DE102011052678A1

DE102011052678A1 - Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine sowie Ver-wendung einer solchen Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102011052678A1
Application number: DE102011052678A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Reustle
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe (1) für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse (2), einen im Pumpengehäuse (2) drehbar gelagerten Pumpenrad (3), Strömungskanälen (4, 5, 6) im Pumpengehäuse (2) für das Kühlmittel, sowie mindestens einen im Pumpengehäuse (2) gelagerten, axial verschieblichen Topf (14, 15) zum Einstellen der Förderleistung der Pumpe. Eine solche Pumpe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch zwei übereinander angeordnete Töpfe (14, 15), die gemeinsam axial verschieblich sind und in deren Überlappungsbereich mit seitlichen Öffnungen (21, 22, 23, 28, 29, 30) versehen sind, wobei der eine, erste Topf (15) axial verschieblich ist und der andere, zweite Topf (14,) axial verschieblich und um seine Achse drehbar ist, wobei die Töpfe 14, 15) in einer ersten axialen Stellung außerhalb von zwischen dem Pumpenrad (3) und den Strömungskanälen (4, 5, 6) im Pumpengehäuse (2) gebildeten Bereichen angeordnet sind, und die Töpfe (14, 15) in einer zweiten axialen Stellung in diesen zwischen dem Pumpenrad (3) und den Strömungskanälen (4, 5, 6) im Pumpengehäuse (2) gebildeten Bereichen angeordnet sind, wobei der Durchtrittsquerschnitt des Kühlmittels durch die Töpfe (14, 15) durch Verdrehen der Töpfe (14, 15) zueinander und variable Ausbildung der Überdeckung der Öffnungen (21, 22, 23, 28, 29, 30) der beiden Töpfe (14, 25) einstellbar ist. Diese Kühlmittelpumpe findet insbesondere Verwendung bei einem Kraftfahrzeug, das eine Brennkraftmaschine und zwei Zylinderbänke sowie einen Wärmetauscher aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse, einem im Pumpengehäuse drehbar gelagerten Pumpenrad, Strömungskanälen in Pumpengehäuse für das Kühlmittel, sowie mindestens einem im Pumpengehäuse gelagerten, axial verschieblichen Topf zum Einstellen der Förderleistung der Pumpe. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine besonders vorteilhafte Verwendung einer solchen Kühlmittelpumpe.
Eine Kühlpumpe mit den Merkmalen der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2008 006 451 A1 bekannt. Diese weist einen einzigen im Pumpengehäuse gelagerten, axial verschieblichen Topf zum Einstellen der Förderleistung der Pumpe auf. Dies dahingehend, dass in einer ersten axialen Stellung dieser Topf außerhalb eines zwischen dem Pumpenrad und einem Strömungskanal im Gehäuse gebildeten Bereich angeordnet ist, so dass dort ein nicht reduzierter Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel bereitgestellt ist, während der Topf in einer zweiten axialen Stellung diesen Durchgang komplett verschließt, so dass keine Förderung von Kühlmittel mittels der Kühlmittelpumpe möglich ist. In der ersten Stellung des Topfes lässt sich ein zusätzlicher Drehschieber im Pumpengehäuse mittels eines Stellmotors verdrehen, so dass zwei unterschiedlich große Öffnungen in der Umfangswand des Drehschiebers in unterschiedliche Überdeckung mit Kühlmitteleinlässen der Kühlmittelpumpe gebracht werden können. So ist die jeweilige Strömungsmenge durch das Maß der Überlappung der Öffnungen mit den gegenüberliegenden Einmündungen der Strömungskanäle steuer- bzw. regelbar. – Bei dieser Kühlmittelpumpe findet somit neben einem Topf zum Öffnen und Schließen des pumpenseitigen Abgangs ein Drehschieber zum Einstellen der Durchtrittsquerschnitte für das Kühlmittel beim Übergang von den Strömungskanälen zum Kühlmittelpumpeneinlass Verwendung. Dies bedingt eine baulich aufwendige Gestaltung der Kühlmittelpumpe und zudem unterschiedliche Funktionselemente zum Verstellen des Kühlmitteldurchsatzes der Pumpe.
In der CH 133,892 ist eine Zentrifugalpumpe beschrieben. Diese ist mit mindestens einem ein Pumpenrad umfassenden Drehschieber versehen, durch den das Pumpenrad vom Druckraum des Pumpengehäuses der Zentrifugalpumpe abgesperrt werden kann. Der Drehschieber ist so mit Öffnungen versehen, dass diese durch Verdrehen des Drehschiebers in bzw. aus der Überlappung mit Mündungen von Verbindungskanälen gebracht werden können, die vom Pumpenrad zu dem Druckraum führen. Statt als Drehschieber kann der Schieber auch als axialverschieblicher Ringschieber ausgebildet sein. Der Schieber dient nicht nur dem Abschließen, sondern auch zum Regulieren der Pumpe durch Ändern der Diffusorbreite bzw. Drosseln des Flüssigkeitsdurchgangs. Der Schieber kann durch hydraulisch oder mechanisch wirkende Mittel verschoben werden. Während der Drehschieber ausschließlich durch Drehung um die Rotationsachse des Pumpenrades verschiebbar ist, ist der Ringschieber ausschließlich in Achsrichtung des Pumpenrades verschieblich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlmittelpumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei baulich einfacher Gestaltung der Kühlmittelpumpe eine einfache Verstellung der Förderleistung der Pumpe möglich ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine besondere Verwendung einer solchen Kühlmittelpumpe anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Kühlmittelpumpe der eingangs genannten Art, die gekennzeichnet ist durch zwei übereinander angeordnete Töpfe, die gemeinsam axial verschieblich sind, und in deren Überlappungsbereich mit seitlichen Öffnungen versehen sind, wobei der eine, erste Topf nur axial verschieblich ist und der andere, zweite Topf axial verschieblich und um seine Achse drehbar ist, wobei die Töpfe in einer ersten axialen Stellung außerhalb von zwischen dem Pumpenrad und den Strömungskanälen im Gehäuse gebildeten Bereichen angeordnet sind, und die Töpfe in einer zweiten axialen Stellung in diesen zwischen dem Pumpenrad und den Strömungskanälen im Gehäuse befindlichen Bereichen angeordnet sind, wobei der Durchtrittsquerschnitt des Kühlmittels durch die Töpfe durch Verdrehen der Töpfe zueinander und variable Ausbildung der Überdeckung der Öffnungen der beiden Töpfe einstellbar ist. Hierdurch können insbesondere kleine definierte Volumenströme bei einfacher Verstellung eingestellt werden.
In der ersten axialen Stellung der Töpfe geben diese somit den Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel in der Kühlmittelpumpe vollständig frei, so dass diese Kühlmittelpumpe so funktioniert, als wäre keine Modifikation der Kühlmittelpumpe mit den Töpfen vorgesehen. In der zweiten axialen Stellung der Töpfe hingegen, in der diese in die zwischen dem Pumpenrad und den Strömungskanälen im Gehäuse gebildeten Bereiche eingeführt sind, ist, je nach Drehstellung der beiden Töpfe zueinander und damit der Überdeckung der Öffnungen der beiden Töpfe zueinander, entweder der Durchgang durch die Töpfe gesperrt oder in Abhängigkeit von der Überdeckung der Öffnungen mehr oder weniger geöffnet, bis hin zu einer maximalen Öffnung des Durchgangs der beiden Töpfe. Hierdurch lässt sich bei in zweiter axialer Stellung befindlichen Töpfen das Fördervolumen der Kühlmittelpumpe von Null-Förderung bis zu einer töpfespezifischen Maximalförderung variieren, wobei diese töpfespezifische Maximalförderung des Kühlmittels geringer oder gleich der Förderung des Kühlmittels ist, die sich bei in erster axialer Stellung der Töpfe ergibt.
Die Möglichkeit, die Förderleistung der Kühlmittelpumpe einzustellen, insbesondere stufenlos einzustellen, ermöglicht es, die Kühlmittelpumpe entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu betreiben. So kann z. B. unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine durch Verringerung der Förderleistung der Kühlmittelpumpe auf Null für stehendes Kühlmittel bzw. Kühlwasser in der Brennkraftmaschine eine kürzere Warmlaufphase erreicht werden. Mit zunehmendem Warmlauf wird der Kühlkreislauf zunehmend geöffnet.
Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe weist Strömungskanäle im Pumpengehäuse auf, mit denen die Töpfe, insbesondere der äußere Topf in Wirkstellung gebracht werden können bzw. kann. Jeder Strömungskanal verbindet die Kühlmittelpumpe mit unterschiedlichen, zu durchströmenden Bereichen in der Brennkraftmaschine oder gegebenenfalls auch Bereichen außerhalb der Brennkraftmaschine, die zu kühlen sind.
Unter diesem Aspekt ist eine besondere Verwendung der Kühlmittelpumpe vorgesehen, dahingehend, dass diese bei einem Kraftfahrzeug verwendet wird, das eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken, insbesondere eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken und einen Wärmetauscher aufweist. Für diese beiden Zylinderbänke sind zwei Kühlbereiche vorgesehen, somit zwei Strömungskanäle, die als Zulauf und Rücklauf an die Kühlmittelpumpe angeschlossen sind. Ist ein Wärmetauscher vorhanden, ist ein dritter Strömungskanal vorgesehen, mit Zulauf und Ablauf zur Kühlmittelpumpe. Der Wärmetauscher ist beispielsweise als Öl-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungskanäle auf der Druckseite des Pumpenrads im Pumpengehäuse angeordnet sind. Mittels der Töpfe lässt sich somit eine variable Durchströmung des Pumpengehäuses auf der Druckseite des Pumpenrades einstellen. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Töpfe den Strömungskanälen der Saugseite des Pumpenrades bzw. der Kühlmittelpumpe zuzuordnen.
Konstruktiv besonders günstig lässt sich die Ausbildung der Strömungskanäle, insbesondere der drei Strömungskanäle im Pumpengehäuse verwirklichen, wenn diese spiralförmig im Pumpengehäuse angeordnet sind. Auf einem Vollkreis sind somit drei Abgänge für die Strömungskanäle vorzusehen, die spiralförmig vom Vollkreis abgehen. Das Pumpengehäuse, insbesondere zwei im Bereich der Strömungskanäle geteilten Pumpengehäuseteile weisen somit die spiralförmigen Strömungskanäle auf.
Der Topf ist insbesondere mit einer der Anzahl der Strömungskanäle entsprechenden Anzahl von seitlichen Öffnungen versehen. Jede Öffnung des jeweiligen Topfes kann entsprechend der Drehstellung dieses Topfes in vollständige oder teilweise Überdeckung mit dem zugeordneten Strömungskanal gebracht werden oder aber sich in einer Position befinden, in der diese Öffnung sich mit diesem Strömungskanal nicht überdeckt. Alternativ ist die Anzahl der Öffnungen der beiden Töpfe je nach Anwendung frei wählbar und in der Ausgestaltung der Geometrie variabel gestaltbar. Demnach können die Öffnungen beispielsweise rechteckig oder rund sein.
Durch besondere Gestaltung der korrespondierenden Öffnungen der beiden Töpfe lassen sich unterschiedliche Durchtrittsverhältnisse des Kühlmittels durch die Töpfe erzielen. Ein oder mehrere Öffnungen in den Töpfen weisen beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt, insbesondere mit der kurzen Rechteckseite parallel zur Achse des Topfs angeordnet, auf. Ein oder mehrere Öffnungen in den Töpfen können auch einen Querschnitt aufweisen, der durch einen Rechteckabschnitt und einen Trapezabschnitt gebildet ist, wobei das eine Ende der Öffnung durch eine kurze Rechtsecksseite und das andere Ende der Öffnung durch eine kurze Parallelseite des Trapezes gebildet ist, wobei die kurze Rechteckseite und die kurze parallele Seite parallel zur Achse des Topfs angeordnet sind. Wirken beispielsweise zwei rechteckig gestaltete Öffnungen unterschiedlicher Töpfe zusammen, sind diese Rechtecköffnungen vorzugsweise identisch gestaltet, so dass die beiden Rechtecköffnungen in deren übereinanderliegenden Stellung den vollen Rechteckquerschnitt als Durchlass durch die Töpfe freigeben und durch relatives Verdrehen der Töpfe zueinander diese Öffnung mehr oder weniger verschlossen werden kann, bis zum völligen Verschluss. Bei einem Zusammenwirken einer Öffnung eines Topfes mit rechteckigem Querschnitt mit einer Öffnung des anderen Topfes, die den Rechteckabschnitt und den Trapezabschnitt aufweist, wird beim Verdrehen der beiden Töpfe in einer Richtung zunächst das konisch zulaufende Ende der einen Öffnung mit der anderen Öffnung in Überdeckung gebracht, so dass sich anfänglich, pro Winkelgrad-Drehung der Töpfe zueinander, ein größerer Differenzöffnungsquerschnitt ergibt, bis zum Erreichen des Rechteckabschnitts dieser Öffnung.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der erste, somit nur axial verschiebliche Topf innenliegend und der zweite, somit axial verschieblich und drehbare Topf außenliegend. Alternativ kann je nach Anwendungsfall die Anordnung der Töpfe umgekehrt sein. Die Kühlmittelpumpe ist insbesondere als Zentrifugalpumpe ausgebildet. Zwischen dem Pumpenrad und dem Pumpengehäuse ist insbesondere ein Spalt gebildet, in den die Topfanordnung zum Überführen in die zweite Stellung der Töpfe einfahrbar ist.
Zum Überführen des ersten Topfes von dessen erster Stellung in dessen zweite Stellung ist insbesondere ein Stellmittel vorgesehen. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein eine Unterdruckdose aufweisendes Stellmittel. Zurückgestellt wird das Stellmittel vorzugsweise mittels Federmitteln, die insbesondere auf das Stellmittel einwirken. Die Federmittel bewirken, dass dann, wenn das Stellmittel den ersten Topf nicht beaufschlagt, dieser von dessen zweiter Stellung in dessen erste Stellung zurückbewegt werden kann. Zum axial unverschieblichen, somit gemeinsamen Verstellen der beiden Töpfe, sind diese insbesondere axial unverschieblich ineinander gelagert.
Baulich besonders einfach ist die Lagerung des verstellbaren ersten Topfes ausgeführt, wenn der erste Topf in Lagerstiften axial festgelegt gelagert ist. Diese Lagerstifte sind mittels des Stellmittels axial verschieblich im Pumpengehäuse gelagert.
Die Drehbewegung des zweiten Topfes wird insbesondere durch einen Stellmotor bewirkt. Dieser ist vorzugsweise im Pumpengehäuse gelagert und dient dem Antreiben einer Lagerwelle, in der der zweite Topf im Bereich eines Lagerflansches diese Topfes gelagert ist. Der Lagerflansch ist axial verschieblich in der Lagerwelle gelagert.
Die Erfindung schlägt somit eine stufenlos volumenregelbare Wasserpumpe mit mehreren Abgängen, insbesondere drei Spiralabgängen vor. Diese Wasserpumpe ermöglicht die Regelung von definierten kleinen Volumenströmen. Die Ausbildung der Öffnungen in den Töpfen gestattet eine frei definierbare Volumenschaltstrategie.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 einen Axialschnitt der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe, wobei ein Gehäuseteil des Pumpengehäuses nur teilweise veranschaulicht ist, gezeigt bei in erster axialer Stellung befindlicher Anordnung der beiden Töpfe der Kühlmittelpumpe,
2 in einer räumlichen Ansicht eine Explosionsdarstellung der Kühlmittelpumpe,
3 in einer Darstellung gemäß 2 die Kühlmittelpumpe für den Bereich der beiden Töpfe und der mit diesen zusammenwirkenden Bauteile der Pumpe,
4 eine Ansicht des einen Gehäuseteils des Pumpengehäuses, auf die dem anderen Gehäuseteil zugewandte Fläche gesehen, mit Pumpenrad, in einer Explosionsdarstellung,
5 die durch die beiden Töpfe gebildete Topfanordnung, bei nicht ineinandergesteckten, somit demontierten Töpfen, in einer räumlichen Ansicht,
6 die Anordnung gemäß 5, in einer anderen räumlichen Ansicht,
7 die beiden ineinandergesteckten Töpfe in einer räumlichen Ansicht, veranschaulicht für deren relative Drehstellung, in der die Öffnungen der Töpfe geschlossen sind,
8 die Anordnung gemäß 7, in einer Drehstellung der Töpfe, in der eine geringe Überdeckung der Öffnungen eingestellt ist,
9 die Anordnung gemäß der 7 und 8, in einer Drehstellung der Töpfe, in der die Öffnungen maximal geöffnet sind,
10 einen Schnitt durch die Kühlmittelpumpe gemäß 1, bei in zweiter axialer Stellung der durch die beiden Töpfe gebildeten Topfanordnung, in einer relativen Drehstellung der beiden Töpfe entsprechend 7, somit bei geschlossenen Öffnungen der Töpfe,
11 eine Schnittdarstellung gemäß 10, in einer relativen Drehstellung der Töpfe gemäß 8, somit bei teilweiser Überdeckung der Öffnungen der Töpfe,
12 eine Schnittdarstellung gemäß der 10 und 11, in einer relativen Drehstellung der Töpfe gemäß 9, somit bei maximaler Überdeckung der Öffnungen der Töpfe.
Die 1 und 2 veranschaulichen den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe 1. Diese ist in einem Kreislauf einer Brennkraftmaschine angeordnet. Es handelt sich hierbei um eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken, insbesondere einen Boxermotor. Der Kühlkreislauf weist ferner einen Öl-Wasser-Wärmetauscher auf. Demzufolge sind drei unterschiedliche Bereiche bzw. Komponenten an den Kühlkreislauf angeschlossen.
Die Kühlmittelpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2, ein im Pumpengehäuse 2 drehbar gelagertes Pumpenrad 3 sowie auf der Druckseite des Pumpenrades 3 drei im Pumpengehäuse 2 angeordnete Strömungskanäle 4, 5 und 6 für das Kühlmittel auf. Diese Strömungskanäle sind, wie der Darstellung der 1 und 4 zu entnehmen ist, in zwei das Pumpengehäuse 2 bildende und miteinander verschraubte, als Gussteile ausgebildete Gehäuseteile 7 und 8 integriert. Die genannte Druckseite des Pumpenrades 3 ist mit der Bezugsziffer 9, dessen Saugseite mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Im Gehäuseteil 8 ist drehbar eine Welle 11 gelagert, die im Bereich ihres dem Gehäuseteil 7 zugewandten Endes drehfest das Pumpenrad 3 aufnimmt. Drehfest ist mit dem anderen Ende der Welle 11 eine Nabe 12 verbunden, mit der drehfest ein Riemenrad 13 verbunden ist. Über einen mittels der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Riemen, der das Riemenrad 13 umschlingt, wird die Welle 11 und damit das Pumpenrad 3 angetrieben.
Im Gehäuseteil 8 sind zwei übereinander angeordnete Töpfe 14, 15, somit zwei ineinandergesteckte Töpfe gelagert. Der Topf 14 ist hierbei der Außentopf, der Topf 15 der Innentopf.
Wie der Darstellung der 5 und 6 zu entnehmen ist, weist der Außentopf 14 einen Boden 16 mit kreisrunder radial äußerer Kontur sowie eine zentrale, im Wesentlichen kreisförmige Öffnung 17 auf. Im Bereich dieser Öffnung 17 ist der Boden 16 mit nach innen gerichteten kurzen Vorsprüngen 18 versehen, über die Drehkräfte in den Außentopf 14 einleitbar sind. Gleichmäßig, über einen Vollkreis verteilt, ist der Boden 16 mit drei kreisbogenförmig gekrümmten Langlöchern 19 versehen. Der Außentopf 14 weist ferner, im Bereich des radial äußeren Umfanges des Bodens 16, einen mit diesem verbundenen, sich über eine kurze axiale Länge erstreckenden Zylinderabschnitt 20 auf. Am Umfang ist dieser Zylinderabschnitt 20 mit drei Öffnungen 21, 22, 23 versehen, die einen unterschiedlich großen rechteckigen Querschnitt, bei derselben Erstreckung der Öffnung in Axialrichtung des Zylinderabschnitts 20, aufweisen.
Der Innentopf 15 weist entsprechend der Gestaltung des Außentopfs 14 einen ringförmigen Boden 24 mit zentraler Öffnung 25 sowie einen mit dem radial Äußeren des Bodens 24 verbundenen, sich über eine kurze axiale Länge erstreckenden Zylinderabschnitt 26 auf. Der Außendurchmesser des Zylinderabschnitts 26 ist geringfügig geringer als der Innendurchmesser des Zylinderabschnitts 20, so dass in der ineinandergesteckten Stellung der Töpfe 14 und 15, in der die Böden 16 und 24 unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, ein Spalt zwischen den beiden Zylinderabschnitten 20 und 26 verbleibt, der ein Verdrehen der beiden Töpfe 14 und 15 mit geringer Reibung, bei Berücksichtigung der später beschriebenen Dichtung 34, zueinander gestattet.
Der Boden 24 des Innentopfs 15 ist mit drei Löchern 27 versehen, die jeweils, bezogen auf den Vollkreis des Bodens 24, um einen Winkel von 120° zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Löcher 27 in der einen Verdrehendstellung der beiden Töpfe 14, 15 im Bereich eines Endes des zugeordneten Langlochs 19 positioniert sind und in der anderen Verdrehendstellung der Töpfe 14, 15 im Bereich des anderen Endes des zugeordneten Langlochs 19 angeordnet sind.
Der Zylinderabschnitt 26 des Innentopfes 15 ist mit drei Öffnungen 28, 29, 30 versehen. Die Öffnungen 28 und 30 weisen jeweils rechteckigen Querschnitt auf, entsprechend den Öffnungen 21, 22 und 23, mit der kurzen Rechteckseite parallel zur Achse des jeweiligen Topfes, wobei diese kurze Rechteckseite bei den Öffnungen 21 bis 23 und 28, 30 dieselbe Länge aufweist. Die Öffnung 29 ist durch einen Rechteckabschnitt 31 und einen Trapezabschnitt 32 gebildet. Das eine Ende der Öffnung 29 ist durch eine kurze Rechteckseite, das andere Ende dieser Öffnung 29 durch die kurze Parallelseite des Trapezes gebildet. Die kurze Rechteckseite und die kurze Parallelseite sind parallel zur Achse des Topfes 15 angeordnet und es entspricht die Länge der kurzen Rechteckseite der Länge der kurzen Rechteckseite der anderen Öffnungen. Die Ausbildung der Öffnungsquerschnitte kann entsprechend dem Anwendungsfall der Kühlmittelpumpe 1 variabel angepasst werden, und die jeweilige Form ist frei wählbar.
Wie der Darstellung der 7 bis 10 zu entnehmen ist, sind die Töpfe 14 und 15 so gestaltet, dass bei entsprechender Drehstellung der Töpfe zueinander die Öffnungen 21 und 28 zusammenwirken, die Öffnungen 22 und 29 zusammenwirken, die Öffnungen 23 und 30 zusammenwirken.
Beim Drehen des Außentopfs 14 durch kraftschlüssigen Eingriff der Vorsprünge 18 kann der Außentopf 14, insbesondere maximal, soweit bezüglich des ausschließlich axial verstellbaren Innentopfes 15 verstellt werden, bis die jeweiligen Enden der Langlöcher 19 die Lagerstifte 33 kontaktieren, in denen der Innentopf 15 im Bereich dessen Löcher 27 axial festgelegt gelagert ist.
In der einen Enddrehstellung der ineinandergesteckten Töpfe 14, 15, wie es zur 7 veranschaulicht ist, decken diejenigen Bereiche des Außentopfs 14, die nicht mit den Öffnungen 21, 22, 23 versehen sind, die Öffnungen 28, 29, 30 des Innentopfs 15 vollständig ab, so dass diese verschlossen sind. Demnach ist kein radialer Durchtritt durch die Anordnung der Töpfe 14, 15 möglich.
8 veranschaulicht den Zustand der Anordnung der beiden Töpfe 14, 15 bei einer Relativdrehung der Töpfe um einen Teilwinkel des möglichen Gesamtwinkels aufgrund der Länge der Langlöcher 19. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass der sich konisch erweiternde Trapezabschnitt 32 der Öffnung 29 des Innentopfes 15 in Überdeckung mit der Öffnung 22 des Außentopfs gelangt, so dass durch diese veranschaulichte Teilfläche des Trapezabschnitts 32 eine Durchtrittsöffnung in der Anordnung der Töpfe 14, 15, bezogen auf die zusammenwirkenden Öffnungen 22 und 29 gebildet ist. Hierbei können die anderen Öffnungen 21, 23 im Außentopf 14 nach wie vor mittels des Zylinderabschnitts 26 des Innentopfes 15 vollständig abgedeckt sein oder aber, sofern dies unter dem Aspekt der Kühlstrategie gewünscht ist, teilweise geöffnet sein.
Im Unterschied zu der Situation gemäß 8, bei teilweiser Öffnung des zumindest einen radialen Durchganges durch die Anordnung der Töpfe 14 und 15 und damit teilweiser Förderung, veranschaulicht 9 die Anordnung der beiden Töpfe 14, 15 in der anderen Enddrehstellung der Töpfe. Hierbei ist der Außentopf 14 soweit bezüglich des Innentopfes 15 verdreht, dass der Durchtrittsquerschnitt der Öffnungen 21, 22, 23 des Außentopfs 14 vollständig freigegeben wird und insbesondere, bezogen auf die mit der Öffnung 22 des Außentopfes 14 zusammenwirkende Öffnung 29 des Innentopfs 15, der Rechteckabschnitt 21 der Öffnung 29 mit der Öffnung 22 zusammenwirkt. 9 veranschaulicht somit den Zustand der maximalen Überdeckung der Öffnungen der Anordnung der Töpfe 14, 15 und somit den Zustand der maximalen Teilförderung durch die Anordnung der Töpfe 14, 15. Die Vollförderung der Kühlmittelpumpe 1 wird in der Ausgangsstellung gemäß 1 eingestellt und stellt die Fail-Safe-Stellung dar.
Der weitere Aufbau der Kühlmittelpumpe 1 und deren Wirkungsweise wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 und 10 bis 12 beschrieben:
Zur Abdichtung der Töpfe 14 und 15 im Bereich deren die Öffnungen 21 bis 23 und 28 bis 30 aufweisenden Zylinderabschnitte 20, 26 ist mit dem Zylinderabschnitt 26 des Innentopfes 15 auf dessen Außenseite eine bandartige Dichtung 34 verbunden, die aus EPDM/PTFE besteht. Diese Dichtung 34 weist Ausschnitte bzw. Öffnungen 35 auf, die entsprechend den Öffnungen 28, 29, 30 des Innentopfes 15 ausgebildet sind und in Überdeckung mit diesen positioniert sind. Im Gehäuseteil 8 ist im Bereich dessen dem Pumpenrad 3 abgewandten Endes ein als Unterdruckdose 36 ausgebildetes Stellmittel zum axialen Verschieben der im Gehäuseteil 3 gelagerten drei Lagerstifte 33 gelagert. Bei Unterdruck in einem Druckraum 37 der Unterdruckdose 36 werden die Lagerstifte 33 in Richtung des Pumpenrades 3 bewegt, womit der Innentopf 15 und der über nicht näher dargestellte Mittel axial bezüglich des Innentopfes 15 festgelegte Außentopf 14 in Richtung des Pumpenrades 3 verfahren werden. Hierbei wird der Außentopf 14 im Bereich seines inneren Lagerflansches 38 axial zu einer Lagerwelle 39 verschoben, die um die Achse der Welle 11 drehbar im Gehäuseteil 8 gelagert ist. Die eine Endstellung der Lagerstifte 33 ist in 1, die andere Endstellung der Lagerstifte 33 in den 10 bis 12 veranschaulicht. Liegt kein Unterdruck an der Unterdruckdose 36 an, drücken innerhalb des Druckraums 37 angeordnete Federn 40 die Unterdruckdose 36 und damit die Lagerstifte 32 wieder in deren Ausgangsstellung gemäß 1.
Verdreht wird der Außentopf 14 bezüglich des Innentopfes 15 mittels eines elektrischen Stellmotors 41. Dieser ist drehfest mit einem Zahnrad 42 verbunden, das mit einem Zahnriemen 43 zusammenwirkt. Dieser umschlingt einen als Zahnrad ausgebildeten Abschnitt 44 der Lagerwelle 39, womit diese Lagerwelle 39 mittels des Stellmotors 41 um einen definierten Winkel drehbar ist. Dieser definierte Winkel entspricht dem maximalen Drehwinkel der beiden Töpfe 14, 15 zueinander. Die Lagerwelle 39 ist außen mit sich in deren Axialrichtung erstreckenden Nuten 45 versehen, in die die Vorsprünge 18 des Außentopfs 14 eingreifen. Alternativ kann der Zahnriemen 43 durch ein Zahnrad ersetzt werden, um eine höhere Stellgenauigkeit zu erzielen.
In dem in 1 beschriebenen Betriebszustand der Kühlmittelpumpe 1 befindet sich die Anordnung der beiden Töpfe 14, 15 in der Stellung gemäß 7, somit der geschlossenen Stellung, und es befindet sich die Topfanordnung in einer ersten axialen Stellung außerhalb von zwischen dem Pumpenrad 3 und den Strömungskanälen 4, 5, 6 gebildeten Bereichen. Damit ist bei geöffneter Regeleinheit eine Vollförderung durch das Pumpengehäuse 2 möglich. Der Querschnitt des Pumpengehäuses ist nicht durch die Topfanordnung reduziert.
Im Betriebszustand der Kühlmittelpumpe gemäß 10 ist die Drehstellung der Töpfe 14, 15 zueinander unverändert, somit entspricht diese der in 7 veranschaulichten geschlossene Stellung. Allerdings ist durch Beaufschlagen der Lagerstifte 33 mittels der Unterdruckdose 36 die Anordnung der Töpfe 14, 15 in eine zweite axiale Stellung verschoben, in der die Töpfe innerhalb der zwischen dem Pumpenrad 3 und den Strömungskanälen 4, 5, 6 im Pumpengehäuse 2 gebildeten Bereichen angeordnet sind. Damit ist die Regeleinheit geschlossen; bei dem eingestellten Verdrehwinkel von 0° ergibt sich eine Nullförderung, somit keine Förderung mittels der Kühlmittelpumpe.
Im Betriebszustand gemäß 11, in der sich die Töpfe 14, 15 in einer Relativstellung gemäß 8 befinden, somit bei geschlossener Regeleinheit und einem variablen Verdrehwinkel α, erfolgt eine Teilförderung mittels der Kühlmittelpumpe.
Im Betriebszustand gemäß 12, in der sich die Töpfe 14, 15 in einer Relativstellung gemäß 9 befinden, sind die Öffnungen 21, 22, 23 im Außentopf 14 völlig geöffnet, womit sich eine maximale Förderung durch die Öffnungen der Topfanordnung ergibt. In diesem Zustand ist die Regeleinheit geschlossen und es ergibt sich ein maximaler Verdrehwinkel von 60° mit einer Teilförderungsmenge, die größer ist als die Teilförderungsmenge bei dem kleineren Verdrehwinkel gemäß 11, allerdings kleiner ist als die maximale Fördermenge bei geöffneter Regeleinheit gemäß 1.
Die Realisierung von unterschiedlichen weiteren Schaltstrategien ist außer den in den 7 bis 12 gezeigten Schaltstellungen möglich. Somit kann jede denkbare Kombination der Topfstellungen mit Hilfe der vorliegenden Erfindung eingestellt bzw. ausgewählt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelpumpe
2: Pumpengehäuse
3: Pumpenrad
4: Strömungskanal
5: Strömungskanal
6: Strömungskanal
7: Gehäuseteil
8: Gehäuseteil
9: Druckseite
10: Saugseite
11: Welle
12: Nabe
13: Riemenrad
14: Topf/Außentopf
15: Topf/Innentopf
16: Boden
17: Öffnung
18: Vorsprung
19: Langloch
20: Zylinderabschnitt
21: Öffnung
22: Öffnung
23: Öffnung
24: Boden
25: Öffnung
26: Zylinderabschnitt
27: Loch
28: Öffnung
29: Öffnung
30: Öffnung
31: Rechteckabschnitt
32: Trapezabschnitt
33: Lagerstift
34: Dichtung
35: Öffnung
36: Unterdruckdose
37: Druckraum
38: Lagerflansch
39: Lagerwelle
40: Feder
41: Stellmotor
42: Zahnrad
43: Zahnriemen
44: Abschnitt
45: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008006451 A1 [0002]
CH 133892 [0003]

Claims

Kühlmittelpumpe (1) für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse (2), einen im Pumpengehäuse (2) drehbar gelagerten Pumpenrad (3), Strömungskanälen (4, 5, 6) im Pumpengehäuse (2) für das Kühlmittel, sowie mindestens einem im Pumpengehäuse (2) gelagerten, axial verschieblichen Topf (14, 15) zum Einstellen der Förderleistung der Pumpe, gekennzeichnet durch zwei übereinander angeordnete Töpfe (14, 15), die gemeinsam axial verschieblich sind und in deren Überlappungsbereich mit seitlichen Öffnungen (21, 22, 23, 28, 29, 30) versehen sind, wobei der eine, erste Topf (15) axial verschieblich ist und der andere, zweite Topf (14,) axial verschieblich und um seine Achse drehbar ist, wobei die Töpfe 14, 15) in einer ersten axialen Stellung außerhalb von zwischen dem Pumpenrad (3) und den Strömungskanälen (4, 5, 6) im Pumpengehäuse (2) gebildeten Bereichen angeordnet sind, und die Töpfe (14, 15) in einer zweiten axialen Stellung in diesen zwischen dem Pumpenrad (3) und den Strömungskanälen (4, 5, 6) im Pumpengehäuse (2) gebildeten Bereichen angeordnet sind, wobei der Durchtrittsquerschnitt des Kühlmittels durch die Töpfe (14, 15) durch Verdrehen der Töpfe (14, 15) zueinander und variable Ausbildung der Überdeckung der Öffnungen (21, 22, 23, 28, 29, 30) der beiden Töpfe (14, 25) einstellbar ist.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4, 5, 6) auf der Druckseite des Pumpenrades (3) im Pumpengehäuse (2) angeordnet sind.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (2) drei Strömungskanäle (4, 5, 6), insbesondere drei spiralförmig im Pumpengehäuse (2) angeordnete Strömungskanäle (4, 5, 6) aufweist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Topf (14, 15) mit einer der Anzahl der Strömungskanäle (4, 5, 6) entsprechenden Anzahl von seitlichen Öffnungen (21, 22, 23, 28, 29, 30) versehen ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung oder mehrere Öffnungen (21, 22, 23, 28, 30) in den Töpfen (14, 15) einen rechteckigen Querschnitt, insbesondere mit der kurzen Rechteckseite parallel zur Achse des Topfes (14, 15) angeordnet, aufweisen.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung (29) oder mehrere Öffnungen in dem Topf (15) bzw. den Töpfen einen Querschnitt aufweisen, der durch einen Rechteckabschnitt (31) und einen Trapezabschnitt (32) gebildet ist, wobei das eine Ende der Öffnung (29) durch eine kurze Rechteckseite und das andere Ende der Öffnung (29) durch die kurze Parallelseite des Trapezes gebildet ist, wobei die kurze Rechteckseite und die kurze Parallelseite parallel zur Achse des Topfes (15) angeordnet sind.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung mit rechteckigem Querschnitt in einem Topf (14) mit einer Öffnung mit rechteckigem Querschnitt oder eine Öffnung mit Rechteckabschnitt und Trapezabschnitt im anderen Topf (15) in variable Überdeckung der Öffnungen bringbar ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Topf (15) der durch die beiden Töpfe (14, 15) gebildeten Topfanordnung innenliegend und der zweite Topf (14) außenliegend ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Topfanordnung in eine zwischen dem Pumpenrad (3) und dem Pumpengehäuse (2) gebildeten Spalt in die zweite Stellung der Töpfe (14, 15) einfahrbar ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellmittel (36) zum Überführen des ersten Topfs (15) von dessen erster Stellung in dessen zweite Stellung vorgesehen ist, insbesondere ein eine Unterdruckdose aufweisendes Stellmittel.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Federmittel (40) entgegen der Stellkraft des Stellmittels (36) auf das Stellmittel (36) einwirken.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Topf (15) in Lagerstiften (33) axial festgelegt gelagert ist, die mittels des Stellmittels (36) axial verschieblich im Pumpengehäuse (2) gelagert sind.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpengehäuse (2) ein Stellmotor (41) zum Antreiben einer Lagerwelle (39) für den zweiten Topf (14) gelagert ist, wobei ein Lagerflansch (38) des zweiten Topfs (14) axial verschieblich in der Lagerwelle (39) gelagert ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Topf (15) relativ zum ersten Topf (14) axial unverschieblich angeordnet ist, insbesondere im ersten Topf (14) axial unverschieblich gelagert ist.
Verwendung einer Kühlmittelpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei einem Kraftfahrzeug, das eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken, insbesondere eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken und einen Wärmetauscher aufweist.