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Die
Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe für einen
Kühlkreislauf
einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs.
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Bei
den im Stand der Technik üblichen
Kühlmittelpumpen
für Kühlkreisläufe von
Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschinen handelt es sich üblicherweise
um kleine, als Radialpumpen ausgebildete Kreiselpumpen, bei denen
das axial in ein Pumpenrad einströmende Kühlmittel im Pumpenrad in radialer
Richtung umgelenkt wird.
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Wegen
der Umlenkung des Kühlmittels
im Pumpenrad treten bei derartigen Kühlmittelpumpen gewisse Strömungsverluste
auf. Außerdem
lässt sich die
Fördermenge
der Pumpe nur durch Veränderung der
Antriebsdrehzahl des Pumpenrades oder durch ein Ventil verstellen,
das entweder vor bzw. hinter der Pumpe im Kühlkreislauf angeordnet oder
ggf. auch in die Pumpe integriert sein kann.
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Dort,
wo die Kühlmittelpumpe
bzw. deren Pumpenrad über
einen Zahnriementrieb von der Kurbelwelle oder einer Ausgleichswelle
der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, ist jedoch die Antriebsdrehzahl
des Pumpenrades durch die Drehzahl der Kurbelwelle vorgegeben, was
für ein
optimales Thermomanagement des Kühlkreislaufs
nicht immer erwünscht
ist. Unter gewissen Betriebsbedingungen ist nämlich eine Steuerung oder Regelung der
Durchflussmenge des Kühlmittels
durch die Verbrennungskraftmaschine unabhängig von deren Drehzahl vorzuziehen,
zum Beispiel eine Verringerung der Durchflussmenge zur Verkürzung der Warmlaufphase
zwecks Verbesserung der Abgasemissionen nach einem Kaltstart oder
zur Erzielung einer Kraftstoffersparnis durch Reduzierung der Pumpenleistung
der Kühlmittelpumpe,
die gewöhnlich
für Volllastbetriebszustände, wie
zum Beispiel Bergfahrt oder Höchstgeschwindigkeitsfahrt
bei hohen Umgebungstemperaturen ausgelegt ist, so dass im normalen
Fahrbetrieb, wo derartige Volllastbetriebszustände nicht oder nur sehr selten
auftreten, durch eine Reduzierung der geförderten Kühlmittelmenge eine entsprechende
Reduzierung der Leistungsaufnahme der Pumpe und damit auch des Kraftstoffverbrauchs der
Verbrennungskraftmaschine möglich
wäre.
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Wie
bereits erwähnt,
kann die Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge auch mittels
eines Ventils erfolgen, wie zum Beispiel in der
DE 102 07 653 C1 für eine als
Axialpumpe ausgebildete Kühlmittelpumpe
offenbart. Jedoch wird die Konstruktion einer Kühlmittelpumpe mit integriertem
Ventil komplizierter und damit störanfälliger, während ein Ventil als getrenntes
Bauteil nicht nur einen zusätzlichen
Aufwand bei der Lagerhaltung verursacht, sondern in der Regel auch
wertvollen Bauraum in der Nähe
der Verbrennungskraftmaschine benötigt.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlmittelpumpe
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Durchflussmenge
des Kühlmittels
durch die Verbrennungskraftmaschine allein mit Hilfe der Pumpe gesteuert
oder geregelt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Kühlmittelpumpe
als regelbare Axialpumpe ausgebildet ist.
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Eine
solche Kühlmittelpumpe
gestattet es nicht nur, die Durchflussmenge unabhängig von
der Antriebsdrehzahl und ohne ein zusätzliches Ventil zu steuern
oder zu regeln, sondern ermöglicht
darüber hinaus
eine solche Steuerung oder Regelung mit Hilfe einfacher Mittel und
ohne das Erfordernis einer Taktung der Pumpe. Außerdem lässt sich eine solche Kühlmittelpumpe
mit einer verhältnismäßig einfachen Mechanik
und daher mit geringen Kosten herstellen, wobei sie wegen der axialen
Förderung
des Kühlmittels
ohne Umlenkung auch verhältnismäßig geringe Strömungsverluste
aufweist. Nicht zuletzt kann eine solche Pumpe für den Fall eines Ausfalls der
Pumpe, des Pumpenantriebs oder der Mittel zur Steuerung bzw. Regelung
mit Notlaufeigenschaften ausgestattet werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein drehend
antreibbarer Rotor oder Propeller der Axialpumpe eine Mehrzahl von überstehenden
Rotorschaufeln oder Propellerflügeln aufweist,
deren Anstellwinkel verstellbar ist, um eine von der Antriebsdrehzahl
unabhängige
Steuerung bzw. Regelung der Pumpenfördermenge zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass sich eine von
Schiffsschrauben zur Regelung der Fahrtgeschwindigkeit bekannte
Verstellung des Anstellwinkels der Schraubenblätter auf eine Axialpumpe übertragen
und dort zur Regelung der Fördermenge
einsetzen lässt.
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Der
Rotor ist zweckmäßig in einem
röhrenförmigen Gehäuse angeordnet,
das vorzugsweise als Rohrbogen ausgebildet ist und einen im Wesentlichen
konstanten zylindrischen Querschnitt aufweist, wobei seine entgegengesetzten
Stirnenden mit dem Kühlkreislauf
verbindbar sind, so dass das gesamte Kühlmittel durch das Gehäuse strömt und vom
Rotor in Abhängigkeit
vom Anstellwinkel der Rotorschaufeln mehr oder weniger stark beschleunigt
werden kann.
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Vorzugsweise
erfolgt der drehende Antrieb des Rotors mittels einer Rotorantriebswelle,
die zweckmäßig im Bereich
einer äußeren Begrenzungswand
des Rohrbogens durch einen als Einheit mit dem Gehäuse ausgebildeten
Wellentunnel aus dem Gehäuse
herausgeführt
ist, wodurch zum einen im Bereich des Rotors eine zur Gehäusewand
koaxiale Ausrichtung der Rotorantriebswelle ermöglicht und zum anderen im Bereich
der Gehäusewand
eine Abdichtung der Rotorantriebswelle in Bezug zum Gehäuse erleichtert
wird.
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Zum
Antreiben der Rotorantriebswelle trägt ein nach außen aus
dem Wellentunnel überstehendes
Stirnende der Welle vorteilhaft ein Zahnriemenrad oder eine Riemenscheibe,
so dass die Welle über einen
Zahnriemen eines Zahnriementriebs bzw. einen Keilriemen eines Keilriementriebs
von der Kurbelwelle bzw. einer Ausgleichswelle der Verbrennungskraftmaschine
angetrieben werden kann.
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Um
die Verstellung des Anstellwinkels der Rotorschaufeln des Rotors
mit geringem mechanischem Aufwand vornehmen zu können, ist die Rotorantriebswelle
vorteilhaft als Hohlwelle mit einer axialen Bohrung ausgebildet,
durch die sich ein Stellglied in Form einer Betätigungsstange erstreckt, das
mittels eines außerhalb
der Pumpe angeordneten Stellorgans verschiebbar ist, zum Beispiel
mittels eines elektrischen Stellmotors oder eines hydraulisch oder pneumatisch
wirkenden Druckzylinders, der sich zur Verstellung der Rotorschaufeln
wiederum elektrisch oder elektronisch bzw. hydraulisch oder pneumatisch ansteuern
lässt.
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Zur
Veränderung
des Anstellwinkels der Rotorschaufeln sind diese zweckmäßig um ihre
jeweilige Längsachse
verschwenkbar in einem Grundkörper
des Rotors gelagert, wobei sie gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung an einem innerhalb des Grundkörpers angeordneten, mit dem Stellglied
im Eingriff stehenden Schaftteil jeder Rotorschaufel eine Verzahnung
aufweisen, die mit einer komplementären Verzahnung auf einem benachbarten
Abschnitt des Stellgliedes zusammenwirkt, um eine Axialbewegung
des letzteren in eine Schwenkbewegung der Rotorschaufeln zu überführen.
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Das
Stellglied ist vorzugsweise mindestens abschnittsweise als Zahnstange
mit einem zylindrischen Querschnitt ausgebildet, die hintereinander angeordnete,
in Umfangsrichtung der Zahnstange um diese herum verlaufende abwechselnde
Zähne und
Zahnlücken
aufweist, welche mit komplementären
Axialverzahnungen auf den Schaftteilen der Rotorschaufeln im Zahneingriff
stehen. Die Rotorschaufeln sind dazu in vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung um Schwenkachsen verschwenkbar, die eine zur Drehachse
der Rotorantriebswelle senkrechte Ebene aufspannen und jeweils etwa
tangential zur Umfangsfläche
des Stellgliedes ausgerichtet sind, so dass sie die Drehachse der
Rotorantriebswelle nicht schneiden.
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Wenn
das Stellorgan der Kühlmittelpumpe ausfällt, zum
Beispiel im Falle eines elektrischen Stellmotors durch einen Kabelbruch
oder im Falle eines Druckzylinders durch einen Druckverlust, werden
gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Notlaufeigenschaften
der Kühlmittelpumpe
dadurch sichergestellt, dass das Stellglied von einer Rückstellfeder
in eine durch einen Anschlag definierte Endstellung verschoben wird,
in der die Rotorschaufeln des Rotors das maximale Kühlmittelvolumen
fördern.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe;
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2:
einen Längsschnitt
durch die Kühlmittelpumpe;
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3:
eine vergrößerte perspektivische
Ansicht eines Teils eines Verstellmechanismus zum Verstellen von
Schaufeln eines Rotors der Kühlmittelpumpe.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Kühlmittelpumpe 1 für einen
Kühlkreislauf
einer Verbrennungskraftmaschine ist als regelbare Axialpumpe ausgebildet
und besteht im Wesentlichen aus einem Pumpengehäuse 2, einem innerhalb
des Pumpengehäuses 2 angeordneten
Rotor oder Propeller 3 mit drei verstellbaren Rotorschaufeln 4 oder
Propellerflügeln,
einer als Drehantrieb für
den Rotor 3 dienenden Rotorantriebswelle 5, sowie
einem Verstellmechanismus 6 (3) zum Verstellen
des Anstellwinkels der Rotorschaufeln 4.
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Das
Pumpengehäuse 2 weist
die Form eines um 90 Grad abgebogenen Rohrbogens mit einem im Wesentlichen
konstanten zylindrischen Querschnitt auf, dessen entgegengesetzte
Stirnenden einen Einlass 7 bzw. einen Auslass 8 der
Pumpe 1 bilden und sich mit entsprechend dimensionierten
zylindrischen Anschlüssen
des Kühlkreises
verbinden lassen.
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Wie
am besten in 2 dargestellt, umfasst das Pumpengehäuse 2 einen
als Einheit mit dem Gehäuse 2 ausgebildeten
Wellentunnel 9, durch den hindurch sich die Rotorantriebswelle 5 ins
Innere des Pumpengehäuses 2 erstreckt.
Der hohlzylindrische Wellentunnel 9 durchsetzt die Wand 10 des
Rohrbogens etwa im Bereich einer Symmetrieebene 11 (2),
die das Gehäuse 2 in
zwei äußerlich
im Wesentlichen spiegelbildliche Schenkel 12, 13 teilt.
Der Wellentunnel 9 steht nach außen und nach innen zu ein Stück weit über die
umgebende Wand 10 des Rohrbogens über und ist koaxial zur Längsachse
des einen Schenkels 13 und senkrecht zur Längsachse des
anderen Schenkels 12 ausgerichtet.
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Die
durch den Wellentunnel 8 verlaufende als Hohlwelle ausgebildete
Rotorantriebswelle 5 weist zwei Stirnenden 14, 15 auf,
von denen das äußere 14 über das
benachbarte Ende des Wellentunnels 9 übersteht, während das innere Stirnende 15 drehfest
mit einem Grundkörper 16 des
Rotors 3 verbunden ist. Auf dem äußeren Stirnende 14 der
Rotorantriebswelle 5 ist ein Zahnriemenrad 17 eines
Zahnriementriebs (nicht dargestellt) drehfest montiert, mit dessen
Hilfe die Rotorantriebswelle 5 über eine Ausgleichswelle der
Verbrennungskraftmaschine mit einem festen Übersetzungsverhältnis zur
Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben wird. Der mit dem inneren Stirnende 15 der
Rotorantriebswelle 5 verbundene Rotor 3 dreht
sich bei angetriebener Welle 5 innerhalb des Schenkels 13 des
Pumpengehäuses 2,
um das Kühlmittel
in Richtung des Pfeils A in 2 durch das
Pumpengehäuse 2 zu
fördern.
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Der
Rotor 3 besteht im Wesentlichen aus dem hohlzylindrischen
Grundkörper 16,
in den die drei Rotorschaufeln 4 drehbar eingesetzt sind,
so dass sie zur Verstellung ihrer Anstellwinkel gemeinsam um ihre
jeweilige Schwenkachse 18 verschwenkbar sind, wie für eine der
drei Schaufeln 4 durch den Pfeil B in 3 dargestellt.
Zur Minimierung des Strömungswiderstandes
weist der Grundkörper 16 angrenzend
an das innere Ende des Wellentunnels 9 einen dessen Außendurchmesser
entsprechenden Außendurchmesser
auf.
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Die
drei Rotorschaufeln 4 weisen dieselbe Ausbildung auf und
stehen in gleichen Winkelabständen über die
Rotorantriebswelle 5 über,
wobei ihre mit den Schwenkachsen 18 zusammenfallenden Längsachsen
nicht genau radial zur Drehachse der Welle 5 ausgerichtet
sind, sondern sich an drei verschiedenen Stellen innerhalb des Grundkörpers 16 schneiden,
wie in 3 dargestellt, wobei sie eine zur Drehachse 19 der
Rotorantriebswelle 5 und des Rotors 3 senkrechte
Ebene aufspannen.
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Die
Rotorschaufeln 4 sind einstückig ausgebildet und bestehen
jeweils im Wesentlichen aus einem zur Rotorantriebswelle 5 benachbarten,
in eine Ausnehmung des Grundkörpers 16 eingreifenden Schaftteil 20 sowie
einem in den Kühlmittelstrom
ragenden gebogenen Schaufelteil 21, der über eine zwischen
dem Schaftteil 20 und dem Schaufelteil 21 angeordnete
verdickte scheibenförmige
Grundplatte 22 übersteht
und sich von dieser weg nach außen verbreitert.
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Der
Verstellmechanismus 6 zum Verstellen des Anstellwinkels
der Rotorschaufeln 4 umfasst ein Stellglied in Form einer
Betätigungsstange 23,
die im Bereich des Rotors 3 mit einer Verzahnung 24 versehen
ist und über
diese Verzahnung 24 mit einer komplementären Axialverzahnung 25 auf
den Schaftteilen 20 der Rotorschaufeln 4 zusammenwirkt,
die etwa tangential gegen die Betätigungsstange 23 anliegen.
Der Verstellmechanismus umfasst weiter ein Stellorgan, das zum Beispiel
in Form eines elektrischen Stellmotors mit einem Schneckengetriebe oder
in Form eines pneumatischen oder hydraulischen Druckzylinders vorliegen
kann. Mit Hilfe des in der Zeichnung nicht dargestellten Stellorgans
lässt sich
die Betätigungsstange 23 entgegen
der Kraft einer als Schraubendruckfeder 26 ausgebildeten Rückstellfeder
innerhalb der Rotorantriebswelle 5 in axialer Richtung
verschieben, wie durch den Doppelpfeil C in 2 dargestellt,
um die Rotorschaufeln 4 mittels der gepaarten Verzahnungen 24, 25 der
Betätigungsstange 23 und
der Schaftteile 20 der Rotorschaufeln 4 um ihre
Schwenkachsen 18 zu drehen und so ihre Anstellwinkel zu
verändern.
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Die
Betätigungsstange 23 weist
entlang ihres innerhalb des Grundkörpers 16 angeordneten Endabschnitts 27 einen
etwas größeren Durchmesser
auf und ist dort teilweise als zylindrische Zahnstange ausgebildet,
die entlang ihres Umfangs mit der Verzahnung 24 versehen
ist. Wie am besten in 3 dargestellt, besteht die Verzahnung 24 aus
einer Reihe von ringförmigen
Zähnen,
die sich jeweils in Umfangsrichtung um die Betätigungsstange 23 herum
erstrecken und in axialer Richtung durch Zahnlücken von benachbarten Zähnen getrennt
sind, wobei die Zähne
und Zahnlücken
zweckmäßig nicht
den zur Vereinfachung in der Zeichnung dargestellten Rechteckquerschnitt
sondern ei nen üblichen
Zahnquerschnitt mit gerundeten Zahnköpfen, Flanken und Zahnfüßen aufweisen.
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Das
ebene rotorseitige Stirnende der Betätigungsstange 23 befindet
sich innerhalb einer axialen Bohrung des hohlzylindrischen Grundkörpers 16 und dient
als Widerlager für
das eine Stirnende der Rückstellfeder 26,
die sich mit ihrem anderen Stirnende gegen die Innenseite einer
auf den Grundkörper 16 aufgeschraubten
Gewindekappe 28 abstützt.
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Der
Endabschnitt 27 weist eine vom Grundkörper 16 des Rotors 3 abgewandte
Ringschulter 29 auf, die gegen eine komplementäre Ringschulter 30 der
Rotorantriebswelle 5 anschlägt, wenn die Betätigungsstange 23 bei
einem Ausfall des Stellorgans von der Rückstellfeder 26 in
Richtung des Pfeils C nach rechts verschoben wird. In dieser Notlauf-Stellung
sind die Rotorschaufeln 4 so gedreht, dass sie einen maximalen
Kühlmittelstrom
fördern.
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- 1
- Kühlmittelpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Rotor
- 4
- Rotorschaufeln
- 5
- Rotorantriebswelle
- 6
- Verstellmechanismus
- 7
- Einlass
Pumpengehäuse
- 8
- Auslass
Pumpengehäuse
- 9
- Wellentunnel
- 10
- Begrenzungswand
Gehäuse
- 11
- Symmetrieachse
- 12
- Schenkel
Rohrbogen
- 13
- Schenkel
Rohrbogen
- 14
- Stirnende
Rotorantriebswelle
- 15
- Stirnende
Rotorantriebswelle
- 16
- Grundkörper Rotor
- 17
- Zahnriemenrad
- 18
- Schwenkachse
- 19
- Drehachse
Rotorantriebswelle
- 20
- Schaftteil
Rotorschaufel
- 21
- Schaufelteil
Rotorschaufel
- 22
- Grundplatte
Rotorschaufel
- 23
- Betätigungsstange
- 24
- Verzahnung
Betätigungsstange
- 25
- Verzahnung
Rotorschaufel
- 26
- Rückstellfeder
- 27
- Endabschnitt
Betätigungsstange
- 28
- Schraubkappe
- 29
- Ringschulter
Endabschnitt
- 30
- Ringschulter
Rotorantriebswelle