DE102012200752A1

DE102012200752A1 - Flügelrad einer Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102012200752A1
Application number: DE201210200752
Authority: DE
Inventors: Markus POPP; Sebastian Hurst
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-07-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe (1), die für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bestimmt ist und die ein Pumpengehäuse (5) umfasst, in der eine angetriebene, ein Flügelrad (10) einschließende Pumpenwelle (6) drehbar gelagert ist. Das mit einer Deckscheibe (12) verbundene Flügelrad (10) fördert mittels Flügel (11) ein Kühlmittel als Volumenstrom über einen Saugstutzen (16) in einen Spiralkanal (17) der Kühlmittelpumpe (1). Der Volumenstrom ist über ein die Flügel (10) übergreifendes Leitblech (20) beeinflussbar. Mit einem Aktor (25) erfolgt eine Verstellung des Leitblechs (20) zwischen einer Rückwand (14) und der einen Saugmund (18) bildenden Deckscheibe (12) des Flügelrades (10'). Eine äußere Druckkante (35, 35') der Flügel (11) verjüngt sich kontinuierlich von der Rückwand (14) ausgehend bis zu dem Saugmund (18) des Flügelrades (10). Weiterhin verändert sich eine von dem Leitblech (20) und den Flügeln (11, 11') bzw. deren Druckkante (35, 35') begrenzte Entlastungsfläche (33) kontinuierlich in Abhängigkeit von einem Schließweg (5) des Leitblechs (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Flügelrad einer Kühlmittelpumpe, die für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bestimmt ist nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei flüssigkeitsgekühlten, insbesondere wassergekühlten Brennkraftmaschinen wird zur Unterstützung der Kühlmittelzirkulation eine Kühlmittelpumpe eingesetzt, die das Kühlmittel in einem Kühlkreislauf durch Kühlkanäle des Kurbelgehäuses und des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine pumpt. Das erwärmte Kühlmedium kann anschließend in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher zurückgekühlt werden. Die Kühlmittelpumpe wird bevorzugt direkt von der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei sich durch die unmittelbare Antriebskoppelung eine Abhängigkeit der Pumpendrehzahl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine einstellt. Daraus folgt, dass unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine das Kühlmittel zirkuliert und sich eine gewünschte schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine verzögert, verbunden mit einem erhöhten Reibungsverlust und Kraftstoffverbrauch und gleichzeitig nachteiligen hohen Emissionswerten. Um diesen Effekt zu vermeiden, werden regelbare Kühlmittelpumpen eingesetzt, deren geförderter Volumenstrom beeinflussbar ist. Nach einem Kaltstart wird zunächst eine Nullförderung der Kühlmittelpumpe angestrebt, bevor anschließend in Abhängigkeit von dem sich einstellenden Temperaturniveau der zur Kühlung der Brennkraftmaschine bestimmte Volumenstrom kontinuierlich ansteigt.
Aus der DE 199 01 123 A1 ist eine Kühlmittelpumpe bekannt, bei der mit einem das Flügelrad außenseitig übergreifenden Leitblech oder Schiebeelement der Volumenstrom beeinflussbar ist. Die Lageposition des Leitblechs kann dabei durch Verdrehen einer gewindeartigen Führung verändert werden. Eine weitere über einen Zugmitteltrieb angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine zeigt die DE 10 2008 046 424 A1 . Zur Einflussnahme auf den Volumenstrom ist dem Flügelrad ein axial verschiebbares Leitblech zugeordnet, das einer Schubstange zugeordnet ist, die innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Pumpenwelle des Flügelrades geführt ist. In Verbindung mit einem als Proportionalmagnet ausgebildeten Stellorgan ist die mit einem Anker verbundene Schubstange axial verschiebbar. Gemäß der DE 10 2005 062 200 A1 umfasst die geregelte Kühlmittelpumpe eine im Pumpengehäuse gelagerte und angetriebene Welle mit zugehörigem Flügelrad und einem pneumatisch oder hydraulisch verstellbaren Ventilschieber, der einen Ausströmbereich des Flügelrades variabel überdeckt. An dem Ventilschieber sind mehrere über den Umfang verteilte Kolbenstangen angeordnet, die im Pumpengehäuse parallel zur Pumpenwelle verlaufen und die in Ringnuten bzw. Bohrungen geführt und mittels Stangendichtungen im Pumpengehäuse abgedichtet sind. Die Kolbenstangen stehen ringnutseitig mit einem Ringkolben in Wirkverbindung, der in einem Druckraum eingesetzt ist. Eine Verschiebung des von Druckfedern beaufschlagten Ringkolbens und des damit verbundenen Ventilschiebers erfolgt über eine Druckbeaufschlagung des Druckraums.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schaltbare oder regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Flügelraddesign zu schaffen, bei dem sich mit dem Schließungsgrad des Leitblechs eine weitestgehend lineare Drosselung des Volumenstroms einstellt.
Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch eine Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die darauffolgenden abhängigen Ansprüche 2 bis 7 geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Der Aufbau der Kühlmittelpumpe gemäß der Erfindung umfasst ein Flügelrad, bei dem sich eine radiale Höhe bzw. eine äußere Druckkante der Flügel von der Rückwand ausgehend bis zu dem Saugmund der Deckscheibe verjüngt. Gleichzeitig vergrößert sich mit fortschreitender Axialposition des Leitblechs in Richtung des Saugmunds kontinuierlich eine von dem Leitblech und der Flügel-Druckkante begrenzte Entlastungsfläche. Somit wird erfindungsgemäß mit zunehmendem Schließweg des Leitblechs die Flügelbreite verringert und gleichzeitig reduzieren sich die vor dem Leitblech verbleibenden Flügelbereiche aufgrund der veränderten radialen Flügelhöhe, wodurch eine aufgabengerechte lineare Drosselung des Volumenstroms realisierbar ist.
Die bisherige Annahme, dass mit bekannten Flügelgeometrien bei einem axialen Verschieben eines Leitblechs der geförderte Volumenstrom weitestgehend linear mit dem Schließungsgrad, der effektiven Flügelbreite, abnimmt, erwies sich als nicht zutreffend. Versuche ergaben, dass der Volumenstrom überproportional auf dem letzten Abschnitt, den letzten 20% des Schließwegs, von dem Leitblech gedrosselt wird, verbunden mit einem steilen Abfall des Förderstroms auf dem letzten Schließwegabschnitt des Leitblechs. Gleichzeitig stellt sich eine große Empfindlichkeit des Volumenstroms auf kleinste Abweichungen der Leitblecheinstellung ein.
Der erfindungsgemäße Druckkantenverlauf ist abweichend von bisher ausgeführten Flügelrädern nicht achsparallel, sondern verläuft variabel, insbesondere von der Flügelrückwand ausgehend zum Saugmund kontinuierlich sich verjüngend. Diese Konfiguration berücksichtigt, dass neben anderen Parametern, wie beispielsweise die Drehzahl des Flügelrades, auch das Druckkantenprofil, insbesondere dessen Durchmesser den Volumenstrom bzw. den erreichbaren Druck der Kühlmittelpumpe beeinflusst. Die Linearisierung des Drosselverhaltens wird dadurch erzielt, dass mit fortschreitender Axialposition des Leitblechs nicht nur die effektive Flügelradbreite reduziert wird, sondern sich auch ein Querschnitt der Entlastungsfläche mit fortschreitendem Schließungsgrad des Leitblechs vergrößert.
Die radiale Höhe der von dem Leitbleich umschlossenen Flügelanteile reduziert sich zunehmend, wodurch sich ein reduzierter Volumenstrom einstellt. Entsprechend fällt der Volumenstrom bereits bei großen Öffnungsgraden des sich schließenden Leitblechs ab. Dadurch vereinfacht sich die Steuerung oder Regelung der Kühlmittelpumpe, da sich der Volumenstrom bereits unmittelbar nach einer Verstellung des Leitblechs, d. h. von Beginn an, reduziert und sich nicht auf den letzten Schließgrad des Leitblechs beschränkt. Gleichzeitig verringert sich die Empfindlichkeit des Volumenstroms auf kleinste Abweichungen der Leitblecheinstellung und vereinfacht die Steuerung bzw. Regelung der Kühlmittelpumpe, da sich der Volumenstrom über den gesamten Verstellbereich weitestgehend linear verringert.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die auf kleinem Radius nahe einer Drehachse und einem radialen Flügeleintritt des Flügelrades angeordnete, mit dem Schließweg des Leitblechs veränderliche Entlastungsfläche von einer kurvenartig verlaufenden Druckkante bestimmt wird. Ein optimaler, bevorzugt mittels einer rechnerischen Simulation bestimmter Druckkantenverlauf kann beispielsweise ein gerundetes, bogenförmiges, geneigtes oder beliebig gekrümmtes Profil bilden. Über den Radius des Druckkantenverlaufs kann ein sich nach außen parabelförmig aufbauender Fliehdruck zur bestmöglichen Kräftereduzierung genutzt werden. Die sich in Abhängigkeit des Öffnungsgrades des Leitblechs einstellenden Fluidkräfte können im Idealfall Null betragen, wodurch das Leitblech ohne zusätzlichen Kraftaufwand durch den Aktuator axial verschiebbar ist.
Das zur Variierung des Volumenstroms vorgesehene, zwischen der Rückwand und der Deckscheibe des Flügelrades verstellbare, die Flügel mit einer Auskragung außenseitig umschließende Leitblech ist vorteilhaft weitestgehend innerhalb des Flügelrades integriert. Dazu weist das Leitblech Öffnungen oder Aussparungen auf, die einer Querschnittkontur der Flügel des Flügelrades korrespondierend gestaltet sind und die eine ungehinderte axiale Verstellung des Leitblechs ermöglichen.
Die Erfindung umfasst ferner eine mit dem Aktor zusammenwirkende Steuer- oder Regeleinrichtung, die eine Sensorik einschließt. Bevorzugt erfasst ein Sensor der Sensorik direkt oder indirekt eine Lageposition des Leitblechs. Alternativ oder ergänzend kann ein Sensor eingesetzt werden, um den Volumenstrom der Kühlmittelpumpe zu bestimmen. In Abhängigkeit von den aufgenommenen Messdaten sowie unter Berücksichtigung vorgegebener Stellkurven oder Parameter kann in Verbindung mit der Steuer- oder Regeleinheit eine Aktivierung des Aktors erfolgen, um eine exakte Einstellung des Leitblechs zu gewährleisten, mit der ein Volumenstrom der Kühlmittelpumpe an den jeweiligen Kühlungsbedarf der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Deckscheibe des Flügelrades eine umlaufende, axial ausgerichtete Dichtung einschließt, an der das Leitblech in einer Endstellung dichtend abgestützt ist. Durch diese Maßnahme wird eine kostengünstige, elastisch verformbare wirksame Dichtung geschaffen, an der das Leitblech in der geschlossenen Position anliegt, um einen Nullvolumenstrom der Kühlmittelpumpe zu erreichen. Bevorzugt bietet sich an, eine im Zwei-Komponenten-Spritzguss hergestellte Dichtung einzusetzen, die stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Klebung an der Deckscheibe befestigt ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, wobei sich die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer regelbaren Kühlmittelpumpe;
2 in einer vergrößerten Darstellung das Flügelrad der Kühlmittelpumpe gemäß 1;
3 ein erfindungsgemäßes Flügelrad in einer Vorderansicht;
4 ein Flügelrad bisheriger Bauart in einer Vorderansicht;
5 ein Diagramm mit unterschiedlichen Durchfluss- bzw. Volumenströmen in Abhängigkeit von dem Öffnungsgrad des Leitblechs.
1 zeigt eine Kühlmittelpumpe 1, die bevorzugt für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bestimmt ist und die ein Pumpengehäuse 5 umfasst, in welchem eine angetriebene Pumpenwelle 6 über Wälzlager 7, 7' drehgelagert ist. An einem ersten Ende der Pumpenwelle 6 ist ein Flügelrad 10 und an dem weiteren Ende eine Riemenscheibe 15 befestigt. Der Antrieb der Kühlmittelpumpe 1 erfolgt über einen Zugmitteltrieb, wobei ein Zugmittel, ein Riemen die Riemenscheibe 15 mit einer nicht abgebildeten weiteren Riemenscheibe verbindet. Die Flügel 11 des Flügelrades 10 ragen in einen Saugstutzen 16, der von einer dem Flügelrad 10 stirnseitig zugeordneten Deckscheibe 12 gebildet wird. Bei der Rotation des Flügelrades 10 wird Fluid bzw. Kühlmittel über den Saugstutzen 16 angesaugt und über die Flügel 11 in einen Spiralkanal 17 des Pumpengehäuses 5 gefördert. Um die Erwärmung des Verbrennungsmotors zu beeinflussen bzw. die Temperatur der Brennkraftmaschine gezielt einzustellen, kann der Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 bedarfsgerecht eingestellt werden. Hierzu ist dem Flügelrad 10 ein Leitblech 20 zugeordnet, das zwischen einem Saugmund 18 der Deckscheibe 12 und einer Rückwand 14 des Flügelrades 10 axial verschiebbar ist und dessen Auskragung 21 die Flügel 11 außenseitig umschließt. Um ein axiales Verschieben des Leitblechs 20 zu ermöglichen, schließt dieses zur Aufnahme der Flügel 11 entsprechende Öffnungen 19 ein. Durch ein Verschieben des Leitblechs 20 wird ein Öffnungsgrad bzw. ein Durchlass des Flügelrades 10 und folglich unmittelbar der Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 verändert. In der in 1 gezeigten ersten Endlage ist das Leitblech 20 unmittelbar an der Rückwand 14 des Flügelrades 10 abgestützt. In dieser der größten Öffnung entsprechenden Leitblechposition kann ein maximaler Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 realisiert werden. Eine Nullförderung der Kühlmittelpumpe 1 stellt sich ein, sobald das Leitblech 20 in der zweiten Endlage an dem Saugmund 18 der Deckscheibe 12 abgestützt ist. Das Leitblech 20 ist über eine Nabe 22 drehstarr mit einer Schubstange 23 verbunden, die durch einen Doppelpfeil verdeutlicht zwischen den Endlagen bzw. beliebigen Zwischenstellungen linear verschiebbar und positionierbar ist.
Die Schubstange 23 ist dazu in einer Längsbohrung 24 der Pumpenwelle 6 geführt und steht an dem von dem Leitblech 20 abgewandten Ende mit einem ortsfest positionierten Aktor 25 in einer Wirkverbindung. Eine Aktorbetätigung erfolgt über eine Steuer- oder Regeleinheit 30 in Verbindung mit einer Sensorik, deren Sensor 31 die Lage der Schubstange 23 erfasst.
2 verdeutlicht erfindungsgemäße Details in einer vergrößerten Darstellung des Flügelrades 1. Als Maßnahme zur Erreichung einer weitestgehend linearen Drosselung des Volumenstroms bilden die Flügel 11 des Flügelrades 10 eine äußere Druckkante 35, 35', die sich von der Rückwand 14 ausgehend bis zu dem Saugmund 18 der Deckscheibe 12 verjüngt. Dieses Konstruktionsmerkmal bewirkt, dass sich eine von dem Leitblech 20 und dem Flügel 11 bzw. deren Druckkanten 35, 35', begrenzte Entlastungsfläche 33 in Abhängigkeit von einem Schließweg S des Leitblechs 20 kontinuierlich vergrößert. Dabei kann das Profil der Druckkante 35, 35' unterschiedlich ausgeführt werden. Beispielhaft bildet die Druckkante 35 einen weitestgehend konstant bis zu dem Saugmund 18 geneigten Verlauf. Abweichend dazu zeigt die Druckkante 35' einen durch den Radius R gekennzeichneten, bis zu einem Wendepunkt des Druckkantenprofils gekrümmten Verlauf, an den sich ein gering geneigter, einer Drehachse 9 des Flügelrades 10 naher Abschnitt anschließt. Durch diese Druckkantenprofile fällt der Volumenstrom bereits bei großen Öffnungsgraden des sich schließenden Leitblechs 20 ab. Folglich vereinfacht sich die Steuerung oder Regelung der Kühlmittelpumpe 1, da sich der Volumenstrom bereits unmittelbar nach einer Verstellung des Leitblechs 20, d. h. von Beginn an verringert und sich nicht auf den letzten Schließgrad des maximalen Schließwegs S des Leitblechs 20 beschränkt. Zur Sicherstellung einer Nullförderung der Kühlmittelpumpe 1 ist das Leitblech 20 in der Endlage am Saugmund 18 an einer elastischen Dichtung 13 abgestützt, die in einem Außenbereich an der Deckscheibe 12 befestigt ist.
3 zeigt ein erfindungsgemäß gestaltetes Flügelrad 10 und 4 ein Flügelrad 10' bisheriger Bauform jeweils in einer Vorderansicht. Die Flügel 11 des Flügelrades 10 sind jeweils zu der Nabe 22 und damit zu der Drehachse 9 zeigend verändert, d. h. sie besitzen eine sich kontinuierlich verringernde Höhe. Abweichend dazu sind die Flügel 11' des Flügelrades 10' gemäß 4 über die gesamte Länge unverändert und entsprechend verläuft die Druckkante der Flügel 11' achsparallel.
Das Diagramm aus 4 zeigt in einem Vergleich zwischen dem erfindungsgemäß gestalteten Flügelrad 10 sowie einem herkömmlichen Flügelrad 10' den Zusammenhang zwischen dem Durchfluss bzw. dem Volumenstrom des Flügelrades 10, 10' und dem Öffnungsgrad des Leitblechs 20 bei unterschiedlichen Drehzahlen. Alle gestrichelt gekennzeichneten Kennlinien entsprechen dem erfindungsgemäßen Flügelrad 10 mit variablen Druckkantenprofilen der Flügel 11. In allen Drehzahlbereichen stellt sich bei einer Leitblechverschiebung in Verbindung mit einem erfindungsgemäß gestalteten Flügelrad bereits von Beginn an, d. h. bereits bei großen Öffnungsgraden, eine nahezu lineare Drosselung des Volumenstroms ein. Abweichend dazu zeigen alle durchgezogenen Kennlinien, die den herkömmlichen Flügelrädern entsprechen, eine Volumenstromdrosselung, die sich erst bei geringen Öffnungsgraden, d. h. bei nahezu geschlossenem Leitblech einstellt.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelpumpe
5: Pumpengehäuse
6: Pumpenwelle
7: Wälzlager
7': Wälzlager
9: Drehachse
10: Flügelrad
10': Flügelrad
11: Flügel
11': Flügel
12: Deckscheibe
13: Dichtung
14: Rückwand
15: Riemenscheibe
16: Saugstutzen
17: Spiralkanal
18: Saugmund
19: Öffnung
20: Leitblech
21: Auskragung
22: Nabe
23: Schubstange
24: Längsbohrung
25: Aktor
30: Steuer- oder Regeleinheit
31: Sensor
33: Entlastungsfläche
35: Druckkante
35': Druckkante
S: Schließweg
R: Radius

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 19901123 A1 [0003]
DE 102008046424 A1 [0003]
DE 102005062200 A1 [0003]

Claims

Kühlmittelpumpe, bestimmt für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, die ein Pumpengehäuse (5) umfasst, in der eine angetriebene, ein Flügelrad (10, 10') einschließende Pumpenwelle (6) drehbar gelagert ist und das mit einer Deckscheibe (12) verbundene Flügelrad (10, 10') bei Rotation mittels Flügel (11, 11') ein Kühlmittel als Volumenstrom über einen Saugstutzen (16) in einen Spiralkanal (17) der Kühlmittelpumpe (1) fördert, wobei der Volumenstrom über ein die Flügel (10, 10') übergreifendes Leitblech (20) beeinflussbar ist, das von einem Aktor (25) zwischen einer Rückwand (14) und der einen Saugmund (18) bildenden Deckscheibe (12) des Flügelrades (10, 10') verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine radiale Höhe bzw. eine äußere Druckkante (35, 35') der Flügel (11) von der Rückwand (14) ausgehend bis zu dem Saugmund (18) des Flügelrades (10) verjüngt sowie eine von dem Leitblech (20) und der Druckkante (35, 35') der Flügel (11) begrenzte Entlastungsfläche (33) in Abhängigkeit von einem Schließweg (S) des Leitblechs (20) kontinuierlich verändert.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nahe einer Drehachse (9) des Flügelrades (10) angeordnete Entlastungsfläche (33) über einen Radius (R) nach außen parabelförmig verläuft.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkanten (35, 35') des Flügelrades (10) ein bogenförmiges oder beliebig gekrümmtes Profil bilden.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des Flügelrades (10) integrierte Leitblech (20) Öffnungen (19) aufweist, die entsprechend einer Querschnittkontur der Flügel (11) gestaltet sind.
kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Aktor (25) zusammenwirkende Steuer- oder Regeleinrichtung (30) eine Sensorik einschließt, die über einen Sensor (31) eine Lageposition des Leitblechs (20) erfasst und/oder den Volumenstrom der Kühlmittelpumpe (1) bestimmt.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (12) des Flügelrades (10) eine umlaufende, axial ausgerichtete Dichtung (13) einschließt, an der das Leitblech (20) in einer Endstellung dichtend abgestützt ist.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels ZweiKomponenten-Spritzguss hergestellte Dichtung (13) stoffschlüssig mit der Deckscheibe (12) verbunden ist.