-
Die
Erfindung betrifft eine über
eine Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore
in der Bauform einer regelbaren Axialpumpe.
-
Im
Stand der Technik sind eine Vielzahl von regelbaren Kühlmittelpumpen
für Verbrennungsmotore
vorbeschrieben welche über
Riemenscheiben von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben
werden.
-
Zumeist
werden kleine als Radialpumpen ausgebildete Kreiselpumpen eingesetzt,
bei denen das axial in ein Pumpenrad einströmende Kühlmittel in radialer Richtung
umgelenkt wird. Dabei treten zwangsläufig Strömungsverluste auf.
-
Von
der Anmelderin wurde bereits in der
DE 100 47 387 A1 eine in der Praxis bereits
bewährte, elektrisch
angetriebene, regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore
in der Bauform einer regelbaren Axialpumpe vorgestellt.
-
Weitere
ebenfalls bereits in der Praxis bewährte, regelbare Kühlmittelpumpen
für Verbrennungsmotoren
in der Bauform von regelbaren Axialpumpen wurden von der Anmelderin
zudem in der
DE 102
07 653 C1 wie auch in der
DE 103 14 526 B4 vorgestellt.
-
Die
Nachteile dieser elektromotorisch angetriebenen Kühlmittelpumpen
mit innerhalb des Kühlmittelstromes
angeordneten Elektromotoren resultieren nicht zuletzt aus dem erhöhten Bauraumbedarf dieser
Kühlmittelpumpen.
Bauraumbedingt können daher
die jeweils eingesetzten Elektromotoren stets nur begrenzte Drehmomente übertragen.
-
Zudem
hat auch die zwangsläufig
erforderliche, wasserdichten Kapselung der Elektromotoren höhere Fertigungskosten
zur Folge.
-
Darüber hinaus
sind bei diesen Lösungen, infolge
der eingesetzten elektrischen Bauteile bzw. die elektronischen Komponenten,
stets obere Grenzwerte der Temperaturbelastung einzuhalten um ein Versagen
dieser Bauteile zu vermeiden.
-
Zudem
kann mittels dieser elektromotorisch angetriebenen Kühlmittelpumpen
nach einem „Stromausfall” auch kein „Fait-safe” (Weiterfunktionieren
der Kühlmittelpumpe
nach Ausfall der Regelung) gewährleistet
werden.
-
Auch
haben die Axialpumpen mit saugseitiger Drosselung (wie beispielsweise
die in der
DE 102 07
653 C1 vorgestellte Bauform) gezeigt, dass sie strömungstechnisch
verbesserungsbedürftig
sind, da verstärkt
Kavitationserscheinungen und Verwirbelungen auftraten, welche dann
einen erhöhten
Verschleiß und
auch Leistungsverluste zur Folge hatten.
-
Aus
der
DE 10 2006
034 952 B4 ist weiterhin eine als regelbare Axialpumpe
ausgebildete Kühlmittelpumpe
für den
Kühlkreislauf
einer Verbrennungskraftmaschine bekannt geworden, bei der die Durchflussmenge
des Kühlmittels
durch die Pumpe ohne elektrische oder elektronische Drehzahlregelung
realisiert wird. Dabei weist die als regelbare Axialpumpe ausgebildete
Kühlmittelpumpe
eine von einer Zahnriemenscheibe angetriebene Hohlwelle auf, auf
der drehfest mehrere Rotorschaufeln derart angeordnet sind, dass
deren Anstellwinkel über
einen innerhalb der Hohlwelle angeordneten Wirkmechanismus mechanisch
verstellt werden kann.
-
Die
Betätigung
des mechanischen Verstellmechanismus erfolgt dabei über ein
Stellelement welches elektrisch, elektronisch, hydraulisch oder auch
pneumatisch angesteuert werden kann.
-
In
Abhängigkeit
vom Anstellwinkel der Rotorschaufeln wird dann das durch das Pumpengehäuse strömende Kühlmittel
mehr oder weniger stark beschleunigt. Mittels der vorgenannten Kühlmittelpumpe
in der Bauform einer von einer Zahnriemenscheibe angetriebenen regelbaren
Axialpumpe kann die Kühlleistung
wie auch die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpen in bestimmten
Grenzen variiert werden, wobei das übertragbare Drehmoment stets
von der „Belastbarkeit/Haltbarkeit” der verstellbar
gelagerten Rotorschaufeln begrenzt wird.
-
Dabei
können
bei mit Schmutzfracht beladenem Kühlmittel beispielsweise Sandpartikel
o. ä. den Verstellmechanismus
beeinträchtigen
und die Zuverlässigkeit
der Regelung stark einschränken
-
Zudem
kann mit der in der
DE
10 2006 034 952 B4 vorbeschriebenen Bauform auch keine „Null-Leckage” realisiert
werden.
-
Im
Zuge der stetigen Optimierung von Verbrennungsmotoren insbesondere
im Hinblick auf Emission und Kraftstoffverbrauch ist es jedoch zunehmend
wichtiger den Motor nach dem Kaltstart möglichst schnell auf Betriebstemperatur
zu bringen, um einerseits die Reibungsverluste zu minimieren (mit
zunehmender Öltemperatur
sinkt dessen Viskosität
und damit die Reibung an allen ölgeschmierten Bauteilen)
und die Emissionswerte zu reduzieren (da erst nach der sogenannten „Anspringtemperatur” die Katalysatoren
wirksam werden, beeinflusst der Zeitraum bis zum Erreichen dieser
Temperatur die Abgasemission wesentlich) um dadurch den Kraftstoffverbrauch
zu reduzieren.
-
Versuchsreihen
in der Motorentwicklung haben gezeigt, dass eine sehr wirksame Maßnahme zur Motorerwärmung das „stehende
Wasser” oder
die „Null-Leckage” während der
Kaltstartphase ist.
-
Dabei
sollte während
der Kaltstartphase der Zylinderkopf keinesfalls von Kühlmittel
durchströmt werden,
um die Abgastemperatur so schnell wie möglich auf das gewünschte Niveau
zu bringen.
-
Von
den Fahrzeugherstellern werden Leckageströme von weniger als 0,5 l/h
(„Null-Leckage”) gewünscht.
-
Auch
haben Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren
in Kraftfahrzeugen gezeigt, dass durch ein konsequentes Thermomanagement,
also jene Maßnahmen
welche zu einem energetisch und thermomechanisch optimalen Betrieb
eines Verbrennungsmotors führen,
etwa 3 bis 5% Kraftstoff eingespart werden können.
-
Daher
wird unter Beachtung dieser Gesichtspunkte eine immer präzisere Regelung
des Kühlmitteldurchsatzes
in Abhängigkeit
von der Temperatur des durchgesetzten Kühlmittels zwingend erforderlich.
-
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine über eine
Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe in der Bauform
einer regelbaren Axialpumpe für
Verbrennungsmotore zu entwickeln, welche die vorgenannten Nachteile
des Standes der Technik vermeidet und eine aktive Steuerung der
Kühlmittelfördermenge
ermöglicht
um einerseits durch „Null-Leckage” eine optimale
Erwärmung
des Motors zu gewährleisten
und um andererseits nach der Erwärmung
des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb exakt so zu beeinflussen, dass
im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission
wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich
reduziert werden können,
zudem soll die neuartige Bauform bei minimalem Bauvolumen ein hohes
Drehmoment übertragen,
bei Ausfall der Regelung ein Weiterfunktionieren der Kühlmittelpumpe
(Fail-safe) gewährleisten,
zudem von der maximalen Temperaturbelastung für die elektrischen Bauteile
bzw. die elektronischen Komponenten unabhängig sein und sich dabei durch eine
sehr kompakte, fertigungs- und montagetechnisch einfache, kostengünstige und
robuste Bauform auszeichnen, wie auch Kavitationserscheinungen und
Verwirbelungen des Fördervolumenstromes
vermeiden, einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und selbst bei mit
Schmutzfracht beladenem Kühlmittel eine
hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit bei sehr langer Lebensdauer
gewährleisten.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine über
eine Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe in der Bauform
einer regelbaren Axialpumpe für
Verbrennungsmotore nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 der Erfindung
gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausführungen
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit den
Zeichnungen zur erfindungsgemäßen Lösung.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit zwei dem jeweiligen Ausführungsbeispiel
zugeordneten Figuren näher
erläutert.
-
Es
zeigen dabei:
-
1:
die erfindungsgemäße über eine
Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe in der Bauform
einer Axialpumpe mit einem Pneumatikaktuator 33, in der
Seitenansicht, im Schnitt; und
-
2:
die erfindungsgemäße über eine
Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe in der Bauform
einer Axialpumpe mit einem als Aktuator 21 eingesetzten
Linearmotor 30, in der Seitenansicht, im Schnitt.
-
In
der 1 ist eine mögliche
Variante der erfindungsgemäßen, über eine
Riemenscheibe angetriebenen regelbaren Kühlmittelpumpe in der Bauform
einer Axialpumpe mit einem zur Volumenstromregelung als Aktuator 21 eingesetzten
Pneumatikaktuator 33 (in der Seitenansicht, im Schnitt)
dargestellt.
-
Diese
Bauform wird in Verbindung mit einer Unterdruckregelung eingesetzt.
Dabei ist an einem Pumpengehäuse 1 mit
einer Strömungseintrittsöffnung 2 und
einer Strömungsaustrittsöffnung 3 eine Riemenscheibe 5 mittels
eines Pumpenlagers 4 drehbar gelagert.
-
Drehfest
mit dieser Riemenscheibe 5 ist eine Pumpenwelle 6 verbunden
auf der ein Axialschaufelrad 7 ebenfalls drehfest angeordnet
ist.
-
Im
Pumpengehäuse 1 ist
erfindungsgemäß drehfest
ein Leitrad 8 angeordnet, in welchem sich eine Lageraufnahme 9 für ein zweites
Lager 10 der Pumpenwelle 6 befindet.
-
Kennzeichnend
ist auch, dass dieses Lager 10 ein Gleitlager ist in dem
die Pumpenwelle 6 mit ihrem der Riemenscheibe 5 gegenüberliegenden
Pumpenwellende gelagert ist.
-
Wesentlich
ist weiterhin, dass diesem Lager 10 beabstandet, in Richtung
der Strömungseintrittsöffnung 2 benachbart,
drehfest auf der Pumpenwelle 6 das mit der Pumpenwelle 6 umlaufende
Axialschaufelrad 7 angeordnet ist, wobei diesem Axialschaufelrad 7 in
Richtung der Strömungseintrittsöffnung 2 beabstandet
benachbart ein mit einer Pumpenwellendurchtrittsöffnung 11 versehenes,
drehfest im Pumpengehäuse 1 angeordnetes
Vorleitrad 12 mit einem Zuströmleitkegel 13 angeordnet
ist, wobei zudem am Leitrad 8 in Richtung der Strömungsaustrittsöffnung 3,
d. h. der Lageraufnahme 9 gegenüberliegend, ein Abströmleitkegel 14 angeordnet
ist.
-
In
Ihrer Gesamtheit bewirkt diese erfindungsgemäße Anordnung, dass im Pumpeninnenraum eine
optimale, gleichmäßige, turbulenzfreie „Umströmung” des (am
Leitrad 8 angeordneten) Zylindermantels des Abströmleithutes 14 bei
maximalem Durchsatz und minimalem Druckverlust gewährleistet
ist, was eine wesentliche Voraussetzung für eine optimale Regelung des
Volumenstromes der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe
darstellt.
-
Erfindungsgemäß ist weiterhin,
dass im Pumpengehäuse 1 ein
Schieberarbeitsraum 16 angeordnet ist in welchem der mit
einem Ringsteg 15 versehene Abströmleithut 14 des Leitrades 8 hineinragt,
wobei am Pumpengehäuse 1,
der Lagerstelle des Pumpenlagers 4 in Strömungsrichtung
gegenüberliegend
eine Kolbenstangenführung 17 mit
einem Aktuatorbefestigungsflansch 18 angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß ist in
dieser Kolbenstangenführung 17 eine
in das Pumpengehäuse 1 hineinragende
Kolbenstange 19 verschiebbar gelagert, wobei auf den außerhalb
des Pumpengehäuses 1 befindlichen
Endbereich der Kolbenstange 19 ein, eine lineare Verschiebung
der Kolbenstange 19 bewirkender, mit einer Rückstelleinrichtung 20 versehener
Aktuator 21 einwirkt, welcher an dem am Pumpengehäuse 1 angeordneten
Aktuatorbefestigungsflansch 18 angeordnet ist.
-
Aus
fertigungs- und montagetechnischen Gründen ist es vorteilhaft, wenn
das Pumpengehäuse 1 derart
mehrteilig ausgebildet ist, dass ein mit dem Aktuatorbefestigungsflansch 18 versehner
hinterer Bereich des Pumpengehäuses 1 an
einen „noch” mit dem
Schieberarbeitsraum 16 versehenen vorderen Bereich des
Pumpengehäuses 1 angeflanscht
wird.
-
Erfindungswesentlich
ist weiterhin, dass an dem innerhalb des Pumpengehäuses 1 befindlichen Ende
der Kolbenstange 19 ein im Schieberarbeitsraum 16 linear
verschiebbar angeordneter, mit einer Ausströmleitkonur 23, einer
Ausströmöffnung 24 sowie
einer mit dem Ringsteg 15 am Abströmleithut 14 (des Leitrades 8)
abdichtend in Wirkverbindung tretenden Ringnut 25 versehener
Axialschieber 22 befestigt ist.
-
Erfindungsgemäß wird mittels
dieser Anordnung eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge ermöglicht,
welche einerseits durch „Null-Leckage”, d. h.
bei auf dem Ringsteg 15 des Leitrades 8 dichtend
angelegter Ringnut 25 des Axialschiebers 22, eine
optimale Erwärmung
des Motors gewährleistet,
und die andererseits nach der Erwärmung des Motors, durch eine
definierte Verschiebung des Axialschiebers 22 im Schieberarbeitsraum 16 des
Pumpengehäuses 1,
die Motortemperatur im Dauerbetrieb exakt so zu beeinflussen vermag,
dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission
wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich
reduziert werden können.
-
Mittels
der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung kann
infolge des direkten Antriebes des Axialschaufelrades 7 mittels
der Riemenscheibe 5 ein hohes Drehmoment übertragen
werden.
-
Darüber hinaus
gewährleistet
das (gemäß 1)
im Aktuator 21 angeordnete Federelement in Form einer Druckfeder
als Rückstelleinrichtung 20 bei
Ausfall der Regelung ein Weiterfunktionieren der Kühlmittelpumpe
(Fail-safe).
-
Gleichzeitig
ist diese erfindungsgemäße Lösung von
der maximalen Temperaturbelastung für die elektrischen Bauteile
bzw. die elektronischen Komponenten unabhängig, da im Pumpeninnern keine mit
dem Fördervolumenstrom
in Kontakt tretenden elektrischen Bauteile bzw. elektronischen Komponenten
Einsatz finden.
-
Die
im Rahmen der vorliegenden Lösung
erfindungsgemäß angeordneten,
die Strömung
definiert beeinflussenden Baugruppen (wie das Vorleitrad 12 mit
dem Zuströmleitkegel 13,
das Axialschaufelrad 7, das Leitrad 8 mit dem
Abströmleithut 14 und der
Axialschieber 22 mit der Ausströmleitkontur 23 und
der Ausströmöffnung 24)
bewirken in ihrer Gesamtheit, dass in der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe
Kavitationserscheinungen wie auch Verwirbelungen des Fördervolumenstromes
vermeiden werden, und dass die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe einen hohen Wirkungsgrad
aufweist.
-
Zudem
bewirkt die vorgestellte, erfindungsgemäße Anordnung infolge ihrer
robusten Bauform, dass selbst bei mit Schmutzfracht beladenem Kühlmittel
eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit bei sehr langer Lebensdauer
gewährleistet
ist.
-
Kennzeichnend
ist auch, dass im vorderen Bereich des Pumpengehäuses 1 ein Vorleitradanlagesteg 34 und
am Leitrad 8 ein Außenmantel 35 mit einem
Distanzsteg 36 angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß gewährleistet
dieser Distanzsteg 36, bei am Außenmantel 35 des Leitrades 8 anliegendem
Vorleitrad 12 einen „freien
Lauf” des Axialschaufelrades 7.
-
Dadurch
wird es fertigungstechnisch möglich,
dass zunächst
das (beispielsweise aus Kunststoff bestehende) Vorleitrad 12 bis
zur Anlage an den Vorleitradanlagesteg 34 in den vorderen
Bereich des Pumpengehäuses 1 eingeschoben
wird, so dass nach Montage des Axialschaufelrades 7 das
Vorleitrad 12 durch das Einpressen des Außenmantels 35 des
Leitrades 8 in das Pumpengehäuses 1 (durch den
am Außenmantel 35 des
Leitrades 8 angeordneten Distanzsteg 36) in seiner
Lage axial gesichert ist. Die radiale Sicherung wird von miteinander
in Wirkverbindung tretenden Rastnasen übernommen die an den jeweils
miteinander zu fügenden
Bauteilen angeordnet sind.
-
Erfindungsgemäß ist auch,
dass am Pumpengehäuse 1 ein
Zulaufflansch 26 und ein Ablaufflansch 27 angeordnet
sind, welche gegenüber
des im Pumpengehäuse 1 angeordnet
Schieberarbeitsraum 16 „abgewinkelt” angeordnet
sind.
-
Durch
all diese speziellen, erfindungsgemäßen Merkmale kann eine sehr
kompakte, fertigungs- und montagetechnisch einfache, kostengünstige Bauform
bei minimalem Bauvolumen gewährleistet werden.
-
Wesentlich
ist auch, dass am Pumpengehäuse 1 Befestigungsdome 28 angeordnet
sind welche eine Befestigung durch Verschrauben der erfindungsgemäßen regelbaren
Kühlmittelpumpe
am Kurbelgehäuse
ermöglichen.
-
Erfindungsgemäß ist auch,
dass im Pumpengehäuse 1 nahe
der Lagersitze Dichtungen 31 und Leckageaustrittsöffnungen 32 angeordnet
sind um eine hohe Funktionssicherheit zu gewährleisten.
-
In
der 2 ist eine weitere Variante der erfindungsgemäßen, über eine
Riemenscheibe angetriebenen regelbaren Kühlmittelpumpe in der Bauform
einer Axialpumpe in der Seitenansicht im Schnitt dargestellt.
-
In
dieser Bauform wird als Aktuator 21 zur definierten Betätigung des
Axialschieber 22 ein Linearmotor 30 eingesetzt.
-
Diese
bis auf den „neuen” Aktutor 21,
d. h. den Linearmotor 30, analog zu 1 aufgebaute,
in ihren Wirkungen bereits in Verbindung mit der 1 beschriebene,
erfindungsgemäße regelbare
Kühlmittelpumpe
wird insbesondere dann eingesetzt, wenn bei dem jeweiligen Fahrzeugtyp
(in dem die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe
eingesetzt werden soll) kein Unterdruck vorhanden ist, oder wenn
der vorhandene Unterdruck nicht ausreicht um den Axialschieber 22 funktionssicher
zu verfahren.
-
Da
der in der Lösung
nach 2 zur Betätigung
des Axialschiebers 22 eingesetzte Linearmotor 30 sehr
klein baut, kann diese in 2 vorgestellte Lösung auch
dann eingesetzt werden, wenn beispielsweise der im Motorraum des
jeweiligen Fahrzeuges vorhandene „Freiraum” nicht ausreicht um die in
der 1 vorgestellte Lösung einzusetzen.
-
Bei
dieser Bauform der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe
(mit einem Linearmotor 30) wird ein Weiterfunktionieren
der Kühlmittelpumpe
bei Ausfall der Regelung (Fail-safe) dadurch gewährleistet, dass als Rückstelleinrichtung
die Spindelsteigung im Linearmotor 30 fungiert.
-
Infolge
dieser (bei der Lösung
nach 2) eingesetzten Spindelsteigung kann der Axialschieber 22 (allein)
auf Grund seiner Druckbeaufschlagung eine „Rückstellung” (der Spindelstange) bewirken,
so dass bei Ausfall der Regelung stets der Axialschieber 22 in
seine hintere Endlage (geöffnet)
zurückfährt.
-
- 1
- Pumpengehäuse
- 2
- Strömungseintrittsöffnung
- 3
- Strömungsaustrittsöffnung
- 4
- Pumpenlager
- 5
- Riemenscheibe
- 6
- Pumpenwelle
- 7
- Axialschaufelrad
- 8
- Leitrad
- 9
- Lageraufnahme
- 10
- Lager
- 11
- Pumpenwellendurchtrittsöffnung
- 12
- Vorleitrad
- 13
- Zuströmleitkegel
- 14
- Abströmleitkegel/-hut
- 15
- Ringsteg
- 16
- Schieberarbeitsraum
- 17
- Kolbenstangenführung
- 18
- Aktuatorbefestigungsflansch
- 19
- Kolbenstange
- 20
- Rückstellelement
- 21
- Aktuator
- 22
- Axialschieber
- 23
- Ausströmleitkontur
- 24
- Ausströmöffnung
- 25
- Ringnut
- 26
- Zulaufflansch
- 27
- Ablaufflansch
- 28
- Befestigungsdom
- 29
- Arbeitskolben
- 30
- Linearmotor
- 31
- Dichtung
- 32
- Leckageaustrittsöffnung
- 33
- Pneumatikaktuator
- 34
- Vorleitradanlagesteg
- 35
- Außenmantel
- 36
- Distanzsteg