DE102010044167A1 - Pumpe - Google Patents

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0027Varying behaviour or the very pump
    • F04D15/0038Varying behaviour or the very pump by varying the effective cross-sectional area of flow through the rotor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00Pumping installations or systems
    • F04D13/12Combinations of two or more pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00Control
    • F05D2270/60Control system actuates means
    • F05D2270/64Hydraulic actuators

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe (1), insbesondere eine Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug, mit – einem auf einem Pumpenwelle (2) angeordneten Laufrad (3), – einem verstellbaren Schieber (4), der über das Laufrad (3) verschoben werden kann und dadurch eine Förderrate der Pumpe (1) regelt, – einer ebenfalls auf dem Pumpenwelle (2) angeordneten Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6), zum Aufbau eines den Schieber (4) steuernden Fluiddrucks, – mit einer Ventileinrichtung (7), die eine Saugseite und eine Druckseite der Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6) voneinander trennt oder verbindet und dadurch den von der Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6) aufbaubaren Fluiddruck zum Verstellen des Schiebers (4) steuert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug, mit einem auf einer Pumpenwelle angeordneten Laufrad.
  • Kühlmittelpumpen dienen in Kraftfahrzeugen üblicherweise der Steuerung eines Kühlmittelstroms zur Kühlung eines Verbrennungsmotors, wobei die Förderrate derartiger Kühlmittelpumpen in Abhängigkeit des Kühlbedarfs geregelt wird. So ist insbesondere während einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors eine Kühlung nicht nur nicht erforderlich, sondern sogar unerwünscht, da sie die Kaltstartphase verlängert und dadurch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch sowie erhöhte Schadstoffemissionen erzeugt. Eine Regelung bzw. Steuerung der Förderrate der Kühlmittelpumpen erfolgt dabei üblicherweise über elektromagnetisch ansteuerbare Ventile oder Kupplungen oder andersartige Ventile.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Pumpe, insbesondere für eine Kühlmittelpumpe, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere kompakt baut.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Pumpe, insbesondere bei einer Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug, mit einem auf einer Pumpenwelle angeordneten Laufrad einen verstellbaren Schieber vorzusehen, der über das Laufrad verschoben werden kann oder alternativ das Laufrad zu verschieben und dadurch eine Förderrate der Pumpe regelt. Erfindungsgemäß ist nun zusätzlich auf der Pumpenwelle der Pumpe eine Sekundärpumpe beispielsweise in Form einer Verdrängerpumpe angeordnet, die zum Aufbau eines den Schieber steuernden Fluiddrucks dient. Zwischen einer Saugseite und einer Druckseite der Verdrängerpumpe ist dabei eine Ventileinrichtung angeordnet, die die Saugseite und die Druckseite voneinander trennt bzw. miteinander verbindet und dadurch den von der Sekundärpumpe bzw. der Verdrängerpumpe aufbaubaren Fluiddruck zum Verstellen des Schiebers steuert. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe kann zum Verstellen des die Förderrate der Pumpe regelnden Überdrucks die Rotationsenergie der Pumpenwelle der Pumpe genutzt werden, da dieser nicht nur das Laufrad, das heißt das Pumpenrad, zur Förderung von bspw. Kühlmittel trägt, sondern zugleich auch eine entsprechende Sekundärpumpe in Form einer Verdrängerpumpe mit einem Rotorsatz, die denjenigen Fluiddruck aufbaut, mit welchem der Schieber verstellt wird. Durch die erfindungsgemäß positionierte Ventileinrichtung kann somit bspw. während einer Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors die Saugseite von der Druckseite der Verdrängerpumpe getrennt werden, so dass die Verdrängerpumpe einen Druck aufbaut, der den Schieber in seine Schließstellung verstellt. Bei zunehmender Dauer der Kaltstartphase, das heißt bei zunehmender Erwärmung des Verbrennungsmotors, kann die Ventileinrichtung sukzessive geöffnet werden, wodurch eine zunehmende Verbindung zwischen der Druckseite und der Saugseite der Verdrängerpumpe erfolgt und dadurch der von der Verdrängerpumpe erzeugte Fluiddruck zunehmend absinkt. Durch das Absinken des Fluiddrucks verstellt sich der über den Fluiddruck der Verdrängerpumpe gesteuerte Schieber in seine Öffnungsstellung, wodurch das Pumpenrad der Pumpe zunehmend mehr Fluid, das heißt zunehmend mehr Kühlmittel fördert und dadurch den stetig steigenden Kühlbedarf des Verbrennungsmotors befriedigt. Durch die ebenfalls auf der Pumpenwelle der Pumpe angeordnete Verdrängerpumpe kann somit die Rotationsenergie der Pumpenwelle zugleich zum Aufbau eines den Schieber und damit die Förderrate der Pumpe steuernden Fluiddrucks verwendet werden, so dass weitere, aufwendige und teure Stelleinrichtungen entfallen können. Für die gesamte Anmeldung soll die erwähnte Verdrängerpumpe eine mögliche Ausführungsform der Sekundärpumpe sein, wobei die Begriffe synonym verwendet werden können.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist die Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe eine selbstregelnde Druckbegrenzungseinrichtung auf. Eine derartige selbstregelnde Druckbegrenzungseinrichtung schließt ab einem gewissen von der Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe aufgebauten Fluiddruck den Schieber, woraufhin die Förderrate der Pumpe reduziert wird. Eine derartige Druckbegrenzungseinrichtung dient insbesondere zur Vermeidung von Schäden, die bei zu hohen durch die Verdrängerpumpe oder die Pumpe selbst aufgebauten Drücken an diesen selbst oder an damit verbundenen Aggregaten entstehen können. Eine derartige Druckbegrenzungseinrichtung kann bspw. zumindest zwei radial verstellbar an der Verdrängerpumpe angeordnete Flügel aufweisen, die mittels jeweils einer Feder in eine fördernde Stellung gegen einen Stator vorgespannt sind. Bei einem in der Verdrängerpumpe herrschenden Fluiddruck unterhalb eines kritischen Wertes befinden sich somit die beiden Flügel aufgrund der darauf wirkenden Federn in ihrer ausgefahrenen und damit fördernden Stellung, wogegen die Flügel bei steigendem Fluiddruck innerhalb der Verdrängerpumpe entgegen der jeweiligen Federkraft radial nach innen gedrückt werden, wodurch ein Spalt zwischen diesem und einem außenliegenden Stator entsteht, durch den das zu fördernde Fluid fließt und durch den der innerhalb der Verdrängerpumpe herrschende Fluidausgangsdruck begrenzt werden kann. Je stärker der Fluiddruck innerhalb der Verdrängerpumpe ist, desto mehr werden die beiden Flügel nach innen gedrückt und damit die Förderrate der Verdrängerpumpe reduziert. Bei nachlassendem Fluiddruck innerhalb der Verdrängerpumpe sorgen die beiden mit den Flügeln gekoppelten Federn dafür, dass die Flügel wieder nach radial außen und damit in ihre fördernde Stellung zurück verstellt werden, in welcher der zwischen diesen und dem Stator auftretende Spalt zunehmend geschlossen wird. Ein Druckausgleich durch diesen Spalt ist somit nicht mehr möglich.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch,
  • 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Pumpe,
  • 2a eine Schnittdarstellung wie in 1, jedoch aus einer anderen Perspektive und mit geöffnetem Schieber,
  • 2b eine Darstellung wie in 2a, jedoch bei geschlossenem Schieber,
  • 3a, b eine Verdrängerpumpe aus unterschiedlichen Ansichten,
  • 4 eine Detaildarstellung einer Druckbegrenzungseinrichtung der Verdrängerpumpe.
  • Entsprechend der 1, weist eine Pumpe 1, die bspw. als Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein kann, einer Pumpenwelle 2 auf, auf welchem drehfest ein Laufrad 3, auch Pumpenrad genannt, angeordnet ist. Das Laufrad 3 fördert durch eine Drehbewegung um eine Achse der Pumpenwelle 2 ein Fluid, bspw. Kühlmittel. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Pumpe 1 einen verstellbaren Schieber 4 auf, der hülsenartig über das Laufrad 3 geschoben werden kann und dadurch einen Auslass 5 mehr oder weniger verschließt und eine Förderrate der Pumpe 1 regelt. Der Schieber 4 ist dabei in Axialrichtung der Pumpe 1 verschiebbar. Ebenfalls auf der Pumpenwelle 2 angeordnet ist eine Verdrängerpumpe 6 (vgl. auch die 2 bis 4) zum Aufbau eines den Schieber 4 steuernden, das heißt verstellenden, Fluiddrucks. Zusätzlich ist eine Ventileinrichtung 7 vorgesehen, die eine Saugseite und eine Druckseite der Verdrängerpumpe 6 voneinander trennt oder miteinander verbindet und dadurch den von der Verdrängerpumpe 6 aufbaubaren Fluiddruck zum Verstellen des Schiebers 4 steuert. Die Ventileinrichtung 7 kann dabei bspw. als elektrisch betätigbares Magnetventil ausgebildet sein. Die Ventileinrichtung 7 kann dabei selbstverständlich nicht nur zwei Extremalstellungen (offen und zu) aufweisen, sondern auch beliebige Zwischenstellungen.
  • Betrachtet man die 2 bis 4, so kann man erkennen, dass die Verdrängerpumpe 6 eine selbstregelnde Druckbegrenzungseinrichtung 8 aufweist mit zwei radial verstellbar an der Verdrängerpumpe 6 angeordneten Flügeln 9 und 9', die mittels jeweils einer Feder 10 und 10' in eine fördernde Stellung gegen einen Stator 11 vorgespannt sind. Die Flügel 9 und 9' sind dabei in Abhängigkeit des Förderdrucks der Verdrängerpumpe 6 nach radial innen und damit in eine nicht oder nur weniger stark fördernde Stellung verstellbar, wobei die Verstellbewegung der dafür erforderliche Fluiddruck von der Federsteifigkeit der Federn 10 und 10' abhängen.
  • Die erfindungsgemäße Pumpe 1 funktioniert dabei als Kühlmittelpumpe bei einem Verbrennungsmotor wie folgt: Während einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, bei dem eine möglichst rasche Erwärmung desselben erwünscht wird, soll die Pumpe 1 kein Kühlmittel zum Verbrennungsmotor fördern und dadurch die Kaltstartphase verkürzen. Während der Kaltstartphase trennt somit die Ventileinrichtung 7 die Druckseite von der Saugseite der Verdrängerpumpe 6, wodurch diese einen Fluiddruck aufbaut, der dann zum Verstellen des Schiebers 4 in seine geschlossene Stellung führt. Der durch die Verdrängerpumpe 6 aufgebaute Fluiddruck wirkt dabei einer Feder 12, die Bestandteil einer Sicherheitseinrichtung 13 ist, entgegen. Durch den Umstand, dass der Schieber 4 den Auslass 5 des Pumpenrads 3 verschließt, wird von der Pumpe 1 kein Kühlmittel zum Verbrennungsmotor gefördert, wodurch dieser schneller auf Betriebstemperatur erwärmt und dessen Kaltstartphase verkürzt wird. Dies ist insbesondere im Hinblick auf einen Kraftstoffverbrauch und im Hinblick auf Stickoxidemissionen von großem Vorteil. Mit zunehmender Erwärmung des Verbrennungsmotors öffnet die Ventileinrichtung 7 eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Saugseite und der Druckseite der Verdrängerpumpe 6, so dass der von dieser erzeugte Fluiddruck absinkt, wodurch die von der Feder 12 ausgeübte Stellkraft zunehmend größer wird im Vergleich zu der vom Fluiddruck ausgeübten und entgegengesetzten Stellkraft. Dies bewirkt ein langsames Verstellen des Schiebers 4 in dessen Öffnungsstellung, wodurch die Pumpe 1 Kühlmittel zum Verbrennungsmotor fördert und diesen dadurch kühlt. Die Feder 12 ist dabei Bestandteil einer Sicherheitseinrichtung 13, die beim Ausfall der Verdrängerpumpe 6 oder der Ventileinrichtung 7 den Schieber 4 derart verstellt, dass die Pumpe 1 die maximale Förderrate und damit die maximale Kühlleistung erbringt.
  • Bei Verdrängerpumpen 6 ist die Begrenzung eines tolerierbaren Fluiddrucks innerhalb der Verdrängerpumpe 6 erforderlich, da ansonsten der Druck stetig ansteigen und zu Schäden an der Verdrängerpumpe 6 bzw. der Pumpe 1 führen kann. Bei zunehmendem Fluiddruck innerhalb der Verdrängerpumpe 6 werden nun die beiden Flügel 9 und 9' entgegen der von den zugehörigen Federn 10, 10' ausgeübten Federkraft nach radial innen verstellt, wodurch sich zwischen den Flügeln 9 und 9' und dem außenliegenden Stator ein Spalt einstellt, durch welchen ein Druckausgleich möglich ist und dadurch Fluiddruck innerhalb der Verdrängerpumpe 6 begrenzt wird. Die Druckbegrenzungseinrichtung 8 wirkt dabei selbstregulierend und bedarf keiner zusätzlichen Steuerungs- bzw. Regelungselemente.
  • Mit der erfindungsgemäßen Pumpe 1 ist es möglich, die Rotationsenergie der Pumpenwelle 2 der Pumpe 1 zugleich zur Erzeugung eines den Schieber 4 verstellenden Fluiddrucks mittels der Verdrängerpumpe 6 zu nutzen, so dass separate druckerzeugende Einrichtungen entfallen können. Durch die Ventileinrichtung 7 ist zudem eine einfache aber besonders wirkungsvolle Steuerung des Schiebers 4 über den in der Verdrängerpumpe 6 herrschenden Fluiddruck möglich. Die in der Verdrängerpumpe 6 vorgesehene Druckbegrenzungseinrichtung 8 gewährleistet darüber hinaus, dass kein, die Verdrängerpumpe 6 beeinträchtigender oder gar beschädigender Fluiddruck innerhalb derselben aufgebaut werden kann. Aufgrund der Federn 10 und 10' arbeitet dabei die Druckbegrenzungseinrichtung 8 autark und bedarf keiner zusätzlichen Steuerung bzw. Regelung. Von besonderem Vorteil ist darüber hinaus, dass die derart konzipierte Pumpe 1 kompakt baut.

Claims (9)

  1. Pumpe (1), insbesondere eine Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug, mit – einem auf einer Pumpenwelle (2) angeordneten Laufrad (3), – einem verstellbaren Schieber (4), der über das Laufrad (3) verschoben werden kann und dadurch eine Förderrate der Pumpe (1) regelt, – einer ebenfalls auf der Pumpenwelle (2) angeordneten Sekundärpumpe, vorzugsweise eine Verdrängerpumpe (6), zum Aufbau eines den Schieber (4) steuernden Fluiddrucks, – mit einer Ventileinrichtung (7), die eine Saugseite und eine Druckseite der Sekundärpumpe, vorzugsweise der Verdrängerpumpe (6), voneinander trennt oder verbindet und dadurch den von der Sekundärpumpe aufbaubaren Fluiddruck zum Verstellen des Schiebers (4) steuert.
  2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (7) ein elektrisch betätigbares Magnetventil aufweist.
  3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6) eine selbst regelnde Druckbegrenzungseinrichtung (8) aufweist.
  4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungseinrichtung (8) zumindest zwei radial verstellbar an der Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6) angeordnete Flügel (9, 9') aufweist, die mittels jeweils einer Feder (10, 10') in eine fördernde Stellung gegen einen Stator (11) vorgespannt sind.
  5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (9, 9') in Abhängigkeit des Förderdrucks der Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6) nach radial innen und damit in eine nicht oder weniger stark fördernde Stellung verstellbar sind.
  6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6) geförderte Fluid und das von der Pumpe (1) geförderte Fluid Kühlmittel ist.
  7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherheitseinrichtung (13) vorgesehen ist, die beim Ausfall der Sekundärpumpe/Verdrängerpumpe (6) den Schieber (4) derart verstellt, dass die Pumpe (1) die maximale Förderrate erbringt.
  8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verstellbare Schieber (4) als Verstellhülse ausgebildet ist, die in Axialrichtung über das Laufrad (3) verschiebbar ist.
  9. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) als Kühlmittelpumpe zum Umwälzen eines Kühlmittels für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
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