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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Pumpenrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Pumpen sind hinlänglich bekannt und werden vielseitig, insbesondere auch im Automobilbereich, zum Beispiel zur Förderung von Kühlmittel, eingesetzt. Die Förderleistung derartiger Pumpen wird dabei üblicherweise über die Drehzahl des Pumpenrades, kurz auch Schaufelrad genannt, geregelt. Üblicherweise wird eine solche Pumpe über einen Riemenantrieb vom Verbrennungsmotor direkt angetrieben.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Pumpe der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine verbesserte Steuerung der Förderleistung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Steuerung einer Förderleistung einer Pumpe, insbesondere einer Kühlmittelpumpe für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug, ein Wachsdehnelement vorzusehen und dieses in einem Ansaugbereich eines Pumpenrades der Pumpe anzuordnen, wodurch die Steuerung der Förderleistung der Pumpe besonders direkt durch die Temperatur des jeweils zu fördernden Fluids, beispielsweise des Kühlmittels, erfolgen kann. Durch die Anordnung des Wachsdehnelementes im Ansaugbereich des Pumpenrades ist dieses vom zu fördernden Fluid bestenfalls umströmt und dadurch bestens wärmeübertragend mit diesem verbunden, woraus kurze Reaktionszeiten bei einer Änderung der Temperatur des zu fördernden Fluids resultieren. Eine derartige erfindungsgemäße Pumpe kann beispielsweise in einem Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, wobei bei einem Kaltstart zunächst das kalte Kühlmittel, das Wachsdehnelement umströmt, so dass dieses sich zunächst nicht ausdehnt und dadurch das Pumpenrad selbst oder einen relativ zu diesem axial verschiebbaren Schieber so hält, dass die Kühlmittelpumpe kein oder nur sehr wenig Kühlmittel zum Verbrennungsmotor fördert. Hierdurch lässt sich insbesondere die Kaltstartphase des Verbrennungsmotors verkürzen, wodurch dieser seine Betriebstemperatur schneller erreicht und dadurch einen geringeren Schadstoffausstoß erzeugt. Mit zunehmender Erwärmung des Kühlmittels dehnt sich das Wachsdehnelement aus und verschiebt entweder das Pumpenrad direkt oder einen das Pumpenrad topfförmig umgebenden Schieber derart, dass das Pumpenrad die Förderung von Kühlmittel zum Verbrennungsmotor aufnimmt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Wachsdehnelementes im Ansaugbereich des Pumpenrades können zudem ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des zu fördernden Fluids sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Pumpenleistung in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur entfallen. Die erfindungsgemäße Pumpe ist somit nicht nur kostengünstiger, sondern zugleich technisch auch deutlich einfacher und dadurch robuster aufgebaut. Von besonderem Vorteil ist, dass auf eine aufwändige, teure und komplexe Erfassung der Fluidtemperatur, Verarbeitung derselben und Steuerung der Pumpenleistung verzichtet werden kann.
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Zweckmäßig wirkt das Wachsdehnelement direkt auf Pumpenrad zur Steuerung der Förderleistung der Pumpe ein und verschiebt dieses hierzu axial. Dabei ist ein das Pumpenrad umgebendes Pumpengehäuse vorgesehen, innerhalb welchem das Pumpenrad in Axialrichtung verstellbar ist und welches eine Vertiefung für das Pumpenrad aufweist, in die das Pumpenrad eintaucht, sofern die Temperatur des zu fördernden Fluids, beispielsweise des zu fördernden Kühlmittels, unterhalb einer vordefinierten Temperatur liegt. Durch das Eintauchen des Pumpenrades in die pumpengehäuseseitige Vertiefung wird ein Pumpenradaustritt vom Pumpengehäuse verschlossen und dadurch bewirkt, dass die Pumpe nicht oder nur marginal fördert. Eine marginale Förderrate ist dabei unter Umständen wünschenswert, um dem im Ansaugbereich des Pumpenrades angeordneten Wachsdehnelement stetig Fluid zuführen zu können und insbesondere einen Stillstand eines Fluidkreislaufs zu verhindern, da bei einem derartigen Stillstand keine Änderung der Temperatur des zu fördernden Fluides mehr auftreten und dadurch eine Regulierung der Förderleistung der Pumpe mittels des Wachsdehnelementes schwierig werden würde. Alternativ hierzu kann das Wachsdehnelement zur Steuerung der Förderleistung der Pumpe auch auf einen topfförmigen Schieber einwirken, der zwischen einer ersten Stellung, in der er den Pumpenradaustritt verschließt und einer zweiten Stellung, in der er den Pumpenradaustritt freigibt, verstellbar ist. Bei der alternativen Ausführungsform ist somit nicht das Pumpenrad selbst axial verstellbar, sondern lediglich ein dieses topfförmig umgebender Schieber. Die alternative Ausführungsform erfordert insbesondere keine axial verstellbare Kopplung zwischen dem Pumpenrad und einer dieses antreibenden Welle.
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Zweckmäßig ist der Schieber mittels einer Federeinrichtung in seine zweite Stellung vorgespannt. Die Federeinrichtung erfüllt dadurch eine sogenannte fail-save-Funktion und verstellt den Schieber bei Ausfall des Wachsdehnelementes automatisch in seine den Pumpenradaustritt freigebende Stellung, wodurch auf jeden Fall eine ausreichende Kühlung des Verbrennungsmotors gewährleistet werden kann. Eine ähnliche Federeinrichtung ist auch bei der zuerst genannten Alternative der Pumpe vorgesehen, wobei diese Federeinrichtung derart gegen das Pumpenrad vorgespannt ist, dass es aus der pumpengehäuseseitigen Vertiefung herausgedrückt wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Wachsdehnelement in einer Nabe des Pumpenrades angeordnet bzw. das Pumpenrad ist auf das Wachsdehnelement aufgezogen. In diesem Fall bildet somit das Wachsdehnelement die Nabe des Pumpenrades und ist in dieser exponierten Lage besonders gut vom zu fördernden Fluid umströmt, wodurch ein besonders effektiver Wärmeaustausch vom Fluid auf das Wachsdehnelement erfolgen kann. Zugleich ist das erfindungsgemäße Wachsdehnelement in dieser Position besonders bauraumsparend angeordnet, so dass die Steuerung der Pumpe bauraumoptimiert vorgenommen werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe mit einem axial verstellbaren Pumpenrad in einer Nullförderstellung,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch in einer Regelförderstellung,
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einem Überhub des Wachsdehnelements,
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4 eine Schnittdarstellung durch eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe mit einem axial verschiebbaren topfförmigen Schieber in einer Nullförderstellung,
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5 eine Pumpe wie in 4, jedoch bei einer Regelförderstellung,
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6 eine Darstellung wie in 5, jedoch bei einem Überhub des Wachsdehnelements.
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Entsprechend den 1 bis 6, weist eine erfindungsgemäße Pumpe 1, die beispielsweise als Kühlmittelpumpe für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein kann, ein Pumpenrad 2 auf, mittels welchem das zu fördernde Fluid, beispielsweise das zu fördernde Kühlmittel, bewegt und dadurch gefördert wird. Erfindungsgemäß ist nun die Pumpe 1 mittels eines Wachsdehnelementes 3 hinsichtlich ihrer Förderleistung gesteuert bzw. geregelt, wobei das Wachsdehnelement 3 in einem Ansaugbereich 4 des Pumpenrades 2 angeordnet und dadurch gut vom zu fördernden Fluid umströmt ist. Gemäß den 1 bis 3 ist dabei eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe 1 gezeigt, bei welcher das Wachsdehnelement 3 direkt auf das Pumpenrad 2 zur Steuerung/Regelung der Förderleistung der Pumpe 1 einwirkt und dieses dazu axial, das heißt im vorliegenden Fall horizontal, verschiebt. Durch die Anordnung des Wachsdehnelementes 3 im Ansaugbereich 4 des Pumpenrades 2 ist eine besonders gute Wärmekopplung des Wachsdehnelementes 3 zum zu fördernden Fluid und dadurch eine vergleichsweise kurze Reaktionszeit möglich. Mit Strömungspfeilen 5 ist dabei in den einzelnen 1 bis 6 die Durchströmungsrichtung durch die Pumpe 1 aufgezeichnet. Entsprechend der 1, befindet sich dabei die Pumpe 1 in einer Nullförderstellung, wie sie beispielsweise bei einer Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors vorherrscht. Das im Ansaugbereich 4 des Pumpenrades 2 stehende Fluid besitzt dabei eine Temperatur, die unterhalb einer vordefinierten (Grenz-)Temperatur liegt, bei welcher das Wachsdehnelement 3 erst aktiviert wird. Ein Kolben 6 des Wachsdehnelementes 3 befindet sich gemäß der 1 in seiner eingefahrenen Stellung, so dass das Pumpenrad 2 mit einem Pumpenradaustritt 7 in einer Vertiefung eines Pumpengehäuses angeordnet und dadurch verschlossen ist. In diesem Zustand fördert das Pumpenrad 2 nicht oder lediglich marginal.
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Gemäß der 2 ist die erfindungsgemäße Pumpe 1 in einem Regelförderzustand gezeigt, beispielsweise bei warmem Kühlmittel, bei welchem das Wachsdehnelement 3 seinen Kolben 6 soweit ausgefahren hat, dass der Pumpenradaustritt 7 nicht mehr in der Vertiefung des Pumpengehäuses liegt, sondern vielmehr mit einem Pumpenausgang 8 fluchtet und dadurch Kühlmittel fördert. Die gemäß der 2 dargestellte Stellung des Pumpenrades 2 entspricht dabei einer Temperatur des zu fördernden Fluids, die oberhalb der vordefinierten Temperatur liegt, bei welcher das Wachsdehnelement 3 aktiviert wird. Steigt die Temperatur des fördernden Fluids, beispielsweise des zu fördernden Kühlmittels, weiter an, so dehnt sich das Wachsdehnelement 3 weiter aus bzw. stößt seinen Kolben 6 weiter aus, wie dies gemäß der 3 gezeigt ist, wobei dann die maximal mögliche Förderleistung des Pumpenrades 3 weiterhin gewährleistet werden sollte, so dass in dem dann vorliegenden Fall ein Überhub von einer Federeinrichtung 9 aufgenommen wird.
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Bei der Pumpe 1 gemäß den 1 bis 3 ist das Wachsdehnelement 3 direkt in einer Nabe des Pumpenrades 2 angeordnet bzw. das Pumpenrad 2 ist auf das Wachsdehnelement 3 aufgezogen. Die Federeinrichtung 9 ist dabei zwischen dem Pumpenrad 2 und einem Pumpenwellenlager 10 angeordnet und ist Teil einer Kopplungseinrichtung 11, die eine Drehmomentübertragung von einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung auf das Pumpenrad 2 ermöglicht. Durch die Anordnung des Wachsdehnelementes 3 im Bereich der Nabe des Pumpenrades 2 ist dieses direkt vom zu fördernden Fluid angeströmt und dadurch direkt dessen Temperatur ausgesetzt. Hierdurch kann ein besonders schnelles Erwärmen bzw. Erkalten des Wachsdehnelementes 3 und damit ein besonders schnelles Einstellen der Förderleistung der Pumpe 1 erzielt werden. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass auch in der Nullförderstellung, wie diese gemäß der 1 gezeigt ist, ein zumindest geringer Strom an Fluid durch das Pumpenrad 2 gefördert wird, um keinen Stillstand im Fluidkreislauf, insbesondere im Kühlmittelkreislauf zu erhalten. Die zumindest geringe Strömung auch bei einer Nullförderstellung des Pumpenrades 2 ist erforderlich, damit sich im Ansaugbereich 4 des Pumpenrades 2 durch nachströmendes Fluid eine Temperaturänderung einstellen kann.
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Betrachtet man die Pumpe 1 gemäß den 4 bis 6, so kann man erkennen, dass das Wachsdehnelement 3 hier nicht direkt auf das Pumpenrad 2, sondern auf einen topfförmigen Schieber 12 einwirkt. Der topfförmige Schieber 12 ist dabei zwischen einer ersten Stellung, in der er einen Pumpenradaustritt 7 verschließt (vgl. 4) und einer zweiten Stellung, in welcher er den Pumpenradaustritt 7 freigibt (vgl. 5 und 6), verstellbar. 4 zeigt dabei wiederum die Nullförderstellung, das heißt beispielsweise bei kaltem zu fördernden Fluid bzw. kaltem Kühlmittel, in welcher der Kolben 6 des Wachsdehnelementes 3 eingefahren und dadurch der Schieber 12 über den Pumpenradaustritt 7 gestülpt ist. In dieser Stellung erfolgt somit keine oder lediglich eine marginale Förderung des Fluids durch das Pumpenrad 2. Auch hier ist wiederum eine marginale Förderung von Fluid erwünscht, um im Ansaugbereich 4 Temperaturänderungen zuzulassen. Würde das Pumpenrad 2 gar kein Fluid, das heißt gar kein Kühlmittel mehr fördern, so würde das Fluid im Kreislauf stehenbleiben und Temperaturänderungen könnten den Ansaugbereich 4 nicht oder nur deutlich verzögert erreichen, wodurch auch eine lediglich stark zeitlich verzögerte Reaktion des Wachsdehnelementes 3 und damit ein unter Umständen nicht bedarfsgerechte Steuerung der Förderleistung der Pumpe 1 erfolgen könnte.
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Gemäß der 4 ist die Pumpe 1 in einem Regelförderzustand, das heißt bei erwärmten Fluid bzw. erwärmten Kühlmittel gezeigt, bei welchem der Pumpenradaustritt 7 des Pumpenrades 2 mit dem Pumpenausgang 8 fluchtet und dadurch Fluid bzw. Kühlmittel fördert. Die gemäß der 5 gezeigte Stellung tritt dabei erst ab einer Temperatur oberhalb der vordefinierten Temperatur ein, bei welcher sich das Wachsdehnelement 3 aus seiner gemäß der 4 gezeigten Stellung verstellt. Steigt die Temperatur des zu fördernden Fluids bzw. des zu fördernden Kühlmittels weiter an, so kommt es zu einem Überhub, wie dieser gemäß der 6 dargestellt ist, bei welchem das Pumpenrad 2 weiterhin in seiner maximalen Förderstellung verbleibt, sich das Wachsdehnelement 3 jedoch gegen eine Federeinrichtung 9 weiter verformen und dadurch ausdehnen kann. Beim Überhub ist insbesondere zu beachten, dass die maximal mögliche Förderleistung der Pumpe 1 erhalten bleibt und das Wachsdehnelement 3 keinen Schaden nimmt, was durch die Federeinrichtung 9 gewährleistet werden kann.
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Die Pumpe 1, der Schieber 12 und eine Federeinrichtung 9' sind dabei so ausgelegt, dass ab einer gewissen Drehzahl des Pumpenrades 2 durch den sich aufbauenden Flüssigkeitsdruck/Kühlmitteldruck der Schieber 12 entgegen der Federeinrichtung 9' verstellt wird und den Weg für das Kühlmittel freigibt, sodass die Kühlung des Verbrennungsmotors bei hohen Drehzahlen und damit anfallenden hohen Temperaturen gesichert ist. Das heißt bei hohen Drehzahlen ist die Durchflussbegrenzung, die der Schieber 12 bewirkt aufgehoben. Die Fläche an der der Flüssigkeitsdruck anliegt ist im Verhältnis zur Federkonstante der Federeinrichtung 9' so gewählt, dass ab einem bestimmten vorher festgelegten Drehzahlbereich die Kraft auf die Fläche größer ist, als die Kraft die durch die Federeinrichtung 9' auf den Schieber 12 ausgeübt wird. Damit wird erreicht, dass auch bei verzögertem Ansprechen des Wachsdehnelementes 3 bei einem warmen Verbrennungsmotor dieser ausreichend gekühlt wird.
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Die Anordnung des Wachsdehnelementes 3 kann beispielsweise wie in den 1 bis 3 gezeigt, direkt am Pumpenrad 2, insbesondere in einem Nabenbereich desselben erfolgen, oder aber wie in den 4 bis 6 gezeigt, in einem dem Pumpenrad 2 vorgelagerten Ansaugkanal 13, in welchem das Wachsdehnelement 3 zusätzlich abgestützt ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Pumpe 1 und dem insbesondere erfindungsgemäß im Ansaugbereich 4 angeordneten Wachsdehnelement 3 ist eine vergleichsweise einfache und dennoch effektive und zeitnahe Steuerung der Förderleistung der Pumpe 1 möglich, da das Wachsdehnelement 3 derart angeordnet ist, dass es von dem zu fördernden Fluid, beispielsweise von dem zu fördernden Kühlmittel, ständig umströmt und dadurch gut wärmeübertragend mit diesem verbunden ist.
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Um das Wachsdehnelement 3 mit warmem Kühlmittel versorgen zu können, ist gewöhnlich bei der Pumpe 1 ein gewisser Bypasstrom am Schieber 12 vorbei vorgesehen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, um ein schnelleres Ansprechen des Wachsdehnelementes 3 zu erreichen, dieses gezielt mit bereits erwärmtem Kühlmittel aus dem Bereich der Zylinderköpfe des Verbrennungsmotors zu versorgen. Dies kann durch die Verwendung einer kleinen elektrischen oder mechanischen Zusatzpumpe, wie sie bereits für die Erwärmung des Fahrgastraumes in vielen Motoren verbaut ist, vorgesehen sein. Hierzu müsste lediglich ein weiterer Kanal, bzw. Teil des Zusatzkreislaufs, zur Hauptkühlmittelpumpe führen. Es könnte auch eine weitere Zusatzpumpe mit einem weiteren Zusatzkreislauf vorgesehen werden, der genau diesen Zweck erfüllt. Alternativ könnten auch einfache Verbindungkanäle zwischen den Zylinderköpfen des Verbrennungsmotors und der (Hauptkühlmittel-)pumpe 1 die schnellere Erwärmung des Wachsdehnelementes 3 bewirken.
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Die hier beschriebene Pumpe 1 kann Teil eines Thermomanagementmoduls eines Verbrennungsmotors sein, das weitere Elemente wie bspw. einen Kühlmittelkühler, mindestens eine Ventileinrichtung, einen Ölkühler, mindestens einen Ölfilter, eine Ölpumpe und Kühlmittel- und Ölführungskanäle enthalten oder aufweisen kann. Durch die geschickte und platzsparende Anordnung der hier aufgezählten Elemente in einem Thermomanagementmodul kann der Verbrennungsmotor kompakter gebaut werden und ist einfacher her zu stellen.
