-
Die Erfindung betrifft ein Flügelrad einer Kühlmittelpumpe, die für eine Brennkraftmaschine bestimmt ist, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Bei wassergekühlten Brennkraftmaschinen wird Kühlmittel, insbesondere 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, wo das erwärmte Kühlmittel mittels des Fahrtwindes sowie eines Ventilators zurückgekühlt wird. Zur Unterstützung der Zirkulation des Kühlmittels wird eine bevorzugt von der Brennkraftmaschine direkt angetriebene Kühlmittelpumpe eingesetzt, die üblicherweise über einen Riemen mit einer Riemenscheibe der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die direkte Koppelung zwischen der Kühlmittelpumpe und der Kurbelwelle sorgt dabei für eine Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpe von der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Dies hat zur Folge, dass im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ein entsprechend großer Volumenstrom der Kühlmittelpumpe zur Verfügung gestellt wird, welcher für die Kühlung nicht benötigt wird. Aufgrund dieser Tatsache werden bei heutigen Brennkraftmaschinen häufig regelbare Kühlmittelpumpen eingesetzt, deren geförderter Volumenstrom entsprechend dem Kühlungsbedarf abgestimmt werden kann.
-
Dazu ist aus der
DE 10 2005 004 315 B4 eine geregelte Kühlmittelpumpe bekannt, bei welcher auf einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Hohlwelle ein Flügelrad positioniert ist, um Kühlmittel als Volumenstrom über einen Saugstutzen in einen Spiral- oder Ringkanal des Pumpengehäuses zu fördern. Des Weiteren ist dem Flügelrad ein auf der Hohlwelle platziertes Steuer- oder Schieberelement nachgeordnet, welches über einen Elektromagneten und entgegen einer Feder in Richtung des Laufrades axial verschiebbar ist. Das Schieberelement umschließt dabei einen Außenbereich der Flügel des Flügelrades, wobei durch eine Verschiebung des Schieberelements der Volumenstrom, die Kühlmittelförderung der Kühlmittelpumpe unmittelbar beeinflusst werden kann.
-
Gemäß dem Dokument
US 1 813 747 A umfasst ein Flügelrad einer Radialpumpe einen verstellbaren Schieber, mit dem der Volumenstrom der Kühlmittelpumpe einstellbar ist. Durch ein Verdrehen einer gewindeartigen, mit dem Schieber verbundenen Führung kann der Schieber zwischen einer Öffnungsstellung und Schließstellung axial verstellt und damit der Volumenstrom variiert werden.
-
Die
DE 10 2005 062 200 A1 offenbart eine Kühlmittelpumpe mit einer im Pumpengehäuse gelagerten und angetriebenen Pumpenwelle mit zugehörigem Flügelrad, dem ein pneumatisch oder hydraulisch verstellbarer, einen Ausströmbereich des Flügelrades variabel überdeckender Ventilschieber zugeordnet ist. 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 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, ein kostengünstiges Flügelraddesign zu schaffen, mit dem Druckspitzen in dem Kühlsystem vermieden und der Volumenstrom an den Kühlungsbedarf der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
-
Diese Problemstellung wird erfindungsgemäß durch ein Flügelrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die darauffolgenden abhängigen Ansprüche 2 bis 9 geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
-
Das erfindungsgemäße Flügelrad für eine Kühlmittelpumpe umfasst saugmundseitig des Flügelrades unterhalb oder oberhalb einer äußeren Kontur der Flügel ein elastisches Steuerelement, das eine passiv variabel veränderliche Drossel- oder Steuerkante bildet. Die selbsttätige Verstellung, das Stellverhalten des Steuerelements kann fliehkraftabhängig, d. h. in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl der Kühlmittelpumpe erfolgen oder von der Strömungsgeschwindigkeit und/oder dem Strömungsdruck des Kühlmittel-Volumenstroms beeinflusst werden. Damit bestimmt das Steuerelement unmittelbar die effektive, auch als Strömungsquerschnitt zu bezeichnende Breite des Flügelrades. Durch das Stellverhalten des Steuerelements kann eine weitestgehend proportionale bzw. lineare Drosselung des Volumenstroms in Abhängigkeit zu einer Drehzahl des Flügelrades erreicht werden. Bei einem Drehzahlanstieg verkleinert sich folglich die Flügelradbreite selbsttätig, entsprechend dazu reduziert sich der geförderte Volumenstrom und die benötigte Antriebsleistung des Flügelrades im Vergleich zu bisherigen Flügelrädern. Bei fallender Flügelraddrehzahl zeigt das elastische Steuerelement einen umgekehrten Effekt, indem sich die Breite des Flügelrades wieder proportional vergrößert.
-
Das Steuerelement ist so konzipiert, dass sich nahezu keine Hysterese einstellt und das Steuerelement somit unabhängig von der Stellrichtung ein weitestgehend übereinstimmendes Stellverhalten zeigt. Außerdem gewährleisten der Aufbau, die Werkstoffwahl sowie die Anordnung des erfindungsgemäßen Steuerelements eine dauerhafte, weitestgehend unveränderte Funktion und vermeidet ein Nachlassen der Stellfähigkeit über die Lebensdauer der Kühlmittelpumpe. Vorteilhaft können durch die Anwendung eines Flügelrades in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Steuerelement nachteilig hohe Druckspitzen im Kühlungssystem vermieden werden, die sich im Hochdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine einstellen. Als Folge dazu bietet es sich an, die Kühlmittelleitungen bzw. die Strömungsquerschnitte für das Kühlmittel kleiner zu dimensinnieren. Außerdem stellt sich eine Einsparung von Antriebsleistung für die nicht erbrachte Kühlmittelförderung der Kühlmittelpumpe ein. Ein weiterer Vorteil des passiv verstellbaren Steuerelements besteht darin, dass dieses ohne Änderung der äußeren Abmessung, d. h. innerhalb des vorhandenen Flügelradbauraumes, beispielsweise mittels einer mechanischen Nacharbeit kostengünstig integriert werden kann.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bietet es sich an, einen O-Ring als Steuerelement vorzusehen, der in einem radialen Abschnitt des Flügelraddeckels in einer umlaufenden Ringnut eingesetzt ist. Dabei wird der Rundgummiring oder O-Ring axial von den Flügeln fixiert. In Abhängigkeit von sich einstellenden Strömungsverhältnissen des Kühlmittels kann sich der eine passive Drossel- oder Steuerkante bildende O-Ring zwischen den Flügeln axial in Richtung des Strömungsquerschnitts verformen. Als O-Ring eignen sich handelsüblich genormte O-Ringe.
-
Ferner kann erfindungsgemäß ein scheibenartig gestaltetes, aus einem Elastomer hergestelltes Steuerelement benutzt werden, das in einer umlaufenden, radial zu einer äußeren Kontur der Flügel versetzten Ausnehmung des Flügelraddeckels eingesetzt ist. Das fußseitig flächig in der Ausnehmung angeordnete und vorzugsweise stoffschlüssig fixierte Steuerelement bildet einen dreieckförmig gestalteten, elastisch verformbaren und gegenüber dem Fuß schwenkbaren, die Drosselkante bildenden Endbereich, der sich zu einer Spitze verjüngt. In die Ausnehmung mit dem rechteckförmigen Querschnittprofil kann das Steuerelement vorteilhaft unterschiedlich eingesetzt werden. In einer ersten Einbaulage ist der dreieckförmig gestaltete, elastische Endbereich des Steuerelementes in Richtung einer Rotationsachse des Flügelrades und damit entgegen der Strömungsrichtung des Volumenstroms ausgerichtet. Gemäß einer weiteren Einbaulage kann das Steuerelement mit dem verformbaren, dreieckförmig gestalteten Endbereich in Strömungsrichtung des Volumenstroms und damit radial nach außen zeigend eingesetzt werden.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als Steuerelement eine Membran vorgesehen, die im Saugmundbereich außerhalb der Flügel eine umlaufende Ausnehmung oder Ringnut des Flügelraddeckels verschließt bzw. abdeckt. Im Betriebszustand der Kühlmittelpumpe kann der Volumenstrom durch die Membran beeinflusst werden, indem sich diese proportional zum Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit axial ausdehnt und dabei die Flügelradbreite verringert. Um das Ansprechverhalten der Membran und damit der Drosselkante zu verbessern, bietet es sich an, die Ausnehmung über einen Zuführkanal mit dem Druck des Kühlmittels zu beaufschlagen.
-
Die Erfindung umfasst ferner ein Steuerelement mit einem weitestgehend dreieckförmigen Querschnittprofil, dem eine Ausnehmung des Flügelraddeckels mit korrespondierendem Profil zugeordnet ist. In einer Neutralstellung wird die Aussparung von dem aus einem Elastomer hergestellten Steuerelement vollständig flächig abgedeckt. Über eine zur Rotationsachse der Kühlmittelpumpe ausgerichtete, sich verjüngende Endzone ist das Steuerelement in der umlaufenden Aussparung des Flügelraddeckels fixiert. Axial versetzt zu der Befestigung des Steuerelements ist innerhalb der Aussparung ein Federelement, insbesondere eine Wurmfeder eingesetzt. Mit steigender Drehzahl verlagert sich fliehkraftabhängig die Wurmfeder radial nach außen, d. h. an einer geneigt verlaufenden Wandung der Aussparung, und bewirkt dabei ein Ausschwenken des Steuerelements und damit der Drosselkante in den Strömungskanal. Bei abnehmender Drehzahl der Kühlmittelpumpe verlagert sich die Wurmfeder bedingt durch deren Vorspannkraft zurück in die Ausgangslage. Zur Erzielung einer synchronen Stellbewegung ist die Wurmfeder an dem Steuerelement fixiert.
-
Zur Gewährleistung einer optimalen Funktionsweise des erfindungsgemäßen Steuerelements ist dessen Elastizität bzw. dessen Fliehkraftabhängigkeit auf die Breite und den Durchmesser des Flügelrades oder deren Flügel abgestimmt. Durch eine entsprechende Dimensionierung und/oder Werkstoffauswahl des Steuerelements sowie ergänzend durch eine Berücksichtigung der Antriebsübersetzung der Kühlmittelpumpe kann beispielsweise eine Reduktion, eine Konstanthaltung oder ein verminderter Anstieg des Volumenstroms des Kühlmittels in Abhängigkeit definierter Drehzahlen der Brennkraftmaschine realisiert werden.
-
Das erfindungsgemäße Konzept, bei dem das Flügelrad ein Steuerelement zur Einflussnahme auf den Kühlmittelstrom einschließt, ist insbesondere für Diesel- und Otto-Brennkraftmaschinen geeignet, die mittels Turbolader oder Kompressor aufgeladen sind. Speziell für aufgeladene Brennkraftmaschinen sind die Flügelräder der Kühlmittelpumpen so ausgelegt, dass diese bereits im niedrigen Drehzahlbereich eine hohe Förderleistung aufweisen. Im oberen Drehzahlbereich ergibt sich dadurch eine zu hohe, nicht erforderliche Förderleistung, also ein mit dem Drehzahlanstieg verbundenes, nicht notwendiges, erhöhtes Druckdelta bzw. ein erhöhter Volumenstrom des Kühlmittels. Durch die Erzielung eines meist per Blow-Off- oder Umluftventil bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen konstant gehaltenen Ladedrucks bzw. Volllast-Motormomentes über einen weiten Drehzahlbereich hinweg wird die Wärmezufuhr nur noch proportional zur Drehzahl gesteigert. Andererseits liefern eine Wärmesenke, der Volumenstrom und der Fahrtwind bei in Fahrzeugen eingesetzten Brennkraftmaschinen ein nicht benötigtes überproportionales Kühlpotential über den Drehzahlanstieg und bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit. Vorteilhaft kann mit dem erfindungsgemäßen, eine passiv veränderliche Drosselkante bildenden elastischen Steuerelement im hohen Drehzahlbereich der Kühlmittelpumpe ein an den tatsächlichen Kühlungsbedarf der aufgeladenen Brennkraftmaschine angepasster Volumenstrom realisiert werden.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine Kühlmittelpumpe in einem Längsschnitt;
-
2 ein Diagramm mit Kennlinien des Drehmoments und der Leistung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine sowie Volumenströme einer zugehörigen Kühlmittelpumpe;
-
3a im Halbschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Flügelrades mit integriertem Steuerelement in der Neutralstellung;
-
3b das Flügelrad gemäß 3a mit dem verschwenkten Steuerelement;
-
4a im Halbschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Flügelrades mit integriertem Steuerelement in der Neutralstellung;
-
4b das Flügelrad gemäß 4a mit dem verschwenkten Steuerelement;
-
5a im Halbschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Flügelrades mit integriertem Steuerelement in der Neutralstellung;
-
5b das Flügelrad gemäß 5a mit dem axial versetzten Steuerelement;
-
6a im Halbschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Flügelrad mit integriertem, als Membran ausgebildetem Steuerelement in der Neutralstellung;
-
6b das Flügelrad gemäß 6a mit dem axial versetzten Steuerelement;
-
7a im Halbschnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Flügelrades mit integriertem Steuerelement in der Neutralstellung;
-
7b das Flügelrad gemäß 7a mit dem verschwenkten Steuerelement;
-
In der 1 ist eine Kühlmittelpumpe 1 gezeigt, die bevorzugt für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bestimmt ist und die ein Pumpengehäuse 3 umfasst, in dem eine angetriebene Pumpenwelle 5 über zwei axial zueinander versetzte Wälzlager 7, 7' drehgelagert ist. Einem ersten Ende der Pumpenwelle 5 ist eine Riemenscheibe 8 und einem weiteren ein Flügelrad 10 zugeordnet. Der Antrieb der Kühlmittelpumpe 1 erfolgt über einen Zugmitteltrieb, wobei vorzugsweise ein Zugmittel, ein nicht abgebildeter Riemen die Riemenscheibe 8 mit einer weiteren Riemenscheibe verbindet. Die Flügel 13 des sich um eine Rotationsachse 6 drehenden Flügelrades erstrecken sich axial zwischen einem stirnseitigen, einen Saugstutzen 12 bildenden Flügelraddeckel 11 und einer Rückwand 14. Bei der Rotation des Flügelrades 10 wird Kühlmittel bzw. Fluid über den Saugstutzen 12 angesaugt und als ein Volumenstrom in einen Spiralkanal 16 des Pumpengehäuses 3 gefördert. Um die Erwärmung der Brennkraftmaschine zu beeinflussen bzw. die Temperatur der Brennkraftmaschine gezielt einzustellen, kann der Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 bedarfsgerecht eingestellt werden. Hierzu schließt das Flügelrad 10 ein Steuerelement 20 ein, das sich passiv in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 1, der Strömungsgeschwindigkeit und/oder einem Druck des Volumenstroms verlagert und damit eine Drosselkante 15 bildet, die einen Strömungsquerschnitt 18 des Flügelrades 10 beeinflusst. Das axial verschiebbare Steuerelement 20 ist dazu an einem Saugmund 17 des Flügelraddeckels 11 unter einer äußeren Kontur 19 der Flügel 13 positioniert. Durch ein Verschieben des Steuerelements 20 wird ein Öffnungsgrad bzw. ein Durchlass des Flügelrades 10 und folglich unmittelbar der Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 verändert.
-
Das Diagramm gemäß 2 zeigt in Form von Kennlinien eine Leistungskurve P sowie einen Drehmomentverlauf M einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, dabei ist auf der Abszisse die Drehzahl n der Brennkraftmaschine aufgetragen. Weiterhin sind dem Diagramm unterschiedliche Volumenströme Q1, Q2 der zugehörigen Kühlmittelpumpe zu entnehmen, wobei die Kennlinie Q1 den Volumenstrom einer bisherigen Kühlmittelpumpe und Q2 einen durch das Steuerelement 20 beeinflussten Volumenstrom darstellt. Im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ergibt sich zwischen den Volumenströmen Q1 und Q2 ein max. Differenzwert Y, der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Steuerelement 20 realisierbar ist.
-
Die 3a bis 7b zeigen unterschiedlich ausgeführte, in dem Flügelrad 10 integrierte Steuerelemente 20a bis 20e, die jeweils in der Neutralposition und in einer den Strömungsquerschnitt 18 des Flügelrades 10 beeinflussenden Arbeits- oder Betriebsposition abgebildet sind.
-
Das Steuerelement 20a gemäß den 3a und 3b wird durch ein scheibenartig gestaltetes Elastomer gebildet, das in einer rechteckförmigen, umlaufenden Ausnehmung 22 eingesetzt ist. Das Steuerelement 20a ist über eine rechteckförmig gestaltete Basis in der Ausnehmung 22 bevorzugt stoffschlüssig, z. B. mittels einer Klebung lagefixiert. Ein sich zu einer Spitze verjüngender, sich an die Basis anschließender, dreieckförmiger Endbereich 24 ist entgegen der Strömungsrichtung des Kühlmittels zeigend ausgerichtet. In 3a, der Neutralstellung des Steuerelement 20a, fluchtet der Endbereich 24 mit einer Innenwandung des Flügelraddeckels 11. Die 3b zeigt das Steuerelement 20a mit einem den Strömungsquerschnitt 18 reduzierenden, ausgelenkten, die Drosselkante 15a bildenden Endbereich 24. Der Auslenkungsgrad des Endbereichs 24 kann von der Strömungsgeschwindigkeit und/oder dem Druck des Volumenstroms bestimmt werden.
-
Die 4a und 4b zeigen das in die Ausnehmung 22 eingesetzte Steuerelement 20b, dessen Aufbau mit dem Steuerelement 20a übereinstimmt, jedoch ist für das Steuerelement 20b eine abweichende Einbaulage vorgesehen. Der Endbereich 24 des Steuerelements 20b ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels zeigend ausgerichtet. Wie in 4b gezeigt, kann der Endbereich 24 und damit die Drosselkante 15b im Uhrzeigersinn verschwenken und dabei den Strömungsquerschnitt 18 beeinflussen.
-
Gemäß den 5a und 5b wird das Steuerelement 20c durch einen elastischen O-Ring gebildet, der in eine Ringnut 23 des Flügelraddeckels 11 eingesetzt ist. Durch die Ringnutlage unterhalb der äußeren Kontur 19 der Flügel 13 ist das Steuerelement 20c, der O-Ring, dauerhaft durch die Flügel 13 fixiert. In Abhängigkeit von einem sich ändernden Volumenstrom kann das die Drosselkante 15c bildende Steuerelement 20c, wie in 5b gezeigt, in Richtung des Strömungsquerschnitts 18 verlagern.
-
In den 6a und 6b ist das als Membran ausgebildete Steuerelement 20d gezeigt. Die Membran überdeckt dabei die Ausnehmung 22, die über einen Zuführkanal 21 mit dem Saugmund 17 in Verbindung steht und somit von dem Volumenstrom des Kühlmittels beaufschlagt wird. Diese Anordnung bewirkt, dass ein sich ändernder Volumenstrom und die damit verbundene Strömungsgeschwindigkeit und/oder der veränderte Strömungsdruck sich unmittelbar auf die Wölbung, den Verstellgrad der Membran auswirken. Die 6b zeigt das Steuerelement 20d und damit die Drosselkante 15d in einer den Strömungsquerschnitt 18 verengenden Position.
-
Das Steuerelement 20e gemäß den 7a und 7b besitzt ein dreieckförmiges Querschnittprofil und ist einer korrespondierenden Aussparung 25 des Flügelraddeckels 11 zugeordnet. Als Maßnahme, um das Stellvermögen des Steuerelements 20e zu verbessern, ist in der Aussparung 25 eine Wurmfeder 26 eingesetzt. Dieses elastische, bevorzugt aus Metall hergestellte Bauteil verlagert sich fliehkraftbedingt radial, wobei bedingt durch die dreieckförmig gestaltete Aussparung 25 die Wurmfeder 26 an einer zu dem Strömungsquerschnitt 18 geneigten Wandung der Aussparung 25 geführt ist. Bedingt durch die unmittelbare Anlage an dem Steuerelement 20e verlagert sich, wie in 7b gezeigt, das die Drosselkante 15e bildende Steuerelement 20e synchron zu einer Verstellung der Wurmfeder 25 und beeinflusst den Strömungsquerschnitt 18.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kühlmittelpumpe
- 3
- Pumpengehäuse
- 5
- Pumpenwelle
- 6
- Rotationsachse
- 7
- Wälzlager
- 7'
- Wälzlager
- 8
- Riemenscheibe
- 10
- Flügelrad
- 11
- Flügelraddeckel
- 12
- Saugstutzen
- 13
- Flügel
- 14
- Rückwand
- 15
- Drosselkante
- 15a–15e
- Drosselkante
- 16
- Spiralkanal
- 17
- Saugmund
- 18
- Strömungsquerschnitt
- 19
- Kontur
- 20
- Steuerelement
- 20a–20e
- Steuerelement
- 21
- Zuführkanal
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Ringnut
- 24
- Endbereich
- 25
- Aussparung
- 26
- Wurmfeder
-
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 B4 [0003]
- US 1813747 A [0004]
- DE 102005062200 A1 [0005]
