Angetrieben durch die steigenden weltweiten Emissionsziele, setzen OEMs zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Treibhausgasemissionen in zunehmendem Maße auf die Elektrifizierung. Die Wahl fällt in diesem Zusammenhang häufig auf das Hybrid-Elektrofahrzeug, welches oft von einem stark verkleinerten Motor angetrieben wird.
Das Problem dieser Downsizing-Motoren besteht darin, dass Fahrbarkeit und Leistung durch Energieraubende Hilfssysteme stark beeinträchtigt werden. Glücklicherweise können diese parasitären Verluste deutlich reduziert werden, indem traditionell mechanische Komponenten durch elektrisch angetriebene Einheiten ersetzt werden. Aus diesem Grund gelangen elektrisch angetriebene Pumpen, insbesondere für den Antrieb von Öl- und Wasserpumpen, sehr schnell in die Serienproduktion.
Abbildung 1: Beispiel für eine elektrische Ölpumpe
Bildquelle: Rheinmetall Automotive
Aber auch wenn die Vorteile offensichtlich sind, ist die Elektrifizierung, insbesondere der Ölpumpe, technisch komplex: Ingenieure wollen das Öl nicht nur mit einem bestimmten Volumenstrom und Druck verteilen, sondern möchten diese Variablen auch intelligent an die Motoranforderungen anpassen.
Um die Leistung zu optimieren, ist es wichtig, dass Reibungs- und Pumpverluste durch die sorgfältige Steuerung des Ölstroms in die verschiedenen Zweige des Ölkreislaufs minimiert werden und gleichzeitig stets der richtige Druck herrscht.
Die Simulation beruht auf genauen Messdaten von Öldruck und Volumenstrom auf dem Prüfstand
Eine elektrisch angetriebene Ölpumpe besteht aus drei Teilsystemen – Pumpe, Motor und elektronische Steuerung. Daher ist die primäre Herausforderung jeder neuen Anwendungsentwicklung die effiziente Integration dieser Teilsysteme, um Gesamtgröße und -gewicht sowie die Anzahl der Komponenten zu verringern und gleichzeitig die Leistung zu optimieren.
Die wichtigste Aufgabe der Ölpumpe besteht darin, bei optimalem Druck eine bestimmte Ölmenge zu liefern. Aus diesem Grund beginnt der iterative Designprozess mit dem „Pumpengetriebe”. In den meisten Anwendungsfällen muss die Pumpe einen Druck von mehr als 1 bis 2 bar, oftmals bis zu 10 bar erzeugen.
Wie auch sonst üblich in der Motorenentwicklung, kommt eine Kombination aus Simulation und Prüfung unter realen Bedingungen zum Einsatz, um das Design zu beschleunigen.
Die Entwurfsiterationen beginnen mit der Erstbewertung des volumetrischen Wirkungsgrades anhand von Versuchsergebnissen, die von ähnlichen Pumpen und Anwendungen gesammelt wurden. Dazu gehören Pumpengeschwindigkeit, Öltemperatur, Druck und Volumenstrom.
Da es wichtig ist, dass die für die Schätzung herangezogenen Daten akkurat sind, muss die Datenerhebung mit sehr zuverlässigen, präzisen Messgeräten durchgeführt werden, die unter den im Motorraum herrschenden extremen Bedingungen genaue Messwerte liefern können.
Um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, ist es von zentraler Bedeutung, dass zur Druckmessung nur die besten Qualitätssensoren verwendet werden. Diese Drucksensoren müssen nicht nur in einem großen Druck- und Temperaturbereich zuverlässige Messwerte liefern, sondern auch Vibrationen standhalten können.
STS hat im Laufe der Jahre Sensoren entwickelt, die den Anforderungen von Produzenten (OEM), Teilelieferanten und Motordesignexperten in der Motorenentwicklung gerecht werden.
Die Entwicklung einer elektrischen Ölpumpe, die die mechanische Variante übertrifft
Auf der Grundlage der Daten zu den hydraulischen Anforderungen bei verschiedenen Volumenströmen, Förderdrücken und Öltemperaturen wird ein erster Entwurf des Getriebes angefertigt. Mithilfe der MatlabSimulink-Software können die Informationen bezüglich des Verhaltens des physikalischen Systems in einen eindimensionalen Code umgewandelt werden.
In diesem Stadium ist zu beachten, dass zur Erzeugung des erforderlichen Durchflusses bei einem bestimmten Druck eine Drehzahl gewählt werden sollte, die die beste Bauform von Motor und Pumpe ohne Kavitationsprobleme oder Strömungsgeräusche ermöglicht: Demnach liegt ein typischer Drehzahlbereich für den Dauerbetrieb in der Regel zwischen 1500 und 3500 U/min.
Im nächsten Schritt können mit der Simulationssoftware LMS Imagine verschiedene Designs erzeugt werden. Mithilfe der Lab Amesim-Software werden die Designparameter – zum Beispiel die Anzahl der Zähne und die Exzentrizität – optimiert, während gleichzeitig alle Randbedingungen für Druck, Durchfluss und Temperatur erfüllt werden.
Nachdem die geometrischen Merkmale der berechneten Hydraulik implementiert und das vorläufige Design abgeschlossen wurden, kann das erforderliche Gesamtdrehmoment, um die Pumpe in kritischen Betriebspunkten anzutreiben, wie folgt berechnet werden:
Mgesamt = MH + MCL + Mη
Wobei:
- MH für das hydraulische Drehmoment steht, das für die Erzeugung des Drucks und Durchflusses erforderlich ist
- MCL für die Coulombsche Reibung steht, die dort entsteht, wo sich trockene oder geschmierte Kontakte zwischen Gleitteilen befinden
- Mη für die viskose Reibung steht, die durch die Fließbewegung in Freiräumen entsteht
Im Anschluss an die Designphase werden Prototypen gebaut, um diese auf einem Motorprüfstand unter realen Bedingungen zu testen.
Nochmals werden Öldruck, Volumenstrom und Temperatur bei verschiedenen Motor- und Pumpgeschwindigkeiten gemessen, um die durch die Simulation gewonnenen Ergebnisse zu bestätigen. Wenn die Ergebnisse den Spezifikationen entsprechen, ist das Entwicklungsprogramm abgeschlossen und das Projekt geht in die Produktionsphase.
Es liegt auf der Hand, dass für eine optimale Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit alle Messungen genau aufgezeichnet werden müssen; aber die Relevanz der durch die Drucksensoren erzeugten Messdaten überwiegt möglicherweise alles andere – zu geringer Druck an jedem beliebigen Punkt kann zu einem katastrophalen Fehler führen, während Überdruck Energie verschwendet und zu Problemen mit den Öldichtungen führen kann.
