DE102007019263B3

DE102007019263B3 - Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102007019263B3
Application number: DE200710019263
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr. Schmidt; Franz Dipl.-Ing. Pawellek
Original assignee: Geraete und Pumpenbau GmbH Dr Eugen Schmidt
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2027-04-25

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kühlmittelpumpe für Kraftfahrzeuge zu entwickeln, die bei größeren Verbrennungsmotoren, beispielsweise denen von Lastkraftwagen eingesetzt werden kann, und die dann über einen hohen Gesamtwirkungsgrad verfügt, dabei aber nur einen minimierten Bauraum bei minimiertem Eigengewicht erfordert, zudem robust und störunanfällig aufgebaut ist, keinen Drehzahlsensor benötigt und einfach sowie kostengünstig herstellbar ist, zudem unter allen Einsatzbedingungen stets zuverlässig und störunanfällig arbeitet und zudem über eine "fail-safe"-Funktion verfügt. Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass am Flügelrad (5) zwischen dem Boden (6) und der Deckscheibe (8) eine Trennscheibe (9) angeordnet ist, an deren Außenradius ein Dichtbund (10) angeordnet ist, wobei am Boden (6) eine Führungsplatte (11) mit in dieser über den Umfang gleich verteilt angeordneten Bolzenführungsbohrungen (12) angeordnet ist, und in der Führungsplatte (11) zwischen den Bolzenführungsbohrungen (12), dem Flügelrad (5) abgewandt, Federsitze (13) angeordnet sind, und der Dichtbund (10) radial den Außenrand (14) der Deckscheibe (8) überragt, und in den Bolzenführungsbohrungen (12) linear gleitend Führungsbolzen (15) angeordnet sind, die mit der Rückwand (16) eines mit einem Ringmantel (17) versehenen Schiebers (18) verbunden sind, und an der Rückwand (16) den Federsitzen (13) in der Führungsplatte (11) gegenüberliegend Federanlagen ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore von größeren Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Lastkraftwagen.
Die Verbrennungsmotore der Kraftfahrzeuge weisen zumeist einen Kühlmittelkreislauf auf, um stets eine optimale Betriebstemperatur des Motors zu gewährleisten.
Aus der DE 10 2005 062 200 B3 ist eine von der Anmelderin entwickelte, im Betriebseinsatz bei Personenkraftwagen sehr gut bewährte, regelbare Kühlmittelpumpe mit einem über die gesamte Austrittsbreite des Flügelrades verfahrbaren Ventilschieber bekannt.
Mittels dieses Ventilschiebers kann am Umfang des Flügelrades eine Schließstellung realisiert werden, die selbst kleinste Leckagen unterbindet und dadurch eine sehr schnelle Erwärmung des Motors gewährleistet.
Bei größeren Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei Lastkraftwagen, ist jedoch ein völliges Abschalten des Kühlmittelkreislaufes bei laufendem Motor nicht zulässig, da hierdurch Wärmenester im Kühlmittelkreislauf entstehen können. Auch die zur Reduzierung der Stickoxide eingesetzten Kühler zur Kühlung des rückgeführten Abgases müssen ständig von Kühlmittel durchströmt werden. Eine auch nur kurzzeitige Überhitzung dieses Wärmetauschers führt zwangsläufig zu irreparablen Schäden.
Für einen effektiven Wärmetransport ist es daher erforderlich, dass das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf ständig in Bewegung gehalten wird. Hierzu wird das Flügelrad der Kühlmittelpumpe im allgemeinen direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt.
Diese direkte Kopplung der Kühlmittelpumpe mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors hat zur Folge, dass der von der Kühlmittelpumpe jeweils geförderte Kühlmittelvolumenstrom stets von der Drehzahl des Motors bestimmt wird.
Für die Auslegung des Flügelrades der Kühlmittelpumpe ist daher der für die jeweilige Motordrehzahl extremste Bedarfsfall maßgebend, d.h. die Kühlmittelpumpe ist stets so ausgelegt, dass selbst bei niedriger Drehzahl und hoher Motorbelastung eine ausreichende Kühlleistung erzielt werden kann. Im täglichen Fahrbetrieb werden jedoch nur während maximal 50% der Betriebszeit des Verbrennungsmotors diese hohen Kühlleistungen benötigt. In den kälteren Jahreszeiten ist dieser Prozentsatz noch deutlich geringer. Während der verbleibenden Betriebszeit wäre somit für eine ausreichende Kühlleistung eine wesentlich geringere Flügelraddrehzahl völlig ausreichend, um beispielsweise mit 50% der maximalen Fördermenge im Teilastbetrieb die AGR-Kühlung zu gewährleisten.
Dieser Umstand führt nun dazu, dass alle nicht regelbare Kühlmittelpumpen im durchschnittlichen Fahrbetrieb in einem sehr wirkungsgradungünstigen Betriebspunkt arbeiten und dadurch „unnötig" Kraftstoff zum Antrieb des Flügelrades, d.h. zur Umwälzung des Kühlmittelvolumenstromes verbrauchen.
Um nun die Nachteile der direkt von der Kurbelwelle angetriebenen Kühlmittelpumpe zu reduzieren werden im Stand der Technik auch für größere Verbrennungsmotore über eine Riemenscheibe von der Kurbelwelle angetriebene, regelbare Kühlmittelpumpen (beispielsweise für Lastkraftwagen) vorbeschrieben.
Bei diesen Bauformen wird die von der Kurbelwelle über eine Riemenscheibe auf eine Pumpenwelle übertragene Drehzahl mit unterschiedlichen technischen Mitteln reduziert und dann als Antriebsdrehzahl auf das Flügelrad übertragen. So beschreibt beispielsweise die DE 101 58 732 A1 ein Antriebsorgan für das Flügelrad einer Kühlmittelpumpe zur Übertragung des Antriebsdrehmomentes von einer über eine Riemenscheibe direkt von der Kurbelwelle angetriebene Welle auf das Flügelrad mittels einer zweistufig arbeitenden Kupplung. In der ersten Stufe arbeitet bei dieser Bauform eine Wirbelstromkupplung zunächst bis zu einer Grenzdrehzahl, welche dann „abreißt" und im Schlupfbetrieb mit konstanter Drehzahl weiter arbeitet.
In der zweiten Stufe kann dann eine elektromagnetisch betätigte Reibkupplung in Eingriff gebracht werden mit deren Hilfe dann eine riemenscheibensynchrone „Maximal"-Drehzahl realisiert werden kann.
Die wesentlichen Nachteile dieser Bauform liegen neben dem sehr komplexen Aufbau und der zwangsläufig daraus resultierenden großen, einen hohen Platzbedarf erfordernden, fertigungs- und montagekostenintensiven sowie schweren Bauform, auch in den hohen Verlustleistungen einerseits durch die Wirbelströme und andererseits durch die Reibverluste, wie aber auch in einer bei dieser Bauform fehlenden „fail-safe" Funktion, d.h. ist diese Bauform stromlos so kann zwangsläufig nur eine verminderte Pumpenleistung erbracht werden.
Eine andere regelbare Bauform wird in der EP 1 326 028 B1 vorbeschrieben. Bei dieser Bauform wird das Antriebsdrehmoment der Kühlmittelpumpe von einer Riemenscheibe über eine regelbare, elektronisch gesteuerte Viskokupplung auf das Flügelrad übertragen.
Auch diese Bauform weist wiederum einen sehr komplexen Aufbau auf, ist groß und schwer, erfordert zudem einen hohen Platzbedarf sowie hohe Fertigungs- und Montagekosten.
Darüber hinaus erfordert diese Bauform zudem zwingend stets einen Drehzahlsensor zur „Rückmeldung" der jeweiligen Kühlmittelpumpendrehzahl. Dabei kann das Potential dieser teuren Bauform für niedrige Drehzahlen beim Antrieb der Kühlmittelpumpen gar nicht ausgeschöpft werden, da, wie bereits erläutert, Kühlmittelpumpen stets 50% der jeweils maximalen Fördermenge für die AGR-Kühlung bereit stellen müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Kühlmittelpumpe für Kraftfahrzeuge zu entwickeln, die die vorgenannten Nachteile vermeidet und auch, oder gerade bei größeren Verbrennungsmotoren, beispielsweise denen von Lastkraftwagen eingesetzt werden kann, und die dann über einen hohem Gesamtwirkungsgrad verfügt, dabei aber nur einen minimierten Bauraum bei minimiertem Eigengewicht erfordert zudem robust und störunanfällig aufgebaut ist, auch keinen Drehzahlsensor benötigt und einfach sowie kostengünstig herstellbar ist, zudem unter allen Einsatzbedingungen stets zuverlässig und störunanfällig arbeitet und zudem über eine „fail-safe" Funktion verfügt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kühlmittelpumpe für Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des Hauptanspruches der Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungen, Einzelheiten wie auch weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen zur erfindungsgemäßen Lösung.
Nachfolgend soll nun die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit zwei Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen dabei die:
1: die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore im Betriebszustand der „Volllast" in der Seitenansicht im Schnitt;
2: die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore in der Seitenansicht im Schnitt (analog der 1) jedoch im Betriebszustand der „Teillast".
Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore im Betriebszustand der „Volllast" in der Seitenansicht im Schnitt, mit einem Pumpengehäuse 1.
Diese Kühlmittelpumpe verfügt über ein in einem Lagersitz im Pumpengehäuse 1 angeordnetes Pumpenlager 2, eine im Pumpenlager 2 drehbar gelagerte Pumpenwelle 3, eine endseitig auf der Pumpenwelle 3 direkt oder mittels Flansch 4 angeordnete Keilriemenscheibe und ein auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle 3 angeordnetes Flügelrad 5 mit einem Boden 6, Schaufeln 7 und einer Deckscheibe 8.
Erfindungswesentlich ist nun, dass am Flügelrad 5 zwischen dem Boden 6 und der Deckscheibe 8 eine Trennscheibe 9 angeordnet ist an deren Außenradius ein Dichtbund 10 angeordnet ist, wobei am Boden 6 eine Führungsplatte 11 angeordnet ist, in der über den Umfang gleich verteilt Bolzenführungsbohrungen 12 angeordnet sind, wobei in der Führungsplatte 11 dem Flügelrad 5 abgewandt zwischen den Bolzenführungsbohrungen 12, ebenfalls über den Umfang der Führungsplatte 11 gleich verteilt, Federsitze 13 angeordnet sind.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist auch, dass der Dichtbund 10 den Außenrand 14 der Deckscheibe 8 radial überragt.
Kennzeichnend ist weiterhin, dass in den Bolzenführungsbohrungen 12 linear gleitend Führungsbolzen 15 angeordnet sind, die mit der Rückwand 16 eines mit einem Ringmantel 17 versehenen Schiebers 18 verbunden sind. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass an der Rückwand 16 den Federsitzen 13 in der Führungsplatte 11 gegenüberliegend Federanlagen angeordnet sind, wobei zwischen jedem Federsitz 1 und der zugeordneten Federanlage jeweils eine Druckfeder 20 angeordnet ist. Diese Druckfedern 20 sind „bestrebt" den Schieber stets in die Stellung der maximalen Fördermenge des Laufrades zu verfahren und gewährleisten somit eine „fail-safe" Funktion. Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang auch, dass mittig in einem oder mehreren der in der Führungsplatte 11 angeordneten Federsitze 13 für eine noch exaktere und somit sehr leichtgängige Führung des Schiebers jeweils ein Federführungsbolzen 19 befestigt ist, der durch eine gegenüberliegend zugeordnete mittig zur Federanlage in der Rückwand 16 des Schiebers 18 angeordneten Führungsbohrung hindurchragt.
Vorteilhaft für eine sehr einfache Montage und Demontage der Pumpenbaugruppen ist, wenn endseitig dieses Federführungsbolzen 19 ein Sicherungsring angeordnet ist.
Um nun die erfindungsgemäße Verfahrbarkeit des Schiebers zwischen den Betriebszuständen „Volllast" und „Teillast" zu bewirken ist im Pumpengehäuse 1 erfindungsgemäß eine Schieberkammer 21 angeordnet, in der der Schieber 18 frei verfahren werden kann.
In Verbindung mit dem Einsatz der größeren Verbrennungsmotore ist es beispielsweise auch bei Lastkraftwagen üblich, dass u.a. zum Betrieb des Bremssystems im Betriebszustand des Fahrzeuges stets Druckluft bereitgestellt wird, und deren Bereitstellung daher keines zusätzlichen Aufwandes bedarf.
Erfindungsgemäß ist nun, dass am Pumpengehäuse 1 eine Druckluftzuleitung 22 angeordnet ist, welche in einen im Pumpengehäuse 1 angeordneten Ringkanal 23 mündet, wobei zwischen dem Ringkanal 23 und der Schieberkammer 21 über den Umfang gleichverteilt Kolbenkammern 24 angeordnet sind, in denen sich Antriebskolben 25 mit endseitig zur Schieberkammer 21 angeordneten Führungszapfen 26 befinden, welche in einen an der dem Flügelrad 5 abgewandten Seite der Rückwand 16 des Schiebers 18 anliegenden Druckring 27 hineinragen und fest mit diesem Druckring 27 verbunden sind.
Wird nun mittels eines Regelventils die Druckluftzuleitung 22 mit Druckluft beaufschlagt, so strömt diese über den Ringkanal 23 gleichmäßig in die beispielsweise zueinander um 120° versetzt, gleichverteilt über den Umfang des Druckringes 27 angeordneten Kolbenkammern 24.
Diese nun gleichmäßig in alle Kolbenkammern 24 einströmende Druckluft bewirkt infolge der erfindungsgemäßen Anordnung ein gleichzeitiges Verfahren aller Antriebskolben 25. Da an den Antriebskolben 25 endseitig zur Schieberkammer 21 Führungszapfen 26 angeordnet sind, die starr mit dem Druckring 27 verbunden sind, wird mittels der Druckluft nun der Druckring gleichmäßig in Richtung des Flügelrades 5 verfahren. Da erfindungsgemäß der Druckring an der dem Flügelrad 5 abgewandten Seite der Rückwand 16 des Schiebers 18 anliegt, wird so der Schieber entgegen der Federkraft der Druckfedern 20 verfahren bis die Stirnseite des Ringmantels 17 des Schiebers 18 am Dichtbund 10 der Trennscheibe 9 anliegt und so den hinteren Teil des erfindungsgemäß geteilten Flügelrades überdeckt, d.h. verschließt, so daß nur noch der vordere Teil des Flügelrades Kühlmittel fördert.
Dieser Betriebszustand der „Teillast" der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe ist nun in der 2 dargestellt.
Da mittels der erfindungsgemäßen Lösung ein Teil der vom Flügelrad bereitgestellten Fördermenge, wie in der 2 dargestellt, definiert „abgeschaltet" werden kann, verringert sich zwangsläufig im Teillastbetrieb wesentlich auch die für den Antrieb der Kühlmittelpumpe erforderliche Antriebsleistung, so dass die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe somit über einen hohem Gesamtwirkungsgrad verfügt.
Zudem bewirkt die erfindungsgemäße Anordnung gegenüber herkömmlichen Lösungen einen minimierten Bauraum bei minimiertem Eigengewicht und ist zudem sehr robust und störunanfällig aufgebaut.
Vorteilhaft ist auch, dass die vorliegende erfindungsgemäße Lösung keine zusätzlichen Baugruppen wie beispielsweise einen Drehzahlsensor benötigt. Dabei ist die hier vorliegende erfindungsgemäße Anordnung zudem einfach und kostengünstig herstellbar und arbeitet unter allen Einsatzbedingungen stets zuverlässig und störunanfällig. Infolge der erfindungsgemäßen Anordnung der Druckfedern 20 ist zudem „fail-safe" Funktion gewährleistet.
Erfindungswesentlich ist auch, dass der Ringkanal 23 in den Lagersitz integriert ist und beidseitig des Ringkanals 23 im Lagersitz jeweils ein O-Ring 28 angeordnet ist.
Dies Bauform gewährleistet bei sehr einfacher und kostengünstiger Herstellung und Montage eine hohe Zuverlässigkeit.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist auch, dass am Außenrand der Führungsplatte 11 ein Dichtring 29 angeordnet ist, welcher ein zuverlässiges Abregeln des „hinteren" Teils des Flügelrades 5 gewährleistet und somit einen hohen Gesamtwirkungsgrad bewirkt
Vorteilhaft ist auch, dass an der Stirnseite des Ringmantels 17 eine Dichtkante 30 angeordnet ist. Diese Dichtkante 30 bewirkt ein strömungsgünstiges, zuverlässiges „Schließen" und eine optimale Abdichtung in Verbindung mit dem Dichtbund 10.

1: Pumpengehäuse
2: Pumpenlager
3: Pumpenwelle
4: Flügelrad
5: Flügelrad
6: Boden
7: Schaufel
8: Deckscheibe
9: Trennscheibe
10: Dichtbund
11: Führungsplatte
12: Bolzenführungsbohrung
13: Federsitz
14: Außenrand
15: Führungsbolzen
16: Rückwand
17: Ringmantel
18: Schieber
19: Federführungsbolzen
20: Druckfeder
21: Schieberkammer
22: Druckluftzuleitung
23: Ringkanal
24: Kolbenkammer
25: Antriebskolben
26: Führungszapfen
27: Druckring
28: O-Ring
29: Dichtring
30: Dichtkante

Claims

Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1), einem in einem Lagersitz im Pumpengehäuse (1) angeordneten Pumpenlager (2), einer im Pumpenlager (2) drehbar gelagerten Pumpenwelle (3), einer endseitig auf der Pumpenwelle (3) direkt oder mittels Flansch (4) angeordneten Keilriemenscheibe und einem auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle (3) angeordneten Flügelrad (5) mit einem Boden (6), Schaufeln (7) und einer Deckscheibe (8), wobei vorgesehen ist, – dass am Flügelrad (5) zwischen dem Boden (6) und der Deckscheibe (8) eine Trennscheibe (9) angeordnet ist an deren Außenradius ein Dichtbund (10) angeordnet ist, und – dass am Boden (6) eine Führungsplatte (11) mit in dieser über den Umfang gleich verteilt angeordneten Bolzenführungsbohrungen (12) angeordnet ist, und – dass in der Führungsplatte (11) zwischen diesen Bolzenführungsbohrungen (12), dem Flügelrad (5) abgewandt und über den Umfang der Führungsplatte (11) ebenfalls gleich verteilt, Federsitze (13) angeordnet sind, und – dass der Dichtbund (10) radial den Außenrand (14) der Deckscheibe (8) überragt, und – dass in den Bolzenführungsbohrungen (12) linear gleitend Führungsbolzen (15) angeordnet sind, die mit der Rückwand (16) eines mit einem Ringmantel (17) versehenen Schiebers (18) verbunden sind, und – dass an der Rückwand (16) den Federsitzen (13) in der Führungsplatte (11) gegenüberliegend Federanlagen angeordnet sind, wobei zwischen jedem Federsitz (13) und der zugeordneten Federanlage jeweils eine Druckfeder (20) angeordnet ist, und – dass im Pumpengehäuse (1) eine Schieberkammer (21) angeordnet ist, und – dass am Pumpengehäuse (1) eine Druckluftzuleitung (22) angeordnet ist welche in einen im Pumpengehäuse (1) angeordneten Ringkanal (23) mündet, und – dass zwischen dem Ringkanal (23) und der Schieberkammer (21) über den Umfang gleichverteilt Kolbenkammern (24) angeordnet sind, in denen sich Antriebskolben (25) mit endseitig zur Schieberkammer (21) angeordneten Führungszapfen (26) befinden, welche in einen an der dem Flügelrad (5) abgewandten Seite der Rückwand (16) des Schiebers (18) anliegenden Druckring (27) hineinragen und fest mit diesem verbunden sind.
Kühlmittelpumpe, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (23) in den Lagersitz integriert ist und beidseitig des Ringkanals (23) im Lagersitz jeweils ein O-Ring (28) angeordnet ist.
Kühlmittelpumpe, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenrand der Führungsplatte (11) ein Dichtring (29) angeordnet ist.
Kühlmittelpumpe, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnseite des Ringmantels (17) eine Dichtkante (30) angeordnet ist.
Kühlmittelpumpe, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittig in einem oder mehreren der in der Führungsplatte (11) angeordneten Federsitze (13) jeweils ein Federführungsbolzen (19) befestigt ist, der durch eine gegenüberliegend zugeordnete, mittig zur Federanlage in der Rückwand (16) des Schiebers (18) angeordnete Führungsbohrung hindurchragt.
Kühlmittelpumpe, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass endseitig des Federführungsbolzen (19) ein Sicherungsring angeordnet ist.