DE102011084861A1

DE102011084861A1 - Regelbare Kühlmittelpumpe mit hydraulischer Aktorik

Info

Publication number: DE102011084861A1
Application number: DE102011084861A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hurst; Markus POPP
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Regelbare Kühlmittelpumpe (10) für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem einen Nassraum (14) aufweisenden Pumpengehäuse (12), in welchem eine zumindest teilweise hohle Welle (16) gelagert ist, an deren einem Ende ein Flügelrad (18) befestigt ist, welches in einen Saugraum (20) hineinragende Flügel zur Förderung von Kühlwasser aufweist, wobei an dem Flügelrad (18) ein Leitblech (22) angeordnet ist, welches durch einen innerhalb der Welle (16) in einem Druckraum (24) angeordneten Arbeitskolben (26) hydraulisch axial verschiebbar ist, wobei der Arbeitskolben (26) mittels einer Radialkolbenpumpe mit Druck beaufschlagbar ist, wobei die Radialkolbenpumpe einen in radialer Richtung in der Welle (16) in einer hydraulisch mit dem Druckraum (24) verbundenen Kolbenbohrung (28) angeordneten Kolben (30) aufweist, welcher radial außenseitig in einem außen liegenden Exzenter (38) geführt ist, wobei der Exzenter (38) zur Steuerung der Radialkolbenpumpe in radialer Richtung verschiebbar angeordnet und ausgebildet ist. Durch die Integration einer hydrostatischen Radialkolbenpumpe in die regelbare Kühlmittelpumpe (10), insbesondere durch die Integration des Kolbens (30) in die Welle (16) und die Anordnung des externen verschiebbaren Exzenters (38) innerhalb des Nassraumes (14), kann insbesondere in axialer Richtung, zwischen Flügelrad (18) und Riemenscheibe, der für die Aktorik zum Betätigen des Leitbleches (22) benötigte Bauraum verringert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einer hydraulischen Aktorik, insbesondere einer Radialpumpe mit einem verschiebbaren externen Exzenter, und ein Verfahren zur Regelung einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe.
Brennkraftmaschinen sind üblicherweise wassergekühlte Motoren, wobei Kühlwasser mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe in einem geschlossenen Kreislauf durch Kühlkanäle im Bereich der Zylinder zum Kühlen der Brennkraftmaschine gepumpt und anschließend zu einem Luft-Wasser-Kühler befördert wird, wo das erwärmte Wasser mittels des Fahrtwindes wieder heruntergekühlt wird. Die zum zirkulieren des Wassers nötige Kühlmittelpumpe ist hierbei üblicherweise über einen Riemen mit einer Riemenscheibe der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden. Die direkte Koppelung zwischen Kühlmittelpumpe und Kurbelwelle sorgt dabei für eine Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpe von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, so dass bei modernen Brennkraftmaschinen häufig regelbare Kühlmittelpumpen eingesetzt werden, deren geförderter Volumenstrom entsprechend dem Bedarf an Kühlmittel abgestimmt werden kann. Aus der DE 10 2005 004 315 A1 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe bekannt, bei welcher auf einer in einen Pumpengehäuse gelagerten und mittels einer Riemenscheibe angetriebenen Hohlwelle ein Flügelrad und eine Deckscheibe zur Beförderung von über einen Druckstutzen angesaugten Wasser in einen Ringkanal des Pumpengehäuses vorgesehen sind. Des Weiteren ist hinter dem Flügelrad liegend ein Ventilschieber auf der antimagnetischen Hohlwelle platziert, welcher über einen Elektromagneten und entgegen einer Feder axial in Richtung des Flügelrades verschiebbar ist. Das Schieberelement verfügt dabei in seinem Außenbereich über das Flügelrad hinweg greifende, axial verlaufende Auskragungen, mit welchen bei einer Verschiebung des Schieberelements axial in Richtung des Flügelrades der Ringkanal des Pumpengehäuses verschlossen wird und somit eine Kühlwasserförderung der Kühlmittelpumpe unterbleibt.
Nachteilhaft an einer derartigen Anordnung ist, dass die Regelung des Kühlmittelstromes mittels des Ventilschiebers eine aufwendige Mechanik und folglich einen komplizierten Aufbau aufweist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine regelbare Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau aufweist und einen verringerten Bauraum, insbesondere in axialer Richtung, aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüche angegeben.
Die erfindungsgemäße regelbare Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem einen Nassraum aufweisenden Pumpengehäuse, in welchem eine zumindest teilweise hohle Welle gelagert ist, an deren einem Ende ein Flügelrad befestigt ist, welches in einen Saugraum hineinragende Flügel zur Förderung von Kühlwasser aufweist, wobei an dem Flügelrad ein Leitblech angeordnet ist, welches durch einen innerhalb der Welle in einem Druckraum angeordneten Arbeitskolben hydraulisch axial verschiebbar ist, wobei der Arbeitskolben mittels einer Radialkolbenpumpe mit Druck beaufschlagbar ist, wobei die Radialkolbenpumpe einen in radialer Richtung in der Welle in einer hydraulisch mit dem Druckraum verbundenen Kolbenbohrung angeordneten Kolben aufweist, welcher radial außenseitig in einem außen liegenden Exzenter geführt ist, wobei der Exzenter zur Steuerung der Radialkolbenpumpe in radialer Richtung verschiebbar angeordnet und ausgebildet ist.
Die regelbare Kühlmittelpumpe ist über eine Riemenscheibe antreibbar, welche mit der Welle an einem dem Flügelrad gegenüberliegenden Ende verbunden sein kann. Das Flügelrad kann in einen Saugraum hineinragende Flügel aufweisen, wobei durch die Rotation des Flügelrades Kühlwasser über einen Saugstutzen des Pumpengehäuses in den Saugraum saugbar und über die Flügel in einen Ringkanal des Pumpengehäuses beförderbar ist. Das Leitblech ist mittels eines, innerhalb der Hohlwelle in einem Druckraum angeordneten Arbeitskolbens, axial verschiebbar, wodurch das Fördervolumen des Saugraumes der Kühlmittelpumpe variierbar ist. Der Arbeitskolben kann mit einer Rückstellfeder federbelastet sein und axial gegen die Rückstellfeder bei einem Zustellen des Leitbleches verschoben werden. Der Druckraum kann über einen beispielsweise koaxial in der Welle angeordneten Druckkanal mit einer Kolbenbohrung hydraulisch verbunden sein, in welcher ein Kolben einer Radialkolbenpumpe zur Druckerzeugung angeordnet ist. Der durch den Kolben in der Kolbenbohrung erzeugte Druck ist beispielsweise über den Druckkanal in den Druckraum auf den Arbeitskolben übertragbar, welcher die resultierende Kraft und axiale Bewegung beispielsweise über eine Schubstange an das Leitblech übertragen kann. Der Druck kann beispielsweise auch in einen Raum hinter einer Membran geleitet werden, welche wie ein Arbeitskolben das Leitblech axial verschieben kann. Die Kolbenbohrung der Radialkolbenpumpe kann radial in der Welle in Form eines Sackloches ausgebildet sein, welches hydraulisch mit dem Druckraum verbunden ist, beispielsweise über einen Druckkanal. Der Kolben kann mit einer Kolbenfeder federbelastet sein, wobei die Kolbenfeder radial innen in der Kolbenbohrung angeordnet sein kann und den Kolben nach radial außen gegen einen Exzenter presst, welchen der Kolben radial außenseitig kontaktieren kann. Die Kolbenfeder kann in Form einer Druckfeder ausgebildet sein, welche eine Federrate aufweist, die ein kontinuierliches Kontaktieren des radial außenseitigen Kolbenendes an dem Exzenter ermöglicht. Der Exzenter kann ringförmig um die Welle herum ausgebildet sein, wobei der Exzenter im Wesentlichen rechtwinklig zu der Welle innerhalb des Nassraumes, welcher mit Kühlwasser gefüllt sein kann, angeordnet sein kann. Der Exzenter ist von einer ersten Position in eine zweite Position oder umgekehrt verschiebbar ausgebildet und angeordnet. In der ersten Position ist der Exzenter derart angeordnet, dass der Kolben bei einer Rotation der Welle keine Hubbewegung in radialer Richtung durchführt, so dass kein Druck aufgebaut werden kann. In der zweiten Position ist der Exzenter derart angeordnet, dass bei einer Rotation der Welle der radial in der Welle angeordnete Kolben eine Hubbewegung durchführt, wobei der Kolben einen Druck aufbauen kann, welcher auf den Arbeitskolben oder eine Membran zum axialen Verschieben des Leitbleches übertragbar ist. Dabei kann das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, aus dem Kühlkreislauf, insbesondere dem Nassraum, angesaugt, verdichtet und an den Druckraum zum axialen Verschieben des Arbeitskolbens weitergeleitet werden. Der Druckraum kann durch eine Entlüftung wieder geleert werden, wobei das Kühlmittel wieder dem Kühlkreislauf zufließen kann. Die Entlüftung des Druckraumes kann eine passive Entlüftung, beispielsweise über eine Leckage, sein, und/oder eine aktive Entlüftung, wobei der Druckraum über eine gesteuerte, beispielsweise auf den Hub des Kolbens abgestimmte, Entlüftung entleert werden kann. Die Druckerzeugung zum Verstellen des Leitbleches über den Arbeitskolben oder eine Membran erfolgt über die Einstellung einer Exzentrizität, insbesondere über die Einstellung des Exzenters. Die Radialkolbenpumpe kann über eine verstellbare externe Exzentrizität aktiviert, gesteuert und wieder deaktiviert werden, um einen Druck zu generieren, mit welchem direkt das Leitblech über einen Arbeitskolben oder eine Membran verstellbar ist. Die Hubbewegung des Kolbens kann beispielsweise sinusförmig erfolgen, mit einem Kompressionsvorgang und einem Ansaugvorgang pro Umdrehung der Welle. Die Hublänge kann beispielsweise der doppelten Exzentrizität entsprechen, wobei die Exzentrizität der Verstellung des Exzenters in radialer Richtung entspricht. Zur besseren Steuerung der Radialkolbenpumpe kann ein Sensor zur Überwachung der Stellung der Welle und damit des Kolbens vorgesehen sein und/oder ein Sensor zur Überwachung der Stellung des Exzenters. Der Exzenter kann in die erste und/oder zweite Position verschiebbar ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Exzenter in eine beliebige Stellung zwischen der ersten und der zweiten Position verbringbar ausgestaltet sein. Der Aufbau des Druckes zur Betätigung des Arbeitskolbens ist, insbesondere allein, durch die variable Exzentrizität steuerbar. Die Exzentrizität kann beispielsweise eine Festexzentrizität mit einer fest vorgegebenen Position des Exzenters und einem festen Hub, beispielsweise in der zweiten Position, sein, oder eine variable Exzentrizität, wobei der Exzenter stufenlos in eine beliebige Position zwischen der ersten und der zweiten Position mit einem entsprechenden variablen Hub einstellbar ist. In der ersten Position kann der Exzenter beispielsweise einen Nullhub, ein sogenannter Leerlauf oder eine Entlüftung, ermöglichen, und beispielsweise in der zweiten Position einen festen Hub, und/oder in einer variablen Position zwischen der ersten und der zweiten Position einen variablen Hub, ermöglicht, wobei digital (ein/aus) und/oder stufenlos die Geschwindigkeit des Druckaufbaues und der Enddruck steuerbar sind. Dadurch kann eine stufenlose Einstellung der Exzentrizität und damit der Druckes für den Arbeitskolben ermöglicht werden, wodurch die Ansteuerung des Arbeitskolbens verbessert werden kann. Durch die Integration einer hydrostatischen Radialkolbenpumpe in die regelbare Kühlmittelpumpe, insbesondere durch die Integration des Kolbens in die Welle und die Anordnung des externen verschiebbaren Exzenters innerhalb des Nassraumes, kann insbesondere in axialer Richtung, zwischen Flügelrad und Riemenscheibe, der für die Aktorik zum Betätigen des Leitbleches benötigte Bauraum verringert werden. Zudem kann durch die vereinfachte Konstruktion die Montage vereinfacht werden, sowie Kosten für eine aufwändige Aktorik zur Betätigung des Leitbleches eingespart werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Exzenter in einem Exzenterschieber ausgebildet, wobei der Exzenterschieber in radialer Richtung relativ zur Welle und dem Kolben zustellbar ausgebildet ist. Der Exzenterschieber kann eine kreisförmige Exzenteröffnung aufweisen, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Welle und um die Welle herum angeordnet sein kann, wodurch der Exzenter ausgebildet werden kann. In der Exzenteröffnung ist der in der Welle angeordnete Kolben führbar gelagert. Der Exzenterschieber kann radial innenseitig in der Exzenteröffnung eine Führungsbahn, insbesondere einen Kugellageraußenring, zur Führung des Kolbens aufweisen. Der Exzenterschieber ist in dem Nassraum angeordnet und gegen eine Sicherungsfeder in radialer Richtung zur Welle linear verschiebbar, beispielsweise gleitend und/oder wälzend gelagert, ausgebildet und angeordnet. Zur Einstellung einer Exzentrizität kann der Exzenterschieber beispielsweise von der ersten Position in radialer Richtung in die zweite Position verschoben werden, wodurch der Mittelpunkt der Exzenteröffnung von einer Mittelachse der Welle weg verschoben wird, wodurch eine Exzentrizität einstellbar ist und der Kolben eine Hubbewegung ausführt, welche der eigentlichen Mitnahmerotation überlagert ist. Der in dem Exzenter, insbesondere in der Exzenteröffnung, geführte Kolben führt in der zweiten Position des Exzenters eine Hubbewegung aus und generiert einen Druck zur axialen Verschiebung des Arbeitskolbens. Der Exzenterschieber und damit der Exzenter kann digital, dass bedeutet erste oder zweite Position, verschoben werden, oder variabel, wobei eine stufenlose Position zwischen der ersten und der zweiten Position einstellbar ist. Der Exzenterschieber kann durch einen Linearaktor, beispielsweise ein Elektromotor mit einem Schneckentrieb oder einen Magneten, in eine Richtung translatorisch verschiebbar zur Steuerung des Hubes des Kolbens in der Welle ausgebildet sein. Eine Sicherungsfeder kann vorgesehen sein, gegen die der Exzenterschieber verfahren werden kann, wodurch bei einem Ausfall des Linearaktors ein Verschieben des Exzenterschiebers in die erste Position beispielsweise gewährleistet sein kann, wodurch bei einem Ausfall des Linearaktors eine maximale Fördermenge der Kühlmittelpumpe gewährleistet werden kann. Durch den Exzenterschieber kann der in axialer Richtung zur Steuerung des Kolbens und damit zur Betätigung des Arbeitskolbens benötigte Bauraum verringert werden, da zur Steuerung keine axiale sondern eine radiale Bewegung erfolgt und folglich kein zusätzlicher Bauraum in axialer Richtung benötigt wird.
Vorzugsweise ist der Kolben hülsenförmig ausgebildet, wobei der Kolben radial außenseitig eine erste Steueröffnung, insbesondere mindestens einen ersten Steuerschlitz, aufweist. Der hülsenförmig ausgebildete Kolben weist eine Mantelfläche auf und kann radial innenseitig, stirnseitig innerhalb der Kolbenbohrung ein geöffnetes Ende aufweisen und radial außenseitig, dem Exzenter zugewandt, stirnseitig geschlossen ausgebildet sein. Radial außenseitig kann der Kolben in der Mantelfläche eine erste Steueröffnung, insbesondere mindestens einen ersten Steuerschlitz, aufweisen, durch welchen beispielsweise Kühlmittel in den hülsenförmigen Kolben gelangen kann, und durch einen Hub des Kolbens verdichtet werden kann und radial innen aus dem Kolben austreten und in den Druckraum gelangen kann.
Besonders bevorzugt weist der Kolben radial innenseitig eine zweite Steueröffnung, insbesondere mindestens einen zweiten Steuerschlitz, auf. Die zweite Steueröffnung kann radial innenseitig in der Mantelfläche des Kolbens ausgebildet sein, wobei die zweite Steueröffnung dem Druckraum und/oder dem Druckkanal zugewandt sein kann. Die zweite Steueröffnung ermöglicht beispielsweise eine gesteuerte, aktive Entlüftung des Druckraumes. Über entsprechend ausgeformte Steueröffnungen oder Steuerschlitze in der Mantelfläche des Kolbens können Steuerzeiten welche den Ansaug und Kompressionsvorgang definieren, bestimmt werden. Dabei kann es beispielsweise zu einer Kompression kommen, wenn die Steuerschlitze sich innerhalb der Welle in der Kolbenbohrung befinden und sich der Kolben nach radial innen bewegt. Zu einem Ansaugen von Kühlmittel aus dem Nassraum, der unmittelbaren Umgebung hinter dem Flügelrad, kann es kommen wenn die Steuerschlitze sich radial außerhalb der Welle befinden und der Kolben sich nach radial außen bewegt. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Pumpleistung und die Pumpcharakteristik aus der Exzentrizität und der Anordnung der Steueröffnungen für eine gegebene Drehzahlspanne einzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kolben radial außenseitig einen Wälzkörper aufweist, wobei der Wälzkörper in dem Exzenter abrollbar angeordnet und ausgebildet ist. Der Kolben kann radial außenseitig an seiner Stirnseite einen Wälzkörper aufweisen, welcher auf dem Exzenter radial innenseitig abrollen kann und beispielsweise in einer passenden Führungsbahn führbar ist. Der Wälzkörper kann beispielsweise eine Kugel sein, welche beispielsweise zu einem in dem Exzenter und der Exzenteröffnung angeordneten Kugellageraußenring passend dimensioniert sein kann. Das dem Exzenter zugewandte Ende des hülsenförmigen Kolbens kann eine Spitze in Form einer Schaltarretierung aufweisen, wobei beispielsweise eine Kugel von dem hülsenförmigen Kolben radial außenseitig gehalten werden kann und die Kugel exzenterseitig von einer Mehrzahl kleinerer Kugeln gelagert sein kann. Der Kolben ist mit der Mantelfläche in der Kolbenbohrung gelagert und wird von dieser mitgenommen, wobei der Kolben mit dem Wälzkörper auf dem Exzenter abrollen kann. Dadurch können Reibungsverluste und Verschleiß beispielsweise des Kolbens vermindert werden.
Insbesondere weist der Arbeitskolben mindestens einen ersten Leckagekanal auf. Der erste Leckagekanal kann in Form einer durchgängigen, fluiddurchlässigen Bohrung in dem Arbeitskolben und/oder der Membran ausgebildet sein. Durch den ersten Leckagekanal ist der Druckraum beispielsweise mit dem Nassraum hydraulisch verbunden, wodurch eine konstante passive Entlüftung des Druckraumes gewährleistet werden kann. Dadurch kann in Verbindung mit der Rückstellfeder sichergestellt werden, dass bei einem Aussetzten der Radialkolbenpumpe der Druck aus dem Druckraum entweichen kann und der Arbeitskolben das Leitblech in eine Position der maximalen Kühlmittelförderung zurückschiebt.
Vorzugsweise ist ein zweiter Leckagekanal vorgesehen, wobei der zweite Leckagekanal den Druckraum hydraulisch mit der Kolbenbohrung verbindet. Der zweite Leckagekanal kann koaxial zur Längsachse der Welle und/oder dem Druckkanal ausgebildet sein. Der zweite Leckagekanal verbindet den Druckraum hydraulisch beispielsweise mit der Kolbenbohrung, wodurch eine Entleerung des Druckraumes in die Kolbenbohrung ermöglicht wird. In Verbindung mit einer entsprechend angeordneten zweiten Steueröffnung kann eine gesteuerte, aktive Entlüftung des Druckraumes gewährleistet werden.
Besonders bevorzugt ist ein Druckkanal vorgesehen, welcher den Druckraum hydraulisch mit der Kolbenbohrung verbindet, wobei in dem Druckkanal ein Rückschlagventil angeordnet ist. Der Druckkanal kann koaxial zur Welle ausgebildet sein und eine Länge aufweisen, welche den Einbau eines Rückschlagventiles ermöglicht. Das Rückschlagventil ist derart ausgebildet, dass ein Einströmen von dem Kolben komprimierten Kühlmittels durch den Druckkanal in den Druckraum ermöglicht werden kann. Ein Zurückfließen des Kühlmittels von dem Druckraum durch den Druckkanal in die Kolbenbohrung sperrt das Kugelventil. Dadurch kann ein Druckaufbau in dem Druckraum verbessert werden, da ein Entlüften durch den Kolben vermieden werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine wie vorstehend aus- und weitergebildete regelbare Kühlmittelpumpe. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen regelbaren Kühlmittelpumpe mit einem Exzenterschieber kann der in axialer Richtung zur Steuerung des Kolbens und damit zur Betätigung des Arbeitskolbens benötigte Bauraum verringert werden, da zur Steuerung keine axiale sondern eine radiale Bewegung erfolgt und folglich kein zusätzlicher Bauraum in axialer Richtung benötigt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer Kühlmittelpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte: verfahren des Exzenters in eine erste Position ohne Förderhub des Kolbens, verfahren des Exzenters in eine zweite Position mit vollem Förderhub des Kolbens zur Druckbeaufschlagung des Arbeitskolbens. Der Exzenter kann mit Hilfe eines Linearantriebes oder Linearaktors in radialer Richtung zur Welle von einer ersten Position in einer zweite Position oder umgekehrt verfahren oder verschoben werden, wobei in der ersten Position der Exzenter einen radial in der Welle angeordneten Kolben nicht zu einer Hubbewegung auslenkt, und wobei in der zweiten Position der Exzenter maximal in radialer Richtung verschoben ist, wobei die maximale Exzentrizität einstellbar ist, wodurch der Kolben einen vollen Förderhub mit jeder Umdrehung der Welle durchführt. Der Exzenter kann stufenlos zwischen der ersten und der zweiten Position verfahren werden, wodurch eine verbesserte stufenlose Einstellung der Radialkolbenpumpe und damit des Arbeitskolbens zur Auslenkung des Leitbleches ermöglicht werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert. Es zeigen:
1a: eine seitliche schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe;
1b: eine stirnseitige schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe;
2a–d: eine schematische Ansicht einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer festen Exzentrizität und einer aktiven Entlüftung;
3a–d: eine schematische Ansicht einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer festen Exzentrizität und einer passiven Entlüftung;
4a–c: eine schematische Ansicht einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer variablen Exzentrizität und einer aktiven Entlüftung;
5a–c: eine schematische Ansicht einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer variablen Exzentrizität und einer passiven Entlüftung.
Die in 1a dargestellte regelbare Kühlmittelpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 12 mit einem Nassraum 14 auf. In dem Pumpengehäuse 12 ist eine mittels einer Riemenscheibe antreibbare Welle 16 angeordnet, welche an einem Ende ein Flügelrad 18 aufweist, welches in einen Saugraum 20 hineinragende Flügel zur Förderung von Kühlwasser aufweist. An dem Flügelrad 18 ist ein Leitblech 22 angeordnet, welches in den Saugraum 20 axial verschiebbar ausgestaltet ist, wodurch die Förderleistung der Kühlmittelpumpe verringert werden kann. Das Leitblech 22 ist durch einen innerhalb der Welle 16 in einem Druckraum 24 angeordneten Arbeitskolben 26 hydraulisch in axialer Richtung verschiebbar.
Der Arbeitskolben 26 ist mittels eines radial in der Welle 16 in einer Kolbenbohrung 28 angeordneten Kolbens 30 (1b) mit Druck beaufschlagbar, wodurch der Arbeitskolben 26 axial gegen eine Rückstellfeder 32 verschiebbar ist. Der Druckraum 24 ist hydraulisch über einen Druckkanal 34 mit der Kolbenbohrung 28 verbunden. Der Kolben 30 ist hülsenförmig ausgebildet und ist mit einer Druckfeder 36 mit einem nach radial außen gerichteten Druck beaufschlagt. Der Kolben 30 ist radial außenseitig an einem Exzenter 38 in einem Exzenterschieber 40 gelagert. Der Exzenterschieber 40 weist eine Exzenteröffnung 42 auf, in welcher radial innenseitig eine Führung 44, beispielsweise in Form eines Kugellageraußenringes, für den Kolben 30 angeordnet ist. Der Kolben 30 weist radial außen einen Wälzkörper 46 in Form einer Kugel auf, welcher in der Führung 44 des Exzenterschiebers 42 geführt abrollen kann. Der Exzenterschieber 40 ist in radialer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Welle 16 translatorisch verschiebbar ausgebildet. Durch eine Verschiebung des Exzenterschiebers 42 kann eine Exzentrizität für den Kolben 30 eingestellt werden. Die Exzentrizität kann beispielsweise als feste Exzentrizität eingestellt werden, wobei der Exzenterschieber 40 entweder in einer ersten Position angeordnet ist, in der kein Kolbenhub erfolgt, oder in einer zweiten Position, in der der Kolben 30 den größtmöglichen Hub bei einer Drehung der Welle 16 durchführt. Die feste Exzentrizität kann beispielsweise mittels eines Schaltmagneten (nicht dargestellt) eingestellt werden. Weiterhin kann die Exzentrizität als eine variable Exzentrizität ausgebildet sein, wobei der Exzenterschieber 40 stufenlos eine beliebige Zwischenposition zwischen der ersten Position und der zweiten Position einnehmen kann, wodurch eine stufenlose Steuerung des Kolbens 30 und damit des Arbeitskolbens 26 ermöglicht werden kann.
Im Folgenden sollen vier Ausführungsformen der regelbaren Kühlmittelpumpe mit integrierter Radialkolbenpumpe mit einer steuerbaren Exzentrizität näher erläutert werden.
In 2a ist eine feste Exzentrizität mit einer aktiven Entlüftung mit einem Arbeitskolben 26 in einem Druckraum 24 dargestellt, welcher gegen eine Rückstellfeder 32 axial verschiebbar ist. Der Druckraum 24 ist hydraulisch über einen Druckkanal 34 mit der Kolbenbohrung 28 verbunden, in welcher zumindest teilweise der hülsenförmige Kolben 30 angeordnet ist. Der Kolben 30 ist durch eine Druckfeder 36 mit einer nach radial außen wirkenden Federkraft beaufschlagt, welche den Kolben 30 gegen die Führung 44 des Exzenterschiebers (nicht dargestellt) presst. Der Kolben weist eine Mantelfläche 48 auf, welche radial außenseitig eine erste Steueröffnung 50 und radial innenseitig eine zweite Steueröffnung 52 aufweist. Die Führung 44 ist radial außenseitig an der Referenzlinie 54 angeordnet, wobei die eingestellte Exzentrizität e = 0 ist, bei der der Kolben 30 keinen Hub ausführt. Diese erste Position des Exzenters 38 ist eine Nullstellung ohne Förderhub, welche für alle Winkelstellungen α = x° gilt, wobei der Druckraum 24 über den Druckkanal 34 und die zweite Steueröffnung 52 durch den Kolben 30 in den Nassraum 14 aktiv entlüftet werden kann. In die erste Position mit dem Nullhub kann der Exzenter 38 beispielsweise durch eine Sicherungsfeder gedrückt werden. Die feste Exzentrizität kann beispielsweise durch einen Schaltmagneten eingestellt werden. Der Druckraum 24 innerhalb der Welle 16 ist über die erste und zweite Steueröffnung 50, 52 im Kolben 30 mit dem Nassraum 14 hinter dem Flügelrad verbunden, wodurch sich der im Druckraum 24 vorhandene Druck in den Nassraum 14 entlüften kann und das Leitblech über die Rückstellfeder 32 in die Nullstellung gefahren wird. Um das Leitblech 22 vollständig axial zu verschieben, so dass beispielsweise beim Aufwärmen des Verbrennungsmotors kein Kühlwasser gefördert wird, kann beispielsweise ein Schaltmagnet bestromt werden, welcher den Exzenterschieber 40 in radialer Richtung gegen die Sicherungsfeder in die zweite Position maximal zustellt, wodurch eine feste Exzentrizität mit einem festen Hub des Kolbens 30 einstellbar ist. In 2b ist für den Hub des Kolbens 30 die erste Steueröffnung 50 derart ausgestaltet, dass das zuvor angesaugt und komprimierte Kühlmittel in einem unteren Totpunkt des Kolbens 30 an den Druckraum 24 übergeben werden kann, wodurch ein Druckaufbau und eine Bewegung des Leitbleches 22 ermöglicht werden kann. Im weiteren Verlauf der exzentrizitätbedingten Bewegung des Kolbens 30 wird die Entlüftungsstellung mit maximaler Kolbengeschwindigkeit überstrichen, wodurch ein Teil des zuvor aufgebauten Drucks ungewollter Weise wieder abgegeben werden muss (2c). Im Weiteren kann frisches Kühlmedium angesaugt werden solange sich die erste Steueröffnung außerhalb der Welle 16 befindet und der Kolben 30 eine Aufwärtsbewegung durchfuhrt (2d), um anschließend wieder für einen kurzen Augenblick die im Betrieb ungewollte Entlüftungsstellung zu durchfahren bevor die nächste Kompressionsphase durchlaufen wird. Um die angesaugten und komprimierten Massen jeweils gegen das umgebende Kühlmedium bzw. dessen Druckniveau abzudichten erfordert es entsprechende Dichtringe in der Kolbenbohrung und/oder am Kolben. Andernfalls muss mit großen Leckageströmen und damit einhergehendem, reduziertem Steuerdruckmaximum gerechnet werden, welcher aufgrund der fehlenden Dichtung und der damit fehlenden Reibung immer noch hinreichend groß sein könnte.
In 3a ist eine feste Exzentrizität mit einer passiven Entlüftung mit einem Arbeitskolben 26 in einem Druckraum 24 dargestellt, welcher gegen eine Rückstellfeder 32 axial verschiebbar ist. Der Druckraum 24 ist hydraulisch über einen Druckkanal 34 mit der Kolbenbohrung 28 verbunden, in welcher zumindest teilweise der hülsenförmige Kolben 30 angeordnet ist. Der Arbeitskolben 26 weist einen erste Leckagekanal 56 auf, über den der Druckraum 24 passiv in den Nassraum 14 entlüftet werden kann. Der Kolben 30 ist durch eine Druckfeder 36 mit einer nach radial außen wirkenden Federkraft beaufschlagt, welche den Kolben 30 gegen die Führung 44 des Exzenterschiebers (nicht dargestellt) presst. Der Kolben weist eine Mantelfläche 48 auf, in welcher radial außenseitig eine erste Steueröffnung 50 aufweist. Die Führung 44 ist radial außenseitig an der Referenzlinie 54 angeordnet, wobei die eingestellte Exzentrizität e = 0 ist, bei der der Kolben 30 keinen Hub ausführt. Diese erste Position des Exzenters 38 ist eine Nullstellung ohne Förderhub, welche für alle Winkelstellungen α = x° gilt, wobei der Druckraum 24 über radial innenliegenden offenen Boden des Kolbens 30 und den Druckkanal 34 mit dem Nassraum 14 verbunden ist. In die erste Position mit dem Nullhub kann der Exzenter 38 beispielsweise durch eine Sicherungsfeder gedrückt werden. Die feste Exzentrizität kann beispielsweise durch einen Schaltmagneten eingestellt werden. Durch den ersten Leckagekanal 56 ist eine ständige passive Entlüftung des Druckraumes 24 in den umgebenden Nassraum 14 vorgesehen. Durch die Rückstellfeder 32 an dem Arbeitskolben 26 ist dann sichergestellt, dass bei einer nicht aktiven Exzentrizität, beispielsweise in der ersten Position, das Leitblech 22 in die komplett geöffnete Stellung zurückgefahren wird. Die oben beschrieben ungewollte Leckage aus dem Druckraum 24 über die Steueröffnungen 50, 52 tritt hier nicht auf. Über die Lage der ersten Steueröffnung 50 und der voreingestellten, festen Exzentrizität kann die Pumpenleistung bei einer gegebenen Drehzahlspanne auf die Leitblechkraft-Charakteristik angepasst werden.
4a zeigt eine variable Exzentrizität mit einer aktiven Entlüftung mit einem Arbeitskolben 26 in einem Druckraum 24, welcher gegen eine Rückstellfeder 32 axial verschiebbar ist. Der Druckraum 24 ist hydraulisch über einen Druckkanal 34 und einen zweiten Leckagekanal 58 mit der Kolbenbohrung 28 verbunden, in welcher zumindest teilweise der hülsenförmige Kolben 30 angeordnet ist. In dem Druckkanal 34 ist ein Rückschlagventil 60 angeordnet, welches ein Einströmen des Kühlmittels aus der Kolbenbohrung 28 in den Druckraum 24 ermöglicht, jedoch in umgekehrter Richtung sperrt. Der Kolben 30 ist durch eine Druckfeder 36 mit einer nach radial außen wirkenden Federkraft beaufschlagt, welche den Kolben 30 gegen die Führung 44 des Exzenterschiebers (nicht dargestellt) presst. Der Kolben weist eine Mantelfläche 48 auf, welche radial außenseitig eine erste Steueröffnung 50 und radial innenseitig eine zweite Steueröffnung 52 aufweist. Die Führung 44 ist radial außenseitig an der Referenzlinie 54 angeordnet, wobei die eingestellte Exzentrizität e = 0 ist, bei der der Kolben 30 keinen Hub ausführt. Diese erste Position des Exzenters 38 ist eine Nullstellung ohne Förderhub, welche für alle Winkelstellungen α = x° gilt, wobei der Druckraum 24 über den Druckkanal 34 und die zweite Steueröffnung 52 durch den Kolben 30 in den Nassraum 14 aktiv entlüftet werden kann. In die erste Position mit dem Nullhub kann der Exzenter 38 beispielsweise durch eine Sicherungsfeder gedrückt werden. Die variable Exzentrizität kann beispielsweise durch einen Proportionalmagneten eingestellt werden. Durch die variable Exzentrizität kann die Pumpenleistung während des Betriebes über den verschiebbaren Exzenterschieber 40 beeinflusst werden. Zum Verschieben des Exzenterschiebers 42 kann ein Proportionalmagnet verwendet werden, welcher stufenlos bestromt werden kann und somit stufenlos den Exzenterschieber 40 zwischen der ersten Position und der zweiten Position entgegen der Sicherungsfeder zustellen kann. Durch die stufenlose Verstellung kann der Druckkanal 34 von der Kolbenbohrung 28 zum Druckraum 24 nicht als reine Bohrung ausgeführt werden, welche zuverlässig bei jedem Hub des Kolbens 30 freigegeben werden muss, sondern muss als mechanisches, federbelastetes Überdruckventil in Form eines Rückschlagventils 60 ausgebildet sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei jedem Hub das komprimierte Kühlmittel in den Druckraum 24 strömen kann, sofern der Kompressionsdruck größer als der Druck in dem Druckraum 24 ist. Die aktive Entlüftung des Druckraumes erfolgt entsprechend 2a–d über eine zweite Steueröffnung 52 und einen zweiten Leckagekanal 58. In der Nullstellung ohne Exzentrizität e = 0 besteht eine direkte Verbindung vom Druckraum 24 über die erste und zweite Steueröffnung 50, 52 und durch den Kolben 30 in den Nassraum, wodurch der Druckraum 24 entlüftet wird. Diese mögliche Stellung bewirkt auch, dass im Betrieb zweimal pro Umdrehung der Welle entlüftet wird, also eine direkte Verbindung zum umgebenden Nassraum erhält, wodurch ein Druckabfall eintritt, dessen Dauer jedoch sehr gering ist, da in dieser Stellung die Kolbengeschwindigkeit am höchsten ist.
5a zeigt eine variable Exzentrizität mit einer passiven Entlüftung mit einem Arbeitskolben 26 in einem Druckraum 24, welcher gegen eine Rückstellfeder 32 axial verschiebbar ist. Der Druckraum 24 ist hydraulisch über einen Druckkanal 34 mit der Kolbenbohrung 28 verbunden, in welcher zumindest teilweise der hülsenförmige Kolben 30 angeordnet ist. In dem Druckkanal 34 ist ein Rückschlagventil 60 angeordnet, welches ein Einströmen des Kühlmittels aus der Kolbenbohrung 28 in den Druckraum 24 ermöglicht, jedoch in umgekehrter Richtung sperrt. Der Arbeitskolben 26 weist einen ersten Leckagekanal 56 in Form einer Bohrung auf. Der Kolben 30 ist durch eine Druckfeder 36 mit einer nach radial außen wirkenden Federkraft beaufschlagt, welche den Kolben 30 gegen die Führung 44 des Exzenterschiebers (nicht dargestellt) presst. Der Kolben weist eine Mantelfläche 48 auf, welche radial außenseitig eine erste Steueröffnung 50 aufweist, wobei der Kolben radial innenseitig offen ist und eine Länge aufweist, die ein einströmen komprimierten Kühlmittels in den Druckraum 24 ermöglicht. Die Führung 44 ist radial außenseitig an der Referenzlinie 54 angeordnet, wobei die eingestellte Exzentrizität e = 0 ist, bei der der Kolben 30 keinen Hub ausführt. Diese erste Position des Exzenters 38 ist eine Nullstellung ohne Förderhub, welche für alle Winkelstellungen α = x° gilt, wobei der Druckraum 24 über den zweite Leckagekanal 58 in den Nassraum 14 passiv entlüftet werden kann. In die erste Position mit dem Nullhub kann der Exzenter 38 beispielsweise durch eine Sicherungsfeder gedrückt werden. Die variable Exzentrizität kann beispielsweise durch einen Proportionalmagneten eingestellt werden. Wie in der in 4a–c beschriebenen Ausführungsform kann in dieser Ausführungsform die Druckzufuhr zum Druckraum nur über ein federbelastetes Überdruckventil geschehen, da bei einem einstellbaren Hub nicht gewährleistet werden kann, dass die erste Steueröffnung bis in die nötige Position gefahren werden kann um den Kompressionsdruck an den Druckraum 24 zu übergeben. Der zusätzliche zweite Leckagekanal 58 sowie die dazugehörige zweite Steueröffnung 52 können entfallen, da die Entlüftung des Druckraums 24 wieder über einen definierte erste Leckagekanal 56 im Arbeitskolben 26 des Druckraums 24 geschieht, angetrieben durch die vorgespannte Rückstellfeder 32 des Arbeitskolbens 26.
Bezugszeichenliste

10: Kühlmittelpumpe
12: Pumpengehäuse
14: Nassraum
16: Welle
18: Flügelrad
20: Saugraum
22: Leitblech
24: Druckraum
26: Arbeitskolben
28: Kolbenbohrung
30: Kolben
32: Rückstellfeder
34: Druckkanal
36: Druckfeder
38: Exzenter
40: Exzenterschieber
42: Exzenteröffnung
44: Führung
46: Wälzkörper
48: Mantelfläche
50: erste Steueröffnung
52: zweite Steueröffnung
54: Referenzlinie
56: erster Leckagekanal
58: zweiter Leckagekanal
60: Rückschlagventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005004315 A1 [0002]

Claims

Regelbare Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem einen Nassraum (14) aufweisenden Pumpengehäuse (12), in welchem eine zumindest teilweise hohle Welle (16) gelagert ist, an deren einem Ende ein Flügelrad (18) befestigt ist, welches in einen Saugraum (20) hineinragende Flügel zur Förderung von Kühlwasser aufweist, wobei an dem Flügelrad (18) ein Leitblech (22) angeordnet ist, welches durch einen innerhalb der Welle (16) in einem Druckraum (24) angeordneten Arbeitskolben (26) hydraulisch axial verschiebbar ist, wobei der Arbeitskolben (26) mittels einer Radialkolbenpumpe mit Druck beaufschlagbar ist, wobei die Radialkolbenpumpe einen in radialer Richtung in der Welle (16) in einer hydraulisch mit dem Druckraum (24) verbundenen Kolbenbohrung (28) angeordneten Kolben (30) aufweist, welcher radial außenseitig in einem außen liegenden Exzenter (38) geführt ist, wobei der Exzenter (38) zur Steuerung der Radialkolbenpumpe in radialer Richtung verschiebbar angeordnet und ausgebildet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (38) in einem Exzenterschieber (40) ausgebildet ist, wobei der Exzenterschieber (40) in radialer Richtung relativ zur Welle (16) und dem Kolben (30) zustellbar ausgebildet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (30) hülsenförmig ausgebildet ist, wobei der Kolben (30) radial außenseitig eine erste Steueröffnung (50), insbesondere mindestens einen ersten Steuerschlitz, aufweist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (30) radial innenseitig eine zweite Steueröffnung (52), insbesondere mindestens einen zweiten Steuerschlitz, aufweist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (30) radial außenseitig einen Wälzkörper (46) aufweist, wobei der Wälzkörper (46) in dem Exzenter (38) abrollbar angeordnet und ausgebildet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (26) mindestens einen ersten Leckagekanal (56) aufweist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Leckagekanal (58) vorgesehen ist, wobei der zweite Leckagekanal (58) den Druckraum (24) hydraulisch mit der Kolbenbohrung (28) verbindet.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckkanal (34) vorgesehen ist, welcher den Druckraum (24) hydraulisch mit der Kolbenbohrung (28) verbindet, wobei in dem Druckkanal (34) ein Rückschlagventil (60) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine regelbare Kühlmittelpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Regelung einer Kühlmittelpumpe (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte: – verfahren des Exzenters (38) in eine erste Position ohne Förderhub des Kolbens (30), – verfahren des Exzenters (38) in eine zweite Position mit vollem För derhub des Kolbens (30) zur Druckbeaufschlagung des Arbeitskol bens (26).