DE102004054637B4

DE102004054637B4 - Regelbare Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102004054637B4
Application number: DE102004054637A
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr. Schmidt; Franz Dipl.-Ing. Pawellek
Original assignee: Geraete und Pumpenbau GmbH; Geraete und Pumpenbau GmbH Dr Eugen Schmidt
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2024-11-13
Also published as: EP1657446A3; DE102004054637A1; EP1657446A2

Abstract

Regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1) und einem in einem Pumpeninnenraum angeordneten, von einer Druckfeder (28) beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades (6) der Kühlmittelpumpe regelnden, elektromagnetisch betätigten Ventilschieber (21), mit einem in einem Lagersitz (2) des Pumpengehäuses (1) angeordneten Kugellager (3), in dem eine Pumpenwelle (4) frei drehbar gelagert ist, auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe (5) und gegenüberliegend das Flügelrad (6) drehfest angeordnet sind, wobei auf der Pumpenwelle (4), dem Kugellager (3) flügelradseitig benachbart, ein in einem Dichtungssitz (7) des Pumpengehäuses (1) befestigter Radial-Wellendichtring (8) angeordnet ist, gekennzeichnet durchfolgende Merkmale:
a. daß im Bereich eines Saugmundes (35) im Flügelrad (6) eine oder mehrere Ausgleichsbohrungen (36) angeordnet sind,
b. daß im Pumpengehäuse (1) der den Lagersitz (2) und den Dichtungssitz (7) umgebende, von einem Innenmantel (9), einem Außenmantel (12) und einer Rückwand (13) begrenzte separate Pumpeninnenraum angeordnet ist, auf dessen Innenmantel (9) eine Federhülse (10) mit einem...

Description

Die Erfindung betrifft eine über eine Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Stand der Technik sind einerseits Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotore vorbeschrieben, die über eine Riemenscheibe von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden und bei denen das Flügelrad schaltbar in Verbindung mit einer Reibpaarung von der Pumpenwelle angetrieben wird.

Mit der mit solchen Kühlmittelpumpen realisierbaren Zweipunktregelung kann die Kühlleistung wie auch die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe variiert werden.

Diese Regelung von Kühlmittelpumpen für Kraftfahrzeuge ermöglicht, dass eine sofort beim Starten des Motors einsetzende Zwangskühlung vermieden werden kann, wodurch die Warmlaufphase des Motors mit all den in dieser Phase auftretenden Nachteilen, wie beispielsweise erhöhte Reibungsverluste, erhöhte Emissionswerte und einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, deutlich reduziert werden kann.

Andererseits werden in der DE 199 01123 A1 , wie auch der US 48 28 455 Lösungen vorbeschrieben, bei denen mittels einer geschlitzten, axial beweglichen Scheibe die wirksame Flügelbreite des Flügelrades verändert werden kann.

Zudem wurde von der Anmelderin in der DE 103 14 526 A1 ein elektromagnetisch betätigter, im Saugbereich einer Kühlmittelpumpe arbeitender Ventilschiebers vorgestellt.

Aus der DE 199 53 936 A1 ist weiterhin eine Volumenstromregelung mittels eines pulsweitenmodulierten 2/2 Wegeventils für den Einsatz im Bereich der Ölhydraulik bekannt.

Darüber hinaus wurde von der Anmelderin in der DE 100 57 098 C1 eine bewährte regelbare Kühlmittelpumpe vorgestellt, bei der stationär im Pumpengehäuse eine Magnetspule angeordnet ist, welche mit einer drehfest, jedoch federbelastet verschiebbar auf der Antriebswelle angeordneten, flügelradseitig mit einem Reibbelag versehenen Ankerscheibe derart in Wirkverbindung treten kann, dass bei ausgeschaltetem Magnetfeld infolge der Federanpresskraft das drehbar auf der Antriebswelle angeordnete Flügelrad von der Ankerscheibe mitgenommen wird.

Da bei dieser Bauform das Mitnahmereibmoment durch den zur Verfügung stehenden magnetischen Bauraum stark begrenzt wird, wurde diese Lösung konsequent weiterentwickelt.

Die auf dieser Lösung aufbauende DE 102 35 721 A1 beschreibt eine bauraumoptimierte regelbare Kühlmittelpumpe, mit einem von der Reibscheibe der Magnetkupplung auf das Flügelrad übertragbaren, deutlich erhöhten Antriebsdrehmoment.

Dieses erhöhte Antriebsdrehmoment wird durch eine Erhöhung der Anpreßkraft bewirkt, welche daraus resultiert, dass zwischen der Reibscheibe und dem Flügelrad durch einen Zuströmring und einen Ausströmring für das Kühlmedium ein die Anpresskraft unterstützender Unterdruck aufgebaut, und gleichzeitig die Reibscheibe während des Betriebes mittels Überströmöffnungen kupplungsseitig mit dem Druck des Kühlmediums beaufschlagt wird.

Um eine kurzfristige Motorerwärmung mit all den daraus resultierenden Vorteilen zu gewährleisten, werden die vorgenannten Bauformen von Kühlmittelpumpen beim Kaltstart des Motors ausgeschaltet.

Hat nun der Motor seine Betriebstemperatur erreicht, wird die jeweilige Reibkupplung, mit ihren dieser Kupplungsbauform eigenen, funktionsbedingten Verschleißproblemen, aktiviert und die Kühlmittelpumpe angeschaltet.

Dadurch wird eine solch große Menge kalten Kühlmittels in den auf die Betriebstemperatur erwärmten Motor gepumpt, dass sich dieser sofort stark abgekühlt.

Dabei werden die erwünschten Vorzüge einer schnellen Erwärmung des Motors jedoch teilweise schon wieder kompensiert.

Beim Wiedereinschalten von größeren Kühlmittelpumpen sind infolge der erforderlichen Massenbeschleunigung zudem sehr hohe Drehmomente zu überwinden, welche zwangsläufig eine hohe Bauteilbelastung zur Folge haben. Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen haben 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 eine immer präzisere Regelung des Kühlmitteldurchsatzes in Abhängigkeit von der Temperatur des durchgesetzten Kühlmittels erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine über eine Riemenscheibe angetriebene, regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore zu entwickeln, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit sowie einen minimalen Fertigungs- und Montageaufwand auszeichnet, eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge ermöglicht um einerseits eine allmähliche optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und gleichzeitig nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können, wobei die erfindungsgemäße Lösung selbst bei gegenwärtig bereits gefertigten Motoren gegen bisher eingesetzten Kühlmittelpumpen ausgetauscht werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruches der Erfindung gelöst.

Diese regelbare Kühlmittelpumpe mit einem im Pumpengehäuse angeordneten Lagersitz in welchem ein Kugellager angeordnet ist in dem frei drehbar eine Pumpenwelle gelagert ist, wobei auf einem freien Ende der Pumpenwelle drehfest eine Riemenscheibe und auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle drehfest ein Flügelrad angeordnet ist, und flügelradseitig auf der Pumpenwelle, dem Kugellager benachbart, ein Radial-Wellendichtring angeordnet welcher im Pumpengehäuse in einem Dichtungssitz befestigt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass im Pumpengehäuse ein den Dichtungssitz und ein den Lagersitz kreisringförmig umgebender Pumpeninnenraum angeordnet ist auf dessen Innenmantel eine Federhülse mit einem flügelradseitigen Anschlag aufgepresst ist, wobei im Bereich des Außenmantels und im oberen Bereich der Rückwand des Pumpeninnenraumes des Pumpengehäuse ein Magnetgehäuse mit einer zylinderförmigen Eisenrückschlussplatte angeordnet ist in dem eine mit einem Kabel versehene Magnetspule angeordnet ist, wobei im Ringspalt zwischen der Federhülse und der Magnetspule bzw. den der Magnetspule zuzuordnenden Baugruppen, wie dem Magnetgehäuse mit Eisenrückschlussplatte, der Innenzylinder eines Ventilschiebers angeordnet ist, welcher neben dem Innenzylinder und einem mit seinem Innendurchmesser den Außendurchmesser des Flügelrades geringfügig überragenden Außenzylinder weiterhin aus einer diese beiden Zylinder miteinander verbindende Kreisscheibe besteht, wobei am freien Ende des Innenzylinders ein Aufnahmering mit einem Druckfederanlagesteg zur Aufnahme eines Magnetankers angeordnet ist, welcher entlang einer am Innenring der Eisenrückschlussplatte und dem hinteren Bereich der Magnetspule befindlichen Lauffläche verschiebbar derart angeordnet ist, dass der Außenzylinder des Ventilschiebers entlang der äußeren Breite des Flügelrades verschoben werden kann, wobei der Magnetanker mit einer Anschlagsfläche versehen ist, welche mit einer am Magnetgehäuse angeordneten Anlage in Wirkverbindung treten kann, wobei zwischen dem Anschlag und dem Druckfederanlagesteg des Innenzylinders eine Druckfeder angeordnet ist.

Diese Druckfeder bewirkt, dass bei stromloser Magnetspule der Ventilschieber in seine Ausgangslage zurückgestellt wird.

Erfindungsgemäß sind in der Kreisscheibe des Ventilschiebers Durchflussöffnungen angeordnet.

Diese Durchflussöffnungen gewährleisten, das beidseitig der Kreisscheibe des Ventilschieber die selben Druckverhältnisse vorliegen, so dass ein Verschieben des Ventilschiebers durch den an diesem angeordneten Magnetanker bei Stromzufuhr zur Magnetspule möglich ist.

Kennzeichnend ist auch, dass sich am Außenrand der Kreisscheibe des Ventilschiebers, im Übergangsbereich zum Außenzylinder eine Ringaufnahmenut befindet, in der ein Kolbenring angeordnet ist, welcher in der Innenwandung des Pumpengehäuses entlang einer zylindrischen Gleitfläche (32) zwischen dem flügelradseitigen Endbereich des Magnetgehäuses und der im Pumpengehäuse angeordneten Pumpenspirale verschiebbar ist.

Diese erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet einerseits eine exakte Führung des Ventilschiebers im Pumpengehäuse und dient gleichzeitig der Abdichtung zwischen dem Schieberraum (dem Raum hinter dem Flügelrad) und der Pumpenspirale um Leckagen zu vermeiden.

Im Arbeitsweg wird der maximale Hub des Ventilschiebers durch den Arbeitsweg des Magnetankers begrenzt. Aus der rückwandseitigen, durch die Einwirkung der Druckfeder erzwungenen Endlage des Magnetankers, kann dieser bei Stromzufuhr zur Magnetspule entlang seiner Lauffläche im Hub so weit linear verfahren werden bis die Anschlagsfläche des Magnetankers an der Anlage des Magnetgehäuses zu liegen kommt.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht somit, dass mittels der Variation der Stromzufuhr zur Magnetspule der Ventilschieber vom Magnetanker verschoben wird, und dabei der linear entlang des Außenrandes des Flügelrades verfahrbare Außenzylinder des Ventilschiebers den Öffnungsquerschnitt der Zuströmöffnung vom Flügelrad in die Pumpenspirale variiert, bzw. versperrt.

Erfindungswesentlich ist auch, dass am freien Ende des an der Kreisscheibe angeordneten Außenzylinders eine Dichtkante angeordnet ist.

Diese zur „Abdichtung der Pumpenspirale" dienende Dichtkante reduziert dabei gleichzeitig auch die zum Abregeln, bzw. Absperren des Förderstromes erforderliche, am Ventilschieber angreifende Magnetkraft.

Kennzeichnend ist auch, dass sich im Bereich des Saugmundes im Flügelrad eine/mehrere Ausgleichsbohrungen angeordnet ist/sind. Diese Ausgleichsbohrungen ermöglicht den zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes zwingend erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom hinter dem Flügelrad über den Ringsspalt zwischen dem Außenrand des Flügelrades und dem Außenzylinder des Ventilschiebers hin zu der/den Ausgleichsbohrung/en.

Erfindungswesentlich ist auch, dass am Umfang des Innenzylinders Stege angeordnet sind. Diese Stege ermöglichen eine linienförmige Führung des Ventilschiebers am Innenumfang des Magnetgehäuses. Diese linienförmige Führung minimiert einerseits die Gleitreibung zwischen dem Innenzylinder des Ventilschiebers und dessen Führungsfläche vermindert und gleichzeitig bewirkt, dass Partikelverschmutzungen des Kühlmittels die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Ventilschiebers nicht beeinträchtigen.

Durch Pulsweitenmodulation der an der Magnetspule anliegenden Spannung kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung der Hub des Ventilschiebers sowohl im Verschiebeweg, wie auch in der Öffnungszeit derart variiert werden, dass mittels der erfindungsgemäßen Lösung die Durchflußmenge, der Förderstrom, kontinuierlich in Abhängigkeit vom jeweiligen aktuellen Bedarf geregelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung bewirkt einen hohen Pumpenwirkungsgrad, gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit bei minimiertem Fertigungs- und Montageaufwand und ermöglicht durch eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge eine allmähliche optimale Erwärmung des Motors. Mit der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung ist es zudem auch nach erfolgter Erwärmung des Motors möglich die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission, die Reibungsverluste und auch der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.

Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung, dass selbst bei gegenwärtig bereits gefertigten Motoren die hier vorgestellte erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe gegen bisher eingesetzte Kühlmittelpumpen ausgetauscht werden kann.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen zur erfindungsgemäßen Lösung.

Nachfolgend soll daher die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit sechs Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen dabei:
1: die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt in der Seitenansicht mit der Darstellung der beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 (oben: vordere Endlage des Ventilschiebers, unten: hintere Endlage des Ventilschiebers);
2: den Ventilschieber 21 in einer räumlichen Darstellung;
3: die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt mit einer weiteren Kühlmittelaustrittsöffnung 37 in der Seitenansicht, wiederum mit der Darstellung der beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 (oben: vordere Endlage des Ventilschiebers, unten: hintere Endlage des Ventilschiebers);
4: die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt mit einer weiteren Kühlmittelaustrittsöffnung 37 und Ventilklappen 38 in der Seitenansicht ebenfalls mit der Darstellung der beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21, oben: vordere Endlage des Ventilschiebers; unten: hintere Endlage des Ventilschiebers;
5: eine Kennlinie des Ventilschieberhubes bei Förderstromregelung durch Pulsweitenmodulation;
6: eine Gegenüberstellung der Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Drehzahl des Flügelrades bei unterschiedlichen Wasserpumpenbauformen;
In der 1 ist die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt in der Seitenansicht mit den beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 dargestellt.
Im Lagersitz 2 des Pumpengehäuses 1 ist ein Kugellager 3 angeordnet. In diesem Kugellager 3 ist die Pumpenwelle 4 frei drehbar gelagert. Auf einem der beiden freien Enden der Pumpenwelle 4 ist außerhalb des Pumpengehäuses drehfest eine Riemenscheibe 5 angeordnet. Auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle 4 ist innerhalb des Pumpengehäuses das Flügelrad 6 aufgepresst. Somit wird von der Drehzahl der Riemenscheibe 5 die Drehzahl des Flügelrades 6 vorgegeben.
Flügelradseitig ist auf der Pumpenwelle 4, dem Kugellager 3 benachbart, ein Radial-Wellendichtring 8 angeordnet. Diese ist in einem Dichtungssitz 7 des Pumpengehäuses angeordnet.
Durch den Einsatz eines Radial-Wellendichtringes 8 werden die Fertigungskosten gesenkt und gleichzeitig Dampfleckagen vermieden.
Im Pumpengehäuse 1 ist ein den Dichtungssitz 7 und den Lagersitz 2 kreisringförmig umgebender Pumpeninnenraum angeordnet. Auf dessen Innenmantel 9 ist eine Federhülse 10 mit einem flügelradseitig angeordneten ringförmigen Anschlag 11 aufgepresst.
Im Bereich des Außenmantels 12 des Pumpeninnenraumes wie auch im oberen Bereich der Rückwand 13 ist im Pumpengehäuse 1 ein Magnetgehäuse 14 mit einer zylinderförmigen Eisenrückschlussplatte 17 angeordnet, in dem eine mit einem der Stromversorgung dienenden Kabel 15 versehene Magnetspule 16 angeordnet ist. Im Ringspalt zwischen der Federhülse 10 und dem Magnetgehäuse 14 mit der Eisenrückschlussplatte 17 bzw. der Magnetspule 16 ist verschiebbar der Innenzylinder 18 eines Ventilschiebers 21 angeordnet. Dieser Ventilschieber besteht neben dem Innenzylinder 18 und einem mit seinem Innendurchmesser den Außendurchmesser des Flügelrades 6 geringfügig überragenden Außenzylinder 20 aus einer diese beiden zylinderförmigen Baugruppen miteinander verbindende Kreisscheibe 19.
Am freien Ende des Innenzylinders 18 ist ein Aufnahmering 22, zur Aufnahme eines Magnetankers 24, mit einem Druckfederanlagesteg 23 angeordnet. Dieser im Aufnahmering 22 angeordnete Magnetanker 24 ist entlang einer am Innenmantel der Eisenrückschlussplatte 17 und dem keilriemenseitigen Bereich der Magnetspule 16 befindlichen Lauffläche 25 verschiebbar angeordnet.
Der Magnetanker 24 ist mit einer Anschlagsfläche 26 versehen, welche mit einer am Magnetgehäuse 14 angeordneten Anlage 27 in Wirkverbindung treten kann. Zwischen dem Anschlag 11 und dem Druckfederanlagesteg 23 des Innenzylinders 18 ist eine Druckfeder 28 angeordnet.
Bei stromloser Magnetspule 16 gewährleistet die Druckfeder 2, dass der Ventilschieber 21 in seine Ausgangslage zurückgestellt wird.
In der Kreisscheibe 19 des Ventilschiebers 21 sind Durchflussöffnungen 29 angeordnet.
Diese Durchflussöffnungen 29 gewährleisten, dass beidseitig der Kreisscheibe 19 des Ventilschieber 21 die selben Druckverhältnisse vorliegen, so dass ein Verschieben des Ventilschiebers mittels des Magnetankers 24 bei Stromzufuhr zur Magnetspule 16 möglich ist.
Am Außenrand der Kreisscheibe 19 des Ventilschiebers 21, im Übergangsbereich zum Außenzylinder 20 ist eine Ringaufnahmenut 30 angeordnet. In dieser ist ein Kolbenring 31 angeordnet welcher in der Innenwandung des Pumpengehäuses 1 entlang einer zylindrischen Gleitfläche 32 zwischen dem flügelradseitigen Endbereich des Magnetgehäuses 14 und dem im Pumpengehäuse 1 angeordneten Übergangsbereich zur Pumpenspirale 33 verschiebbar ist.
Mittels dieser erfindungsgemäßen Anordnung des Kolbenringes 31 wird die Abdichtung zwischen dem Schieberraum und der Pumpenspirale 33 gewährleistet, dadurch werden Leckagen vermieden und zudem wird gleichzeitig eine exakte Führung des Ventilschiebers 21 im Pumpengehäuse 1 bewirkt.
Der maximale Hub des Ventilschiebers 21 wird durch den Arbeitsweg des Magnetankers 24 begrenzt. Dieser kann bei Stromzufuhr zur Magnetspule 16 entlang seiner Lauffläche 25 im Hub aus der rückwandseitigen, durch die Einwirkung der Druckfeder 28 erzwungenen Endlage des Magnetankers 24, linear so weit verfahren werden, dass die Anschlagsfläche 26 des Magnetankers 24 an der Anlage 27 des Magnetgehäuses 14 zu liegen kommt. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es somit, dass mittels der Variation der Stromzufuhr zur Magnetspule 16 der Ventilschieber 21 vom Magnetanker 24 verschoben wird, so dass der linear entlang des Außenrandes des Flügelrades 6 verfahrbare Außenzylinder 20 des Ventilschiebers 21 den Öffnungsquerschnitt der Zuströmöffnung vom Flügelrad 6 in die Pumpenspirale 33 versperrt.
Am freien Ende des an der Kreischeibe 19 angeordneten Außenzylinders 20 ist eine Dichtkante 34 angeordnet.
Diese Dichtkante 34 ermöglicht ein Abregeln sowie ein völliges Absperren des Förderstromes bei minimierter am Ventilschieber 21 angreifender Magnetkraft. Im Bereich des Saugmundes 35 befinden sich im Flügelrad 6 drei Ausgleichsbohrungen 36. Diese Ausgleichsbohrungen 36 ermöglichen den zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes zwingend erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom 40 hinter dem Flügelrad 6 über den Ringsspalt zwischen dem Außenrand des Flügelrades 6 und dem Außenzylinder 20 des Ventilschiebers 21 hin zu den im Bereich des Saugmundes 35 angeordneten Ausgleichsbohrungen 36.
Die obere Hälfte der Schnittdarstellung zeigt die vordere Endlagenstellung des Ventilschiebers. In dieser Endlagenstellung wird der Zufluss von Kühlmittel in die Pumpenspirale unterbunden, und die Fördermenge der Kühlmittelpumpe ist bei dieser Stellung des Ventilschiebers 21, bis auf Spaltströmungen, nahezu „0". Das im Flügelrad 6 befindliche Kühlmittel rotiert lediglich als „träge Masse" mit der Drehzahl des Flügelrades.
Wird beispielsweise der Magnetstrom abgeschaltet, so drückt die Federkraft der Druckfeder 28 den Ventilschieber 21 in die, in der unteren Hälfte der 1 dargestellte, hintere Endlagenstellung.
In dieser Stellung ist der Zufluß vom Flügelrad 6 in die Pumpenspirale 33 vollständig geöffnet. Dieser Betriebszustand wird auch durch die erfindungsgemäße Lösung stets dann eingestellt, wenn beispielsweise Störungen bei der Stromversorgung der Magnetspule 16 eintreten.
Durch Pulsweitenmodulation der an der Magnetspule 16 anliegenden Spannung kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung der Hub des Ventilschiebers sowohl im Verschiebeweg, wie auch in der Öffnungszeit derart variiert werden, dass die Durchflußmenge, der Förderstrom, kontinuierlich in Abhängigkeit vom jeweiligen aktuellen Bedarf geregelt werden kann.
Auf das an sich bekannte Verfahren der Pulsweitenmodulation wird nachfolgend in Verbindung mit 6 näher eingegangen.
Die 2 zeigt den Ventilschieber 21 mit seinem Innenzylinder 18 den Außenzylinder 20 und der diese beiden Bauteile miteinander verbindenden Kreisscheibe 19 mit den in dieser angeordneten Durchflussöffnungen 29 in einer räumlichen Darstellung. Am freien Ende des Außenzylinders 20 ist die Dichtkante 34 angeordnet. Im Bereich der Kreisscheibe 19 ist am Außenzylinder 20 die Ringaufnahmenut 30 angeordnet.
Am freien Ende des Innenzylinders 18 ist außen der Aufnahmesteg 22 angeordnet. Im Innern des Innenzylinder 18 befindet sich der Druckfederanlagesteg 23.
Die 2 zeigt nun den Ventilschieber 21 in einer räumlichen Darstellung.
Am Innenzylinder 18 ist mittels einer Kreisscheibe 19 der Außenzylinder 20 angeordnet.
Am freien Ende des Innenzylinders 18 ist ein Aufnahmering 22 zur Aufnahme eines Magnetankers und ein Druckfederanlagesteg 23.
In der Kreisscheibe 19 des Ventilschiebers 21 sind Durchflussöffnungen 29 angeordnet. Am Außenrand der Kreisscheibe 19 befindet sich im Außenzylinder 20 eine Ringaufnahmenut 30 zur Anordnung eines Kolbenringes Am freien Ende des Außenzylinders 20 ist eine Dichtkante 34 angeordnet. Der Umfang des Innenzylinders ist mit Stegen 39 versehen. Diese Stege 39 dienen einer linienförmige Führung des Ventilschiebers 21 am Innenumfang des Magnetgehäuses um einerseits die Gleitreibung zwischen dem Innenzylinder 18 des Ventilschiebers 21 an dessen Führungsfläche zu minimieren und um gleichzeitig die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Ventilschiebers 21 dadurch zu erhöhen, dass Partikelverschmutzungen des Kühlmittels die Verschiebung des Ventilschieber 21 nicht beeinträchtigen können.
In der 3 ist eine weitere Bauform der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer Riemenscheibe 5 im Schnitt in der Seitenansicht dargestellt. In dieser Ausführungsform ist im Pumpengehäuse 1 zusätzlich eine weitere Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordnet.
Ebenso wie in der 1 sind auch in dieser 3 die beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 derart berücksichtigt, dass in der oberen Hälfte die vordere Endlage des Ventilschiebers 21 mit „abgeschieberter" Pumpenspirale 33 und in der unteren Hälfte die hintere Endlage des Ventilschiebers 21 mit vollständig geöffneter Pumpenspirale 33 dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht nun, dass in jeder Stellung des Ventilschiebers 21 die Spaltsströmung des Kühlwasservolumenstromes 40 zwischen dem Außenrand des Flügelrades 6 und dem Außenzylinder 20 des Ventilschiebers 21 und der am Außenzylinder 20 angeordneten Dichtkante 34 nicht nur, wie bereits in der 1 erläutert, in Verbindung mit dem in der Nähe des Saugmundes 35 angeordneten Ausgleichsbohrungen 36 der Kühlung des Radial-Wellendichtringes 8 dienen kann, sondern dass gleichzeitig ein Teil dieser vg. Spaltsströmung durch die im Ventilschieber 21 angeordneten Durchflussöffnungen 29 hindurch über die Kühlmittelaustrittöffnung 37 bei laufendem Motor zur Versorgung weiterer Verbraucher genutzt werden kann. Somit kann mittels dieser in der 3 vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung beispielsweise der Einsatz von zusätzlichen elektrischen Hilfspumpen im Kühlkreislauf entfallen, welche mit einer geringen Leistung von etwa 10 Liter/Minute und einem Druck von ca. 0,1 bar beispielsweise die Versorgung des Heizungskreislaufes übernehmen können.
In der 4 ist eine Weiterentwicklung der Bauform der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer Riemenscheibe 5 aus der 3 in der Seitenansicht im Schnitt dargestellt. Auch in dieser Ausführungsform ist im Pumpengehäuse 1 eine zusätzliche Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordnet.
Ebenso wie in der 3 sind auch in dieser Darstellung die beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 derart berücksichtigt, dass in der oberen Hälfte der zeichnereischen Darstellung die vordere Endlage des Ventilschiebers 21 mit „abgeschieberter" Pumpenspirale 33 und in der unteren Hälfte der zeichnerischen Darstellung die hintere Endlage des Ventilschiebers 21 mit vollständig geöffneter Pumpenspirale 33 dargestellt sind.
Die erfindungsgemäße Lösung mit den an den Durchflussöffnungen 29 der Kreisscheibe 19 wie auch am Zufluss zur Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordneten Ventilklappen 38 ermöglicht nun, dass wie bereits in Verbindung mit 1 erläutert, in jeder Stellung des Ventilschiebers 21 die Spaltsströmung des Kühlwasservolumenstromes 40, zwischen dem Außenrand des Flügelrades 6 und dem Außenzylinder 20 des Ventilschieber 21 und den in der Nähe des Saugmundes 35 angeordneten Ausgleichsbohrungen 36, zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes 8 genutzt werden kann.
Gleichzeitig ermöglicht diese Lösung, gemäß der 4, ebenso wie bereits in Verbindung mit 3 erläutert, dass ein Teil dieser vg. Spaltsströmung durch die im Ventilschieber 21 angeordneten Durchflussöffnungen 29 hindurch über die Kühlmittelaustrittöffnung 37 bei laufendem Motor zur Versorgung weiterer Verbraucher verwendet werden kann.
Infolge der erfindungsgemäßen Anordnung der an den Durchflussöffnungen 29 der Kreisscheibe 19 wie auch am Zufluss zur Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordneten Ventilklappen 38 ermöglicht nun diese in der 4 vorgestellte Lösung, dass selbst bei Motorstillstand mittels Hubbewegungen des Ventilschiebers 21, in Verbindung mit dem dabei zwangsläufig auftretenden Ventilspiel, ein wie in der 4 dargestellter Kühlmittelvolumenstrom 40 erzeugt werden kann, welcher selbst bei Motorstillstand etwa 10 Liter/Minute bei einem Druck von ca. 0,1 bar zu Fördern vermag, und beispielsweise an Stelle von elektrischen Hilfspumpen auch zur Beseitigung der Nachhitze des Motors eingesetzt werden kann.
Die erfindungsgemäßen, in den 1, 3 und 4 vorgestellten Bauformen zeichnen sich zudem durch einen minimalen Fertigungs- und Montageaufwand aus und ermöglichten auf Grund ihres geringen Bauvolumens selbst bei gegenwärtig bereits gefertigten Motoren den Austausch gegen bisher eingesetzte beispielsweise nicht regelbare Kühlmittelpumpen.
Die 5 zeigt die Kennlinie des Ventilschieberhubes bei Förderstromregelung durch Pulsweitenmodulation. Die Spannung wird zum Zeitpunkt I ein- und zum Zeitpunkt II ausgeschaltet.
Nach dem Einschalten der Spannung beginnt nach einer Todzeit „A" der Ventilschieber seinen Verfahrweg.
Auch nach dem Ausschalten der Spannung bedarf es einer Verharrzeit B bis der Ventilschieber infolge der auf diesen einwirkenden Kraft der Druckfeder wieder zurückfährt.
Somit können bei konstanter Pulsfrequenz durch die Variation der Pulsbreite die Schieberhübe und die Schieberöffnungszeiten derart variiert werden, dass eine aktive stufenlose Steuerung der Kühlmittelfördermenge möglich ist, so dass der Kühlmittelförderstrom, kontinuierlich in Abhängigkeit vom jeweiligen aktuellen Bedarf geregelt werden kann, um einerseits eine allmähliche optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und gleichzeitig nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.
In der 6 ist die Leistungsaufnahme unterschiedlich geregelter Kühlmittelpumpen in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl im Vergleich zu einer Pumpe nach der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt.
Die Kurve 1 zeigt die Leistungsaufnahme einer nicht geregelten Kühlmittelpumpe.
In der Kurve 2 ist die Leistungsaufnahme einer nicht geregelten Kühlmittelpumpe bei geschlossenem externen Ventil.
Die Kurve 3 zeigt die Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe mit integriertem Ventilschieber.
In der Kurve 4 ist die Leistungsaufnahme einer ON/OFF-Kühlmittelpumpe mit entkoppelten Flügelrad dargestellt.
Die der Gegenüberstellung der einzelnen Verläufe der Antriebsleistung in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl zeigt deutlich, dass mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine wesentliche Reduzierung der Antriebsleistung und damit eine deutliche Steigerung des Pumpenwirkungsgrades erreicht werden kann.

Claims

Regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1) und einem in einem Pumpeninnenraum angeordneten, von einer Druckfeder (28) beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades (6) der Kühlmittelpumpe regelnden, elektromagnetisch betätigten Ventilschieber (21), mit einem in einem Lagersitz (2) des Pumpengehäuses (1) angeordneten Kugellager (3), in dem eine Pumpenwelle (4) frei drehbar gelagert ist, auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe (5) und gegenüberliegend das Flügelrad (6) drehfest angeordnet sind, wobei auf der Pumpenwelle (4), dem Kugellager (3) flügelradseitig benachbart, ein in einem Dichtungssitz (7) des Pumpengehäuses (1) befestigter Radial-Wellendichtring (8) angeordnet ist, gekennzeichnet durchfolgende Merkmale: a. daß im Bereich eines Saugmundes (35) im Flügelrad (6) eine oder mehrere Ausgleichsbohrungen (36) angeordnet sind, b. daß im Pumpengehäuse (1) der den Lagersitz (2) und den Dichtungssitz (7) umgebende, von einem Innenmantel (9), einem Außenmantel (12) und einer Rückwand (13) begrenzte separate Pumpeninnenraum angeordnet ist, auf dessen Innenmantel (9) eine Federhülse (10) mit einem flügelradseitigen Anschlag (11), und im Bereich des Außenmantels (12) und der oberen Rückwand (13) ein Elektromagnet angeordnet sind, c. daß in einem von der Federhülse (10) und dem Elektromagneten gebildeten Ringspalt ein Innenzylinder (18) des Ventilschiebers (21) angeordnet ist, an dessen riemenscheibenseitigen Ende ein Aufnahmering (22) mit einem Druckfederanlagesteg (23) zur Aufnahme eines vom Elektromagneten beaufschlagten Magnetankers (24) angeordnet ist, wobei der Ventilschieber (21) einen den Ausströmbereich des Flügelrades (6) überdeckenden Außenzylinder (20) mit einer an dessen freien Ende angeordneten Dichtkante (34) und eine den Innenzylinder (18) und den Außenzylinder (20) fest miteinander verbindende, mit Durchflussöffnungen (29) versehene Kreisscheibe (19) aufweist, d. daß eine Druckfeder (28) zwischen dem Anschlag (11) an der Federhülse (10) und dem Druckfederanlagesteg (23) des Innenzylinders (18) angeordnet ist, und e. daß sich am Außenrand der Kreisscheibe (19) eine Ringaufnahmenut (30) befindet, in welcher ein Kolbenring (31) angeordnet ist, der entlang einer zylindrischen Gleitfläche (32) der Innenwandung des Pumpengehäuses (1) zwischen dem flügelradseitigen Endbereich eines Magnetgehäuses (14) und einer im Pumpengehäuse (1) angeordneten Pumpenspirale (33) verschiebbar angeordnet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Innenzylinders (18) des Ventilschiebers (21) Stege (39) für eine linienförmige Führung des Ventilschiebers (21) am Innenumfang des Magnetgehäuses (14) angeordnet sind.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Ventilschiebers (21) durch Pulsweitenmodulation der an der Magnetspule (16) anliegenden Spannung gesteuert wird.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Pumpengehäuse (1) elektromagnetseitig neben der Gleitfläche (32) eine zusätzliche Kühlmittelaustrittsöffnung (37) angeordnet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Durchflussöffnungen (29) der Kreisscheibe (19) wie auch am Zufluß zur Kühlmittelaustrittsöffnung (37) Ventilklappen (38) angeordnet sind.