurzeit diese viel versprechende Technolo-gie am Fahrzeug validiert.

elektrische kühlmittelpumpen

Um den wachsenden Kühlungsbedarf und gestiegenen Anforderungen moderner Mo-torengenerationen gerecht zu werden, ist heute der Einsatz elektrischer Kühlmittel-pumpen unumgänglich. Bereits vor Jah-ren erkannte Pierburg diesen Trend und entwickelte die erste in Großserie gefertig-te elektrische Kühlmittelpumpe. Die trei-bende Kraft war damals primär die Kraft-stoffeinsparung und eine Reduzierung der Abgasemissionen. Darüber hinaus konnte der Komfort im Fahrgastinnenraum durch eine verbesserte Klimatisierung erhöht werden. Seitdem ist im Fahrzeug die Zahl der Kühlungsaufgaben kontinuierlich ge-stiegen. Beispielsweise wird heute die standardmäßig eingesetzte Abgasrückfüh-rung mittels einer zusätzlichen Wasser-kühlung optimiert. Auch der aktuelle Trend in der Motorenentwicklung zum Downsizing und zur Verringerung des Hubraumes bei steigender Motorleistung durch Aufladung führt zu einem erwei-terten Kühlungsbedarf. Denn aufgeladene Motoren mit hohen Ladedrücken sind nur in Verbindung mit einer hochleistungsfä-higen indirekten Ladeluftkühlung effizi-ent. Des Weiteren benötigt auch der Ab-gasturbolader für eine einwandfreie Funk-tion und lange Lebensdauer eine Wasser-kühlung mit Nachlauffunktion.

Die Unabhängigkeit des Kühlvolumen-stroms von der Drehzahl des Verbren-nungsmotors macht die elektrische Pum-pe für Kraftfahrzeuge unverzichtbar. Ins-besondere die Nachlauffunktionalität ver-deutlicht diesen entscheidenden Vorteil gegenüber konventionellen Pumpen. Mit einer elektrischen Kühlmittelpumpe las-sen sich wegen der bedarfsgerechten Kühlmittelversorgung Verbrauchseinspa-rungen von zwei bis drei Prozent erzielen. In besonderen Situationen, wie zum Bei-spiel beim Kaltstart, kann die Pumpe gänzlich abgeschaltet werden und bewirkt durch die schnellere Motoraufheizung ei-ne Verminderung der Schadstoffemissi-onen. Die Nachwärmenutzung und Ver-fügbarkeit der Pumpe auch nach dem Ab-schalten des Verbrennungsmotors sind ge-rade vor dem Hintergrund zunehmender Aggregate mit Start-Stopp-Automatik von Bedeutung. Auch zukünftige Antriebskon-

❸ Schnittbild der elektrischen Kühlmittelpumpe CWa50Cross section model of the electric coolant pump CWa50

❹ elektronikmodul der elektrischen Kühlmittelpumpe CWa400electronic module of the electric coolant pump CWa400

❺ Variable mechanische ÖlpumpeVariable mechanical oil pump

pumpen


variable pump has to perform the func-tions of a conventional pump.

In connection with the Euro 5 and Euro 6 exhaust gas standards, PPT has already developed a number of variable coolant pumps, ❶. For commercial vehicles, a pump has initially been realized with a switchable transmission ratio. To this end, PPT has integrated an electromagnetic clutch in the pump which permits two dif-ferent transmission ratios between the pul-ley and pump impeller and thus two differ-ent impeller speeds. Series launch for this application took place in June 2009. The second application, developed for the car sector, also involves an electromagnetic clutch. However, in this case the clutch is not used for realizing a second speed, and instead the frictional connection is disen-gaged with the actuator switched on, thus facilitating zero coolant supply. The devel-oped prototypes have already successfully negotiated extensive endurance test runs. Another development for commercial vehi-cles is based on the continuous adjustment of the flow cross section at pump outlet. By means of an electric actuator, the impel-ler blades are adjusted, thus adapting cool-ant mass flow to the engine’s needs. After successful tests on component test rigs, this highly promising technology is cur-rently undergoing validation in the vehicle.

electric coolAnt pumps

To satisfy the growing need for cooling and the tougher requirements of modern genera-tions of engines, the use of electric coolant pumps is absolutely essential today. Years back, Pierburg spotted this tend and devel-oped the first electric coolant pump to be produced on a commercial scale. The prime motivation at the time was fuel efficiency and reducing exhaust gas emissions. In ad-dition, comfort in the passenger compart-ment was also enhanced with improved air conditioning. Since then, the number of cooling tasks in the vehicle has been steadi-ly rising. For example, the exhaust gas recir-culation employed as standard is optimized today with additional water cooling. And the current trend in engine development to-ward downsizing and smaller displace-ments while boosting engine performance with turbocharging has also increased the need for cooling. This is because charged engines with high charge pressures are only efficient in harness with high-performance

indirect charge air cooling. Furthermore, the exhaust gas turbocharger needs water cool-ing with a run-on function for trouble-free function and a long service life.

So that the coolant flow rate is independ-ent of the speed of the internal combustion engine, the electric pump is indispensable for motor vehicles. The run-on function in particular highlights this decisive advantage over conventional pumps. With an electric coolant pump, fuel savings of two to three percent are possible thanks to the demand-driven coolant supply. In special situations, e.g. when cold starting, the pump can be switched off entirely and thus reduces pol-lutant emissions by accelerating engine warm-up. The exploitation of residual heat and pump availability even after the inter-nal combustion engine has been switched off are of importance particularly in view of the growing number of units with automat-ic start-stop functions. The drive strategies of the future such as hybrid, electric and fuel-cell vehicles will extend the applica-tional spectrum of electric coolant pumps. These new strategies demand the cooling of batteries, DC/DC converters, power elec-tronics and drive engines as well as, on de-mand, the discharge of heat into the pas-senger compartment.

To perform these varied cooling tasks, PPT has been developing electric coolant pumps in different performance brackets for many years. The product portfolio in series production today covers the output range of 15 to 200 W and is broken down into three performance classes, ❷. The bottom performance range is covered by water circulation pumps (WUP). For the middle range from 50 to 100 W, the CWA50/100 is available, while the top range is served by the CWA200. Current trends are stimulating an extension of the pump portfolio. Along with the develop-ment of the CWA400, a 400 W high-per-formance coolant pump of the third gen-eration, a performance-enhanced WUP is also in the pipeline. Both pumps are based on the proven design of the prede-cessor models, although their hydraulic performance has been more than doubled with unchanged dimensions. To satisfy the large number of applications, there is a modular system for all performance classes that permits the use of standard-ized parts and uniform production lines.

The pumps’ underlying principle is in all cases the same, ❸. The impeller that

generates coolant flow in the cooling sys-tem is driven by a wet rotor. This elimi-nates all dynamic seals and keeps the sys-tem robust and leakage-free throughout its service life with an inexpensive design. The wet rotor and stator are separated by a containment shell and together make up the brushless EC motor. The electronics, ❹, whose main task is to ensure the sen-sorless commutation of the brushless DC motor, is always integrated in the pump and thus permits an extremely compact design. As a result of ongoing standardi-zation, a high level of identical parts is achieved both among the engine compo-nents and in the hardware modules of the engine control electronics. In view of the complexity of electric coolant pumps, a gate-based development process is indis-pensable with the consistent application of such methods as FMEA, DOE and Au-tomotive SPICE, thus upholding the high quality of Pierburg products.

mechAnicAl oil pumps

Mechanical oil pumps, like mechanical coolant pumps, have been undergoing a generation change in the last few years. As a result of the demand for improved effi-ciencies to reduce emissions, conventional gear pumps controlled with dissipative sys-tems are being increasingly superseded by new pumps that control the flow rate and pressure without energy losses. The advan-tage of vane pumps is that they can be sim-ply and continuously controlled over a large adjustment range with constant efficiency. What’s more, they can be positioned both on the crankshaft and in the oil pan. The solution chosen by PPT permits the use of various passive and active forms of control, ❺. With the control system employed, a precise and constant pressure setting can be achieved even at a high speed and with a large quantity of air dissolved in the oil. The eccentricity of the rotor and hence its dis-placement are modified by means of the pressure difference between the two limit-ing chambers. This modification is effected by means of a hydraulic valve and can be corrected for adaptation to the temperature or numerous other operating parameters by means of a thermostat or electric valve. To achieve an optimal result, variable pressure control is necessary, as the NEDC shows by way of example in ❻. The pressure is limit-ed here at low speeds and at temperatures

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pumps


zepte wie Hybrid-, Elektro- oder Brenn-stoffzellen-Fahrzeuge erweitern das An-wendungsgebiet der elektrischen Kühlmit-telpumpen. So erfordern diese neuen Kon-zepte die Kühlung von Batterien, DC/DC-Wandlern, Leistungselektroniken und An-triebsmotoren sowie bei Bedarf die Abga-be der Wärme in die Fahrgastzelle.

Zur Verwirklichung dieser vielfältigen Kühlungsaufgaben entwickelt PPT bereits seit vielen Jahren elektrische Kühlmittel-pumpen unterschiedlicher Leistungsstär-ke. Das in Serie befindliche Produktport-folio umfasst heute den Leistungsbereich von 15 bis 200 W und gliedert sich in drei Leistungsklassen, ❷. Der untere Leistungs-

bereich wird durch die Wasserumwälz-pumpen (WUP) abgedeckt. Für den mitt-leren Leistungsbereich von 50 bis 100 W steht die CWA50/100 zur Verfügung und der obere Leistungsbereich wird von der CWA200 bedient. Die aktuellen Entwick-lungen treiben den Ausbau des Pumpen-portfolios weiter voran. Neben der Ent-wicklung der CWA400, einer 400 Watt leis-tungsstarken Kühlmittelpumpe der dritten Generation, wird auch eine leistungsge-steigerte WUP realisiert. Beide Pumpen setzen dabei auf dem bewährten Design des jeweiligen Vorgängers auf, wobei die hydraulische Leistung bei gleicher Abmes-sung mehr als verdoppelt wird. Um der hohen Anzahl an Applikationen gerecht zu werden, gibt es für alle Leistungsklas-sen einen Baukasten, der die Verwendung von Gleichteilen und einheitlichen Pro-duktionslinien ermöglicht.

Das Grundprinzip der Pumpen ist dabei immer gleich, ❸. Das Laufrad, welches den Volumenstrom im Kühlsystem erzeugt, wird von einem Nassläufer angetrieben. Dadurch entfallen alle dynamischen Dich-tungen und halten das System bei gleich-zeitig kostengünstigem Design über die Laufzeit robust und leckagefrei. Nassläu-fer und Stator werden von einem Spalt-topf getrennt und bilden zusammen den bürstenlosen EC-Motor. Die Elektronik, ❹, deren wesentliche Aufgabe darin besteht, die Kommutierung des bürstenlosen DC-Motors sensorlos zu gewährleisten, ist stets in die Pumpe integriert und ermög-licht somit eine äußerst kompakte Bau-weise. Durch fortlaufende Standardisie-rung wird ein hoher Gleichteileanteil so-wohl bei den Motorkomponenten als auch bei den Hardware-Modulen der Motoran-steuerelektronik erreicht. Angesichts der Komplexität der elektrischen Kühlmittel-pumpen ist ein „Gate“-basierter Entwick-lungsprozess bei konsequentem Metho-deneinsatz, wie FMEA, DOE, Automotive SPICE, unverzichtbar und garantiert die hohe Qualität der Pierburg-Produkte.

mechAnische ölpumpen

Wie bei den mechanischen Kühlmittel-pumpen erleben wir auch bei den me-chanischen Ölpumpen in den letzten Jahren einen Generationswechsel. Durch die Forderung verbesserter Wirkungs-grade zur Schadstoffreduzierung werden konventionelle, mit dissipativen Syste-

❻ Potenzial der energieeinsparung der variablen ÖlpumpenPotential energy conservation of variable oil pumps

pumpen


differing from the usual operating tempera-tures. Depending on the strategy, good re-sults can be achieved with an electronic control over two different pressure stages. Going beyond this, continuous pressure control permits a further improvement in the results even outside the test cycle. By re-ferring to the NEDC, the oil pump’s power consumption can be reduced by up to 70 % by using this technology. This result is achieved by using an electrohydraulic con-trol element coupled with a control strategy that supplies the engine with the minimal oil pressure necessary for function and long-term service. In terms of computer capacity and simulation, PPT has invested consider-able resources in the development of this technology.

PPT’s design department has highly ad-vanced design and simulation tools as well as extensive expertise in the structural analysis of finite elements (static, modal, spectral and fatigue), computational fluid dynamics (CFD) and multi-body simula-tion. Multi-body analyses were introduced to obtain precise information on the factors affecting moving components. This is be-cause such phenomena as wear and sud-den failure due to the jamming of compo-nents can only be interpreted with an un-derstanding of the system’s kinematic and dynamic properties. Multi-body simulation here makes it possible to ascertain the dy-namic loading of the component during operation. Moreover, with simulations it is possible to analyse the effect of the drive in terms of the engine’s dynamic conditions, such as the torsional vibration of the crank- and camshaft. To assess the hydrau-lic interaction between the pump and lubri-cation system, PPT has developed a simu-lation model based on a systems analysis platform that replicates the specific proper-ties of the pumps with the aid of a one-di-mensional model. The use of CFD simula-tions, ❼, is of fundamental importance for optimizing the flow dynamics in the pump and diminishing the pressure fluctuations, particularly when large quantities of air are present in the oil being pumped. This is where the physics of multi-phase flow has to be integrated in the computational mod-el, these phases usually being oil, air and oil vapor. The key results of these simula-tions are the magnitude, intensity and loca-tion of the arising pressure peaks as well as the percentage share of air and oil vapor in the various regions of the pump. PPT’s

outstanding expertise in this field is the outcome of close cooperation with highly reputed research institutions and universi-ties. The many years of cooperation with university institutes helps us to define re-search focuses, energetically pursue new development projects, and achieve an opti-mal transfer of knowledge and technology.

electric oil pumps

For hybrid drives and engines with auto-matic start-stop, the use of electric gear oil pumps is indispensable if hydraulic pressure has to be maintained in the sub-systems after the internal combustion en-gine has been switched off. For the devel-opment of new oil pumps, PPT exploits synergies with the electric water pumps and thus cuts costs and development time while at the same time boosting reliabili-ty. By integrating the electric motor and hydraulics, installation size, weight and complexity have been reduced. This way, PPT is able to realize integrated electric oil pumps based on 50 to over 400 W mo-tors. By way of example, ❽ shows the X20R oil pump based on a 200 W motor and already in mass production. Depend-ing on the requirements, the electronics, which primarily ensures the sensorless commutation of the brushless DC motor, can be implemented in a separate control unit or integrated in the pump housing. Like sensorless rotor position detection, the generation of the engine control sig-nals is performed by the software in the ASIC (user-specific IC) developed in-house. Since actual rated engine currents can be as high as 40 A, the design of the semiconductor output stages requires spe-cial attention as regards electromagnetic compatibility and cooling. This is where an early forecast of the pump’s thermal behavior is required, ❾, as well as the interdisciplinary expert knowledge that PPT has accumulated over many years.

VAcuum pumps

Vacuum pumps are mainly used to gener-ate the vacuum needed by pneumatic brake power boosters, which makes them safety-relevant components. In addition, the pump generates the vacuum for the en-gine control actuators in diesel and petrol engines. These vacuum-controlled valves regulate exhaust gas recirculation and the

turbocharger which, as systems affecting the exhaust gas, are monitored with OBD.

On the basis of its many years of experi-ence with piston, diaphragm and pivot-vane vacuum pumps, PPT has developed a sin-gle-vane pump in the course of optimiza-tion, ❿. The pump comes in modular sizes of 130, 190, 210 and 260 ccm with increas-ing suction power. A vane driven on an ec-centrically arranged rotor travels in a nearly elliptical path in the housing. At both ends of the vane there are sliding shoes attach-ments that permit the generation of a good lubrication film and help to ensure very low wear with low power consumption. To seal the internal gap, discharge heat and lubri-cate the friction partners, the single-vane vacuum pump needs lubricating oil which is supplied by the engine for pressure or spray lubrication.

Since the oil contributes to hydraulic per-formance and thus to the pump’s power consumption, current development work is concerned with reducing the required quantity of oil. Along with the general pres-sure on costs, vacuum pumps are also sub-ject to technical requirements in terms of efficiency and power consumption. The challenge, therefore, is to create efficient oil management in the pump that delivers the lubricating oil to the specific places where it is needed. In addition, materials technol-ogy has gained in importance, as the pump’s power consumption is reduced fur-ther by minimizing friction and cutting the weight of the rotating parts, ⓫. Against the background of future drive strategies such as hybrid, electric and fuel-cell vehicles, PPT is also developing electric vacuum pumps. In doing so, it can resort to its own electronics development capability with many years of experience in the field of DC and EC motor technology.

The design and production of vacuum pumps calls for exceptionally high quality in order to achieve exacting standards of safety, dependability and service life. The long-term fatigue strength of the compo-nents plays an important part in this. For this reason, PPT makes use of the latest computational design methods such as FEM, internal stress analysis and multi-body simulation, which are constantly checked by means of tests. With test rigs for environmental simulation, a chemistry and materials laboratory, and vibration and engine test rigs, an extensive array of validation methods is available on site.

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pumps


men geregelte Zahnradpumpen zuneh-mend verdrängt und durch neue Pumpen ersetzt, welche Fördermenge und Druck ohne Energieverluste regeln. Der Vorteil von Flügelzellenpumpen besteht darin, dass sie einfach und kontinuierlich über einen großen Verstellbereich mit konstan-tem Wirkungsgrad geregelt werden kön-nen. Zudem können sie sowohl auf der Kurbelwelle als auch in der Ölwanne po-sitioniert werden. Die von PPT gewählte Lösung erlaubt den Einsatz verschie-dener passiver und aktiver Regelungs-arten, ❺. Mit dem verwendeten Regelsys-tem kann eine präzise und konstante Druckeinstellung auch bei hoher Dreh-zahl und einer großen im Öl gelösten Luftmenge erreicht werden. Über die Druckdifferenz zwischen den beiden be-grenzenden Kammern wird die Exzentri-zität des Rotors und damit deren Hub-raum geändert. Diese Verstellung wird über ein Hydraulikventil erreicht und kann zur Anpassung an die Temperatur oder zahlreiche andere Betriebsparame-ter mittels eines Thermostat- oder Elek-troventils korrigiert werden. Um ein opti-males Ergebnis zu erzielen, ist eine vari-able Druckregelung notwendig, wie der NEFZ-Prüfzyklus in ❻ beispielhaft zeigt. Dabei erfolgt eine Druckbegrenzung bei niedrigen Drehzahlen und bei Tempera-turen, welche nicht den üblichen Betriebs- temperaturen entsprechen. Je nach Stra-tegie können gute Ergebnisse bereits mit

einer elektronischen Regelung über zwei verschiedene Druckstufen erlangt wer-den. Eine kontinuierliche Druckregelung erlaubt darüber hinaus eine weitere Ver-besserung der Ergebnisse auch außerhalb des Prüfzyklus. Legt man den NEFZ-Prüfzyklus zu Grunde, so kann mit die-ser Technik die Leistungsaufnahme der Ölpumpe um bis zu 70 % verringert wer-den. Erreicht wird dieses Ergebnis durch die Verwendung eines elektrohydrau-lischen Steuerglieds gekoppelt mit einer Regelstrategie, die den Motor mit einem minimalen, für die Funktion und Dauer-haltbarkeit notwendigen Öldruck ver-

sorgt. Für die Entwicklung dieser Tech-nologie hat PPT erhebliche Mittel in Re-chenleistung und Simulation investiert.

Die Berechnungsabteilung der PPT ver-fügt über modernste Berechnungs- und Simulationswerkzeuge sowie umfang-reiche Fachkompetenz in den Bereichen Strukturanalyse finiter Elemente (statisch, modal, spektral und Ermüdung), compu-tergestützte Strömungssimulation (CFD) und Mehrkörpersimulation. Mehrkörper-Analysen wurden eingeführt, um präzise Angaben zu den Einflussfaktoren der be-weglichen Bauteile zu liefern. Denn Er-scheinungen wie Verschleiß und plötz-liche Ausfälle durch das Verklemmen von Bauteilen können nur über die kinema-tischen und dynamischen Eigenschaften des Systems verstanden und interpretiert werden. Die Mehrkörpersimulation er-möglicht hier die Bestimmung der dyna-mischen Belastungen der Bauteile wäh-rend des Betriebs. Des Weiteren kann mit Hilfe der Simulation der Einfluss des An-triebs hinsichtlich motordynamischer Randbedingungen, wie Torsionsschwin-gungen von Kurbel- und Nockenwelle, analysiert werden. Zur Beurteilung der hydraulischen Wechselwirkung zwischen Pumpe und Schmierstoffsystem hat PPT ein Simulationsmodell auf Basis einer Systemanalyseplattform entwickelt, wel-ches die spezifischen Eigenschaften der Pumpen mittels eines eindimensionalen Modells abbildet. Der Einsatz von CFD-Simulationen, ❼, ist von grundlegender Bedeutung für die Optimierung der Strö-mungsdynamik in der Pumpe und die

❼ CFDSimulation einer ÖlpumpeCFD simulation of an oil pump

❽ elektrische Ölpumpe X20relectric oil pump X20r

pumpen


Verringerung von Druckschwan kun gen, insbesondere wenn in dem zu fördernden Öl große Mengen Luft enthalten sind. Hierzu muss die Physik der Mehrphasen-strömung in die Berechnungsmodelle in-tegriert werden, wobei üblicher weise die drei Phasen Öl, Luft und Öldampf be-rücksichtigt werden. Als wesentliche Er-gebnisse dieser Simulation zeigen sich Größe, Intensität und Ort der auftre-tenden Druckspitzen sowie der prozentu-ale Anteil der Luft und des Öldampfes in den verschiedenen Pumpenbereichen. Das Know-how der PPT auf diesem Ge-biet ist das Ergebnis enger Zusammenar-beit mit renommierten Forschungsein-richtungen und Universitäten. Durch langjährige Kooperationen mit Hochschul-instituten werden Forschungsschwer-punkte gesetzt und somit Neuentwicklun-gen vorangetrieben sowie ein optimaler Wissens- und Technologietransfer erzielt.

elektrische ölpumpen

Für Hybridantriebe und Motoren mit einer Start-Stopp-Automatik ist der Ein-satz elektrischer Getriebeölpumpen un-verzichtbar, wenn auch nach Abschalten des Verbrennungsmotors die Verfügbar-keit des hydrau lischen Drucks in den Subsystemen zu gewährleisten ist. Für die Entwicklung neuer Ölpumpen nutzt PPT Synergien mit dem Bereich elek-trische Wasserpumpen und reduziert so-mit die Kosten und Entwicklungszeiten bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverläs-

sigkeit. Durch die Integration von Elek-tromotor und Hydraulik werden Ein-baugröße, Gewicht und Komplexität ver-ringert. Auf diese Weise ist es PPT mög-lich, integrierte elektrische Ölpumpen auf der Basis von 50 bis über 400 W Mo-toren zu realisieren. ❽ zeigt beispielhaft die auf einen 200 W Motor basierende und bereits in Serie befindliche Ölpumpe X20R. Je nach Anforderung kann die Elekt ronik, welche primär die sensorlose Kommutierung des bürstenlosen DC-Mo-tors gewährleistet, separat in einem Steu-ergerät ausgeführt oder in das Pumpen-gehäuse integriert werden. Die Generie-rung der Motoransteuersignale erfolgt ebenso wie die sensorlose Rotorlagener-kennung durch die Software im eigens entwickelten ASIC (anwenderspezifisches IC). Da die auftretenden Motor-Nennströ-me bis zu 40 A betragen, erfordert die Auslegung der Halbleiter-Ausgangsstufen besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit und Kühlung. Hierzu bedarf es einer frühzei-tigen Voraussage des thermischen Verhal-tens der Pumpe, ❾, sowie eines inter-diszipli nären Expertenwissens, über das PPT seit vielen Jahren verfügt.

VAkuumpumpen

Vakuumpumpen werden primär zur Un-terdruckversorgung pneumatisch wirken-der Bremskraftverstärker eingesetzt und stellen somit ein sicherheitsrelevantes Bau-teil dar. Darüber hinaus dient die Pumpe

❾ Temperaturverteilung in einer elektrischen Ölpumpe Temperature distribution in an electric oil pump

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Richard van Basshuysen | Fred Schäfer (Hrsg.) Handbuch VerbrennungsmotorGrundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven

5., vollst. überarb. und erw. Aufl. 2010. XLVI, 1176 S. mit 1793 Abb. (ATZ/MTZ-Fachbuch) Geb. EUR 109,00ISBN 978-3-8348-0699-4Das Handbuch Verbrennungsmotor enthält umfassende Informationen über Otto- und Dieselmotoren. In wissenschaftlich an-schaulicher und gleichzeitig praxisrele-vanter Form sind Grundlagen, Komponen-ten, Systeme und Perspektiven dargestellt. Theoretiker und Praktiker haben die Mög-lichkeit, sich über den neuesten Stand der Motorentechnik zu informieren. Es gibt ein eigenes Kapitel zum Hybridantrieb.

TECHNIK BEWEGT.

Geschäftsführer: Dr. Ralf Birkelbach, Albrecht F. SchirmacherAG Wiesbaden HRB 9754

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ExemplareHandbuch VerbrennungsmotorISBN 978-3-8348-0699-4EUR 109,00

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Die ganze Welt des Verbrennungsmotors - jetzt neu mit Hybrid-antrieb und Energie-management

100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg

bei Diesel- und Ottomotoren zur Unter-druckversorgung der Aktuatoren für die Motorsteuerung. Diese unterdruckgesteu-erten Ventile regulieren beispielsweise die Abgasrückführung oder den Turbolader, welche als abgasbeeinflussende Systeme mittels OBD überwacht werden.

Basierend auf den langjährigen Erfah-rungen mit Kolben-, Membran- und

Schwenkflügelvakuumpumpen ent-wickelte PPT im Zuge von Optimie-rungen eine Einflügelvakuumpumpe, ❿. Die Pumpe ist in einem Baukastensystem in den Baugrößen 130, 190, 210 und 260 ccm bei steigender Absaugleistung ausgeführt. In dem Gehäuse mit einer annähernd elliptischen Laufbahn rotiert ein Flügel, der in einem exzentrisch an-

geordneten Rotor geführt wird. An den beiden Enden des Flügels sind schwenk-bar gelagerte Gleitschuhe angebracht, die einen guten Schmierfilmaufbau bewirken und zur Erreichung sehr niedriger Ver-schleißraten bei geringer Leistungsauf-nahme beitragen. Zur Abdichtung der in-ternen Spalte, zur Wärmeabfuhr und zur Schmierung der Reibpartner benötigt die Einflügelvakuumpumpe Schmieröl, wel-ches vom Motor als Druck- oder Spritz-beölung zugeführt wird.

Da das Öl zur hydraulischen Leistung und somit zur Leistungsaufnahme der Pumpe beiträgt, befassen sich aktuelle Entwicklungen mit der Reduzierung der benötigten Ölmenge. Denn neben dem allgemeinen Kostendruck steigen auch für die Vakuumpumpen die technischen An-forderungen hinsichtlich Wirkungsgrad und Leistungsaufnahme. Es besteht daher die Herausforderung, einen effizienten Ölhaushalt in der Pumpe zu schaffen, der das Schmieröl gezielt an die erforderli-chen Stellen führt. Darüber hinaus nimmt die Materialtechnologie einen hohen Stel-lenwert ein, da die Leistungsaufnahme der Pumpe durch eine Minimierung der Reibung sowie eine Gewichtsreduktion rotierender Bauteile weiter verringert wird, ⓫. Vor dem Hintergrund zukünf-tiger Antriebskonzepte wie Hybrid-, Elek-tro- oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen entwickelt PPT zudem elektrische Vaku-umpumpen. Dabei kann auf eine eigene Elektronik-Entwicklung zurückgegriffen werden, die über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der DC- und EC-Motoren-technologie verfügt.

Auslegung, Konstruktion und Fertigung der Vakuumpumpen erfordern allerhöchs-te Qualitätsstandards, um den hohen An-forderungen hinsichtlich Sicherheit, Zu-verlässigkeit und Lebensdauer gerecht zu werden. Die dynamische Dauerfestigkeit der Bauteile spielt dabei eine entschei-dende Rolle. Aus diesem Grund verwen-det PPT modernste Berechnungsmetho-den wie FEM, Eigenspannungsanalyse und Mehrkörpersimulation, welche fort-während mittels Versuchen abgeglichen werden. Mit Prüfständen zur Umweltsi-mulation, einem Chemie- und Materialla-bor sowie Schwingungs- und Motoren-prüfständen stehen hierzu umfangreiche hausinterne Validierungsmöglichkeiten zur Verfügung.

⓫ Leistungsoptimierte einflügelvakuumpumpeIncreased powerrated singlevane vacuum pump

❿ einflügelvakuumpumpeSinglevane vacuum pump

pumpen


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