DE102012208101A1

DE102012208101A1 - Aktor mit einer Radialkolbenpumpe für regelbare Kühlmittelpumpen

Info

Publication number: DE102012208101A1
Application number: DE201210208101
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hurst
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe (1) einer Brennkraftmaschine mit einem regelbaren Volumenstrom, die ein Pumpengehäuse (12) umfasst, in dem eine als Hohlwelle ausgebildete Pumpenwelle (13) mit zugehörigem Flügelrad (14) drehbar gelagert ist. Das von dem Flügelrad (14) geförderte Kühlmittel strömt aus einem Sauganschluss (15) in einen Druckkanal (16) der Kühlmittelpumpe (1). Der Volumenstrom des Kühlmittels kann mittels eines dem Flügelrad (14) zugeordneten Leitblechs (18) beeinflusst werden, das stufenlos zwischen zwei Endstellungen axial verschiebbar ist. Eine Verstellung des mit einer in der Pumpenwelle (13) geführten Schubstange (20) verbundenen Leitblechs (18) erfolgt durch einen Aktor (10). Der Aktor (10) schließt eine in der Kühlmittelpumpe (1) integrierte Radialkolbenpumpe (23) ein, die über ein als Exzenter ausgebildetes Stellorgan (30) in Verbindung mit einem Steuerelement (35) verstellbar ist. Dabei umfasst die Radialkolbenpumpe (23) zwei asymmetrisch in der Pumpenwelle (13) radial geführte, von dem Stellorgan (30) umschlossene, oszillierende Kolben, einen Ansaugkolben (24) sowie einen Gegenkolben (25). Das Kühlmittel aus der Kühlmittelpumpe (1) strömt über bevorzugt als Kugelrückschlagventile ausgeführte Ventile des Ansaugkolbens (24) in einen gemeinsam von den Kolben (24, 25) begrenzten Druckraum (40) ein, der mittelbar mit einem Hochdruckraum (43) verbunden ist, in dem ein die Schubstange (20) beaufschlagender Arbeitskolben (44) verschiebbar geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine mit einem regelbaren Volumenstrom und einem Aufbau gemäß den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei Brennkraftmaschinen haben sich überwiegend flüssigkeitsgekühlte, insbesondere wassergekühlte Motoren durchgesetzt. Dabei wird als Kühlmittel das Kühlwasser der Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe in einem bevorzugt geschlossenen Kreislauf durch Kühlkanäle im Bereich der Zylinder und des Zylinderkopfes zum Kühlen der Brennkraftmaschine gepumpt und das erwärmte Medium anschließend in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher mittels eines Ventilators und/oder des Fahrtwindes zurückgekühlt. Zum Zirkulieren des Kühlmittels wird dazu üblicherweise eine Kühlmittelpumpe eingesetzt, die über einen Zugmitteltrieb angetrieben wird, wobei das Zugmittel eine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelte Riemenscheibe mit einer Riemenscheibe der Kühlmittelpumpe verbindet. Aufgrund der direkten Antriebskoppelung zwischen der Kühlmittelpumpe und der Kurbelwelle ist die Drehzahl der Kühlmittelpumpe abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Folglich stellt sich im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ein entsprechend großer Volumenstrom der Kühlmittelpumpe ein, der vielfach nicht zur Kühlung benötigt wird. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine tritt dagegen das Problem auf, dass bereits Kühlmittel durch die Kühlkanäle zirkuliert, was die Erwärmung der Brennräume behindert und somit das Erreichen einer optimalen Betriebstemperatur verzögert. Zur Vermeidung dieser Problematik werden bei heutigen Brennkraftmaschinen verstärkt regelbare Kühlmittelpumpen eingesetzt, deren geförderter Volumenstrom entsprechend des Bedarfes abgestimmt bzw. geregelt werden kann.
Aus der DE 10 2005 004 315 B4 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe bekannt, bei welcher auf einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Hohlwelle ein Laufrad oder Flügelrad angeordnet ist, das in Verbindung mit einer Deckscheibe Kühlmittel aus einem Stutzen in einen Ringkanal des Pumpengehäuses fördert. Dem Laufrad ist ein auf der Hohlwelle platziertes Schiebeelement zugeordnet, das über einen Elektromagneten und entgegen einer Feder axial zu dem Laufrad verschiebbar ist und dabei einen Außenbereich des Laufrades übergreift. In einer Endstellung kann mit Hilfe des Schiebeelements der Ringkanal des Pumpengehäuses verschlossen werden, wodurch eine Kühlwasserförderung der Kühlmittelpumpe unterbleibt. Aus der DE 199 01 123 A1 ist als Maßnahme, um das Fördervolumen einer Kühlmittelpumpe zu beeinflussen, bekannt, dem Flügelrad einen äußeren übergreifenden Schieber zuzuordnen, mit dem die wirksame Flügelbreite des Flügelrades verändert werden kann und der in axialer Richtung stufenlos axial beweglich einstellbar ist. Die Verstellung des Schiebers erfolgt dabei durch das Verdrehen einer gewindeartigen Führung. Gemäß der DE 10 2005 004 315 A1 wird der auch als Leitscheibe zu bezeichnende Ventilschieber elektromagnetisch mit einer im Pumpengehäuse angeordneten Magnetspule verstellt. Alternativ dazu ist zur Verstellung des Ventilschiebers nach der DE 10 2005 062 200 A1 ein pneumatisch oder hydraulisch betätigter Aktuator vorgesehen, der zur Verstellung eines als Ventilschieber bezeichneten Leitblechs im Pumpengehäuse geführte Kolbenstangen einschließt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen in der Kühlmittelpumpe integrierten, einfach aufgebauten, baumraumneutralen, montagefreundlichen und kostengünstigen Aktor zu schaffen mit einer optimierten drehzahlunabhängigen Funktionalität.
Diese Aufgabenstellung wird durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und erfindungswesentliche Ausgestaltungen sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Gemäß der Erfindung ist als Aktor eine in der Kühlmittelpumpe integrierte Radialkolbenpumpe vorgesehen, die über ein als Exzenter ausgebildetes Stellorgan in Verbindung mit einem Steuerelement einstellbar ist. Vorteilhaft bilden alle Bauteile des Aktors gemeinsam eine Baueinheit. Die zur Druckerzeugung vorgesehene, innerhalb der Kühlmittelpumpe integrierte, hydrostatische, auch als Verdrängerpumpe zu bezeichnende Radialkolbenpumpe mit Exzenterverstellung umfasst zwei asymmetrisch in der Pumpenwelle radial geführte Kolben, einen Ansaugkolben sowie einen Gegenkolben, die von dem Stellorgan umschlossen sind. Bedingt durch das mit den Kolben zusammenwirkende und diese außenseitig umschließende, linear verstellbare Stellorgan, das einen Exzenter bildet, üben die Kolben eine oszillierende Bewegung aus. Mittels der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe wird das Kühlmedium aus dem Kühlkreislauf bzw. der Kühlmittelpumpe angesaugt, verdichtet und an einen in der Pumpenwelle der Kühlmittelpumpe liegenden Hochdruckraum auf einen Arbeitskolben übertragen. Über die Radialkolbenpumpe in Verbindung mit einer variablen Exzentrizität ist ein Steuerdruck generierbar, um den Kolben zwischen einem Null- oder Leerlauf und einem festen bzw. variablen Hub zu verstellen. Weiterhin kann die Geschwindigkeit des Druckaufbaus und damit die Position des Leitblechs gegenüber dem Flügelrad stufenlos gesteuert werden, um nach einem Kaltstart eine schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine zu erreichen oder die Motortemperatur gezielt zu beeinflussen. Zur Einflussnahme auf das Temperaturniveau der Brennkraftmaschine ist beispielsweise eine Aktuierung von einem Motormanagement der Brennkraftmaschine auslösbar, um das Steuerelement zu aktivieren, mit dem die Einstellung des Exzenters der Radialkolbenpumpe erfolgt, was sich direkt auf die Druckverhältnisse auswirkt.
Abhängig von einer mittels des Steuerelements eingestellten Exzentrizität des Stellorgans der Radialkolbenpumpe und den sich folglich einstellenden Druckverhältnissen strömt somit Kühlmittel als Hydraulikfluid aus der Kühlmittelpumpe in den Ansaugkolben. Über druckabhängig öffnende, insbesondere als Kugelrückschlagventile ausgeführte Ventile des Ansaugkolbens kann das Kühlmittel beispielsweise über einen Zuführkanal des Pumpengehäuses in den Ansaugkolben und von dort in einen gemeinsam von beiden Kolben der Radialkolbenpumpe begrenzten Druckraum der Pumpenwelle einströmen. Der Druckraum ist mittelbar mit einem Hochdruckraum verbunden, in dem ein Arbeitskolben druckbeaufschlagt innerhalb der Pumpenwelle verschiebbar geführt ist. Die über eine aktuierende Exzentrizität steuerbare, zweizylindrige Radialkolbenpumpe generiert somit einen Druck, der indirekt auf eine Kolbenfläche des Arbeitskolbens übertragbar ist, um das Leitblech des Flügelrades axial zu verstellen, das mittelbar über die Schubstange mit dem Arbeitskolben verbunden ist.
Bei Radialkolbenpumpen, deren Verstellung oder Einstellung über einen Exzenter erfolgt, ergibt sich je Umdrehung der Pumpenwelle der Wasserpumpe ein zweimaliger Wechsel zwischen einer Ansaugphase und einer Pump- bzw. Verdichtungsphase. Damit verbunden stellen sich zwei Radialkolbenhübe pro Umdrehung der Pumpenwelle ein. Mit Hilfe von Kugelrückschlagventilen werden einzelne mit Kühlmittel beaufschlagbare Räume, beispielsweise ein Innenraum des Ansaugkolbens, verschlossen oder freigegeben, um so eine Teilmenge des umgebenden Kühlmittels kontrolliert ansaugen, verdichten bzw. pumpen und ausschieben zu können. Die doppelte Pumpfrequenz der Radialkolbenpumpe gegenüber der Wasserpumpendrehzahl führt zu einer kontinuierlichen, die Kinematik des Pumpsystems gering belastenden Pumpfolge verbunden mit einer verringerten stoßartigen Belastung.
Für Kugelrückschlagventile stellt sich in Abhängigkeit von der Kugelmasse des Schließkörpers und der Federsteifigkeit der den Schließkörper beaufschlagenden Feder eine Grenzfrequenz ein. Oberhalb dieser Frequenz ist die Funktion des Ventils beeinträchtigt, da sich keine definierten Schaltungen in den Endlagen einstellen und das Kugelrückschlagventil beispielsweise permanent geöffnet oder geschlossen ist. Somit ist die Pumpfunktion der Radialkolbenpumpe oberhalb einer bestimmten Drehzahl der Kühlmittelpumpe nicht mehr gegeben. Aufgrund der Verdopplung der Pumpfrequenz gegenüber der Wasserpumpendrehzahl können die Schaltfrequenzen eine kritische Grenzfrequenz des Kugelrückschlagventils überschreiten. Als Maßnahme, um die kritische Grenzfrequenz der Kugelrückschlagventile zu vermeiden, sieht die Erfindung eine von der 180°-Symmetrie abweichende, asymmetrische Zylinderstellung und folglich eine entsprechende Positionierung des Ansaugkolbens gegenüber dem Gegenkolben vor. Damit ist die Anwendung der integrierten Radialkolbenpumpe bzw. Aktorpumpe bis zu einer deutlich erhöhten anwendungsbestimmten Drehzahl gewährleistet. Bei dieser asymmetrischen Zylinder- bzw. Kolbenstellung wird einer der beiden Radialkolbenhübe pro Wellenumdrehung verkürzt und der weitere Kolbenhub erhöht, wodurch die Pumpfrequenz bis zu einer Halbierung reduzierbar ist und sich eine mit einer Einkolbenpumpe übereinstimmende Schaltfrequenz für die Kugelrückschlagventile einstellt. Vorteilhaft verbessert sich durch die erfindungsgemäße Kolbenanordnung die Dynamikfähigkeit der Rückschlagventile, so dass herkömmlich eingesetzte Kugelrückschlagventile trotz ihrer begrenzten Dynamik bis zu einer deutlich höheren Drehzahl gegenüber bisherigen Auslegungen einsetzbar sind. Der geringe effektive Hub bei großem Verstellweg am Exzenter reduziert weiterhin die Empfindlichkeit, mit welcher die Radialkolbenpumpe über einen toleranzbehafteten Stellweg zu betreiben ist. Gleichzeitig bleibt durch das erfindungsgemäße Konzept das günstige Verhältnis aus Stellweg und Kolbenhub der Radialkolbenpumpe bestehen, was sich in der Praxis aufgrund eines toleranzbehafteten Einbaus vorteilhaft erweist.
Gemäß einer geometrischen Betrachtung kann einer der beiden Pumpvorgänge der Radialkolbenpumpe durch eine kleine Asymmetrie im Zylinderwinkel unterdrückt bzw. bei weiterer Vergrößerung der Asymmetrie als Hub-Überhöhung für den verbleibenden Pumpvorgang genutzt werden. Somit halbiert sich die Frequenz, mit welcher die Kugelrückschlagventile angesteuert werden bzw. es verdoppelt sich die Grenzdrehzahl, bis zu welcher das System ventilbedingt funktionieren kann. Gleichzeitig kann eine günstige Umsetzung von Stellweg zu Pumphub weitestgehend beibehalten werden. Um die Pumpleistung auf ein ähnliches Niveau wie die 180°-Variante zu heben, muss nicht einmal der Stellweg vergrößert werden, da der eine verbliebene Hub sich auch ca. doppelt so hoch darstellen lässt und somit wieder Gleichheit zwischen der Pumpleistung und der Pumparbeit pro Zeiteinheit besteht. Für die erfindungsgemäße Asymmetrie der Zylinder- bzw. Kolbenstellung der Radialkolbenpumpe wird ein Grenzzylinderwinkel beispielsweise mittels Versuche bestimmt, um den gewünschten Effekt einer verbesserten Funktion der Einweg- oder Rückschlagventile zu erreichen, ohne eine nachteilige Wirkung auf die Unwucht.
Zur Realisierung einer regelbaren Kühlmittelpumpe bietet die Erfindung vorteilhaft ein bauraumneutrales und kostengünstiges Konzept mit einem montagefreundlichen Aufbau. Der erfindungsgemäße Aufbau ist innerhalb der Packaging-Grenzen einer herkömmlichen Kühlmittelpumpe zu realisieren und damit weitestgehend bauraumneutral und weiterhin nicht vor einem der Antriebs- oder Riemenebene der Kühlmittelpumpe begrenzten Bauraum beeinträchtigt. Außerdem bietet die erfindungsgemäße Asymmetrie der Zylinder- bzw. Kolbenwinkel eine optimierte drehzahlunabhängige Funktionalität sowie eine gesteigerte Dynamikfähigkeit der verbauten Kugelrückschlagventile aufgrund der höheren Drehzahlobergrenze der Regel- bzw. Schaltfunktionalität des Gesamtsystems. Das erfindungsgemäße, eine gute Ansteuerbarkeit des Leitblechs sicherstellende und alle Kriterien aus Kundensicht erfüllende Konzept kann außerdem aus standardisierten Bauteilen kostengünstig aufgebaut werden.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Auslegung sind der Ansaug- oder Hauptkolben und der Gegenkolben der Radialkolbenpumpe in einem von 180° abweichenden Winkel gegenüberliegend angeordnet. Als Grenzwinkel ist 170° bzw. 190° vorgesehen, wobei bevorzugt eine Abweichung von ±2° von 180° und folglich ein Grenzwinkelbereich zwischen 178° bis 182° vorgesehen ist. Dabei ist anzumerken, dass die auf einen Kolbenhub bezogene Winkelabweichung bzw. Winkelreduzierung von der Exzentrizität sowie einer Geometrie der jeweils zusammenwirkenden Bauteile, insbesondere dem Stellorgan und einem Durchmesser, an dem der Koben geführt ist, beeinflusst wird.
Das erfindungsgemäße Konzept sieht weiterhin für den Aufbau des als Hohlkörper gestalteten Ansaugkolbens vor, dass deren als Kugelrückschlagventil aufgebautes Ansaugventil mit einem Zuströmkanal der Kühlmittelpumpe zusammenwirkt. Das Kühlmittel kann aus dem Ansaugkolben in Abhängigkeit von sich in dem Druckraum einstellenden Druckverhältnissen über ein weiteres als Kugelrückschlagventil ausgeführtes Bodenventil des Ansaugkolbens in den Druckraum einströmen. Zwischen dem Druckraum und dem nachgeordneten Hochdruckraum ist in der Strömungsverbindung innerhalb der Pumpenwelle ein weiteres als Kugelrückschlagventil aufgebautes Zwischenventil eingesetzt. Bei einem Druckgefälle zwischen beiden Druckräumen strömt Kühlmittel aus dem Druckraum in den Hochdruckraum, wodurch synchron dazu sich der im Hochdruckraum eingesetzte, druckbeaufschlagte Arbeitskolben einschließlich des mittelbar verbundenen Leitblechs verschiebt.
Ferner sieht das erfindungsgemäße Konzept ein Stellelement vor, das drehfixiert und bevorzugt abgedichtet in dem Pumpengehäuse linear verschiebbar ist zur Ein- oder Verstellung einer Exzentrizität der Radialkolbenpumpe. An einer kreisrunden Innenkontur des Stellorgans sind die asymmetrisch versetzt zueinander angeordneten Kolben der Radialkolbenpumpe abgestützt. Dabei bewirkt ein zwischen dem Ansaugkolben und dem Gegenkolben der Radialkolbenpumpe eingesetztes Federelement eine kraftschlüssige Abstützung der Kolben an dem Stellelement. Weiterhin bietet es sich an, dass der Ansaug- und der Gegenkolben unmittelbar gleitgelagert oder mittelbar wälzgelagert an der Innenkontur geführt sind. Zur Wälzlagerung sind die Kolben außenseitig von einem Wälzlagerinnenring umschlossen, der radial zur Innenkontur des Stellorgans angeordnet ist, der die Funktion eines äußeren Wälzlagerrings ausübt, wobei in beiden Bauteilen zueinander korrespondierende, für Wälzkörper bestimmte Laufbahnen eingebracht sind. Zur Drehkoppelung greift der Ansaugkolben vorzugsweise mit einer endseitig gerundeten Kolbenspitze formschlüssig in eine komplementär ausgebildete Ausnehmung des Wälzlagerinnenrings.
Zur Gewährleistung einer optimalen Funktionsweise der Kühlmittelpumpe schließt die Erfindung zum Ausgleich der asymmetrischen Anordnung der Kolben der Radialkolbenpumpe ein Ausgleichselement und/oder eine Ausgleichsbohrung ein. Als Ausgleichselement, um eine Unwucht zu vermeiden, eignet sich ein auf der Pumpenwelle platziertes Gegengewicht, beispielsweise in Form eines Stiftes. Alternativ dazu kann eine Unwucht und eine sich daraus ergebende Unwuchtkraft auf die Wasserpumpenlagerung durch gezielt in die Pumpenwelle eingebrachte Sacklochbohrungen ausgeglichen werden.
Erfindungsgemäß umfasst der Aktor ein hydraulisch, elektronisch oder pneumatisch ansteuerbares Steuerelement, um eine exzentrische Verstellung der Radialkolbenpumpe durch das Stellorgan zu ermöglichen.
Ferner ist zur Erreichung einer Optimierung der Leitblechverstellung ein definierter Leckspalt zwischen dem Arbeitskolben und der Bohrungswandung der Pumpenwelle vorgesehen, der ein selbsttätiges Entweichen von Hydraulikfluid aus dem Hochdruckraum in die Kühlmittelpumpe gewährleistet. Dies erfolgt, sobald das bevorzugt elektrisch ansteuerbare Steuerelement des Aktors stromlos geschaltet ist, wodurch sich das der Radialkolbenpumpe zugeordnete Stellelement einschließlich des Ansaug- und des Gegenkolbens unterstützt durch ein Federelement in eine Neutrallage verstellt. Damit ergibt sich eine gewünschte beschleunigte Rückstellung, d. h. Öffnung des Leitblechs in die Neutrallage. Außerdem kann in dem Arbeitskolben ein Überdruckventil integriert werden, das sich bei einem unzulässig hohen Druck öffnet und eine Kühlmittelströmung aus dem Hochdruckraum über einen Absteuerkanal in einen für die Schubstange des Leitblechs bestimmten Einbauraum sowie über eine Ausströmöffnung der Pumpenwelle sicherstellt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe eine Ausfallsicherung oder Failsafe-Einrichtung einschließen. Dazu ist der Schubstange innerhalb der Pumpenwelle ein Federelement, insbesondere eine Druckfeder, zugeordnet, die bei einer Störung, beispielsweise einem Stromausfall des Aktors, die Schubstange und das damit verbundene Leitblech in die Neutralstellung verschiebt. Ergänzend oder alternativ dazu bietet sich als Failsafe-Einrichtung ein Federelement an, das in einem Schadensfall der Aktuatorik das Stellorgan in eine Neutralstellung verstellt. Die Failsafe-Einrichtungen bewirken bei einem Defekt des Aktors, dass sich das Leitblech öffnet, wodurch sich ein maximaler Förder- oder Volumenstrom der Kühlmittelpumpe einstellt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß aufgebauten Kühlmittelpumpe;
2 in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe;
3 in einer Detailzeichnung die Radialkolbenpumpe mit zugehörigem Stellelement;
1 zeigt eine schematische Darstellung von allen Komponenten einer erfindungsgemäß aufgebauten Kühlmittelpumpe 1 einer Brennkraftmaschine 2, die mittels eines Zugmitteltriebs 3 angetrieben wird. Ein Zugmittel 4 des als Riementrieb ausgeführten Zugmitteltriebs 3 verbindet eine erste einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 zugeordnete Riemenscheibe 5 mit einer zweiten Riemenscheibe 6 der Kühlmittelpumpe 1. Das Fördervolumen der mit einem Kühlkreislauf 7 in Verbindung stehenden Kühlmittelpumpe 1 ist über einen Aktor 10, der einem Hydraulikkreislauf 8 zugeordnet ist, einstellbar bzw. regelbar. Bevorzugt bildet der Aktor 10 mit den in 2 gezeigten Komponenten, einer Radialkolbenpumpe 23, einem Stellorgan 30 sowie einem Steuerelement 35 eine Baueinheit.
In der 2 ist die regelbare Kühlmittelpumpe 1 im Längsschnitt abgebildet. Die Kühlmittelpumpe 1 umfasst ein Pumpengehäuse 12, in dem eine als Hohlwelle ausgebildete Pumpenwelle 13 über ein Wälzlager 9 gelagert ist und die drehstarr mit einem Flügelrad 14 verbunden ist. Bei rotierendem Flügelrad 14 im Betriebszustand der Kühlmittelpumpe 1 strömt Kühlmittel axial über einen Sauganschluss 15 zu dem Flügelrad 14 und wird radial in einen Druckkanal 16 bzw. Spiralkanal geleitet. Dabei bildet ein mit dem Flügelrad 14 verbundener Pumpendeckel 17 einen Übergang zwischen dem Sauganschluss 15 und dem Druckkanal 16. Zur Einflussnahme auf das Fördervolumen, den Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1, ist ein axial verschiebbares Leitblech 18 vorgesehen, das einen Ausströmbereich 19 des Flügelrades 14 variabel überdeckt und mit einer gegenüber der Pumpenwelle 13 axial verschiebbaren Schubstange 20 verbunden ist. Mittels des Aktors 10 kann das Leitblech 18 stufenlos zwischen zwei durch den Pumpendeckel 17 und einer Rückwand 21 des Flügelrades 14 definierten Endlagen ein- oder verstellt werden. Gemäß 2 ist das Leitblech 18 an der Rückwand 21 abgestützt, wodurch sich ein maximaler Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 einstellt. Der Aktor 10 umfasst eine innerhalb der Kühlmittelpumpe 1 integrierte, als Radialkolbenpumpe 23 ausgeführte Verdrängerpumpe, die über ein Stellorgan 30 exzentrisch verstellbar ist. Die Radialkolbenpumpe 23 schließt zwei gegenüberliegende Kolben ein, einen Ansaugkolben 24 sowie einen Gegenkolben 25, die in einer radial ausgerichteten Durchlassbohrung 26 der Pumpenwelle 13 geführt und die außenseitig an einer Innenkontur 27 des Stellorgans 30 abgestützt sind.
Über eine Linearführung ist das auch als Exzenterschlitten zu bezeichnende Stellorgan 30 zur Einstellung einer Exzentrizität E zwischen einer Längsachse 32 der Kühlmittelpumpe 1 und einer Drehachse 33 der Radialkolbenpumpe 23 in einer Aufnahme 28 des Pumpengehäuses 12 linear verschiebbar und dabei mittels einer Abdichtung 29 abgedichtet. Über ein dem Aktor 10 zugeordnetes Steuerelement 35, das insbesondere elektrisch über das Motormanagement der Brennkraftmaschine 2 ansteuerbar ist, kann das Stellorgan 30 und damit die Exzentrizität E und folglich ein Hub der Kolben 24, 25 verstellt werden, was unmittelbar deren oszillierende Bewegung beeinflusst, die einer Rotation der Pumpenwelle 13 überlagert ist. Mittels eines insbesondere als Druckfeder ausgeführten Federelements 37 sind die Kolben 24, 25 kraftschlüssig an der Innenkontur 27 des Stellorgans 30 abgestützt. Im Bereich größter Exzentrizität E der Radialkolbenpumpe 23 in einer Ansaugphase des Kolbens 24, strömt Kühlmittel über einen mit einem Ansaugventil 38 des Ansaugkolbens 24 zusammenwirkenden Zuströmkanal des Pumpengehäuses 12 in den Kolben 24. Dabei unterstützt der anstehende Staudruck des Zuströmkanals in der Ansaugphase des Kolbens 24 das Öffnen des Ansaugventils 38. Nach Ende der Ansaugphase und geschlossenem Ansaugventil 38 folgt die Pumpphase des Kolbens 24, die sich bis zu einer > 150° versetzten Lage gegenüber dem Beginn der Ansaugphase erstreckt. In der Pumpphase wird das Kühlmittel über ein Bodenventil 39 des Ansaugkolbens 24 in einen von dem Ansaugkolben 24 und dem Gegenkolben 25 begrenzten Druckraum 40 der Pumpenwelle 13 verdrängt. Der Gegenkolben 25 ist zum Massenausgleich bzw. zur radialen Massenverteilung gegenüber dem Ansaugkolben 24 eingesetzt. Über ein weiteres in einer Längsbohrung der Pumpenwelle 13 eingesetztes Zwischenventil 41 kann das Kühlmittel aus dem Druckraum 40 in einen Hochdruckraum 43 einströmen zur Druckbeaufschlagung eines Arbeitskolbens 44, der über die Schubstange 20 mit dem Leitblech 18 in Verbindung steht. Das Zwischenventil 41 öffnet, sobald sich ein Druckgefälle einstellt, bei dem der Druck im Druckraum 40 das Druckniveau im Hochdruckraum 43 übertrifft. Eine Stellbewegung des Arbeitskolbens 44, der Schubstange 20 und des damit in Verbindung stehenden Leitblechs 18 in Richtung des Pumpendeckels 17 erfolgt, sobald der sich im Hochdruckraum 43 einstellende Druck die Federkraft einer auch als Failsafe-Einrichtung 45 zu bezeichnenden Feder übertrifft. Die Feder umschließt lokal die Schubstange 20 und ist dabei zwischen einer Schulter der Pumpenwelle 13 und dem Arbeitskolben 44 abgestützt.
Als Maßnahme, um einem unkontrollierten Druckanstieg im Hochdruckraum 43 entgegenzuwirken, kann in dem Arbeitskolben 44 ein Überdruckventil integriert werden, das bei Überschreiten eines Grenzdrucks öffnet und ein Abströmen von Kühlmittel aus dem Hochdruckraum 43 über einen Absteuerkanal und/oder eine Ausströmöffnung der Pumpenwelle 13 ermöglicht. Ein schnelles Rückstellen des Leitblechs 18 stellt ein als Längskanal in der äußeren Kontur des Arbeitskolbens 44 eingebrachter Leckspalt 46 sicher, über den Kühlmittel aus dem Hochdruckraum 43 in einen für die Feder der Failsafe-Einrichtung 45 bestimmten Ringraum 47 abgesteuert werden kann. Der Ringraum 47 ist mittels einer Ausströmöffnung 48 mit dem Sauganschluss 15 verbunden. Das mit der Radialkolbenpumpe 23 zusammenwirkende Stellorgan 30 wird außenseitig von einer Druckfeder beaufschlagt, die eine weitere Failsafe-Einrichtung 49 bildet. Beispielsweise bei Ausfall des Aktors 10 bzw. des Steuerelements 35 verschiebt die Failsafe-Einrichtung 49 das Stellorgan 30 in eine Ausgangs- oder Neutralstellung, bei der sich keine Exzentrizität E und folglich die maximale Kühlmittelförderung der Kühlmittelpumpe 1 einstellt.
3 zeigt eine Detailzeichnung der Kühlmittelpumpe 1, die insbesondere die asymmetrische Anordnung des Ansaugkolbens 24 und des Gegenkolbens 25 der Radialkolbenpumpe 23 verdeutlicht. Die Kolben 24, 25 sind in der Pumpenwelle 13 in einem von 180° abweichenden Zylinder- bzw. Kolbenwinkel α geführt. Abweichend zu 2 sind die Kolben 24, 25 über ein Wälzlager 53 mit dem Stellorgan 30 verbunden. Dazu ist das Wälzlager 53 in die Innenkontur 27 kraftschlüssig eingepresst. Der Ansaugkolben 24 greift zur Drehkoppelung mit einer kalottenförmigen Kolbenspitze 51 form- und kraftschlüssig in eine korrespondierend gestaltete Ausnehmung 52 eines Innenrings des Wälzlagers 53. Der Gegenkolben 25 ist ausschließlich kraftschlüssig an dem Wälzlagerinnenring abgestützt. Zum Ausgleich einer eventuell sich einstellenden Unwucht aufgrund der asymmetrischen Anordnung der Kolben 24, 25 ist die Pumpenwelle 13 mit einem Ausgleichselement 54 versehen.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelpumpe
2: Brennkraftmaschine
3: Zugmitteltrieb
4: Zugmittel
5: Riemenscheibe (Kurbelwelle)
6: Riemenscheibe (Kühlmittelpumpe)
7: Kühlkreislauf
8: Hydraulikkreislauf
9: Wälzlager
10: Aktor
12: Pumpengehäuse
13: Pumpenwelle
14: Flügelrad
15: Sauganschluss
16: Druckkanal
17: Pumpendeckel
18: Leitblech
19: Ausströmbereich
20: Schubstange
21: Rückwand
23: Radialkolbenpumpe
24: Ansaugkolben
25: Gegenkolben
26: Durchlassbohrung
27: Innenkontur
28: Aufnahme
29: Abdichtung
30: Stellorgan
32: Längsachse
33: Drehachse
35: Steuerelement
37: Federelement
38: Ansaugventil
39: Bodenventil
40: Druckraum
41: Zwischenventil
43: Hochdruckraum
44: Arbeitskolben
45: Failsafe-Einrichtung
46: Leckspalt
47: Ringraum
48: Ausströmöffnung
49: Failsafe-Einrichtung
51: Kolbenspitze
52: Ausnehmung
53: Wälzlagerung
54: Ausgleichselement
A: Zylinderwinkel
E: Exzentrizität

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005004315 B4 [0003]
DE 19901123 A1 [0003]
DE 102005004315 A1 [0003]
DE 102005062200 A1 [0003]

Claims

Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine mit einem regelbaren Volumenstrom, die ein Pumpengehäuse (12) umfasst, in dem eine als Hohlwelle ausgebildete Pumpenwelle (13) mit zugehörigem Flügelrad (14) drehbar gelagert ist, über das Kühlmittel aus einem Sauganschluss (15) in einen Druckkanal (16) der Kühlmittelpumpe (1) gefördert wird und der Volumenstrom des Kühlmittels der Kühlmittelpumpe (1) mittels eines dem Flügelrad (14) zugeordneten Leitblechs (18) beeinflusst werden kann, das stufenlos zwischen zwei Endstellungen axial verschiebbar und mit einer in der Pumpenwelle (13) geführten Schubstange (20) verbunden ist und die Verstellung des Leitblechs (18) durch einen Aktor (10) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) eine in der Kühlmittelpumpe (1) integrierte Radialkolbenpumpe (23) umfasst, die über ein als Exzenter ausgebildetes Stellorgan (30) in Verbindung mit einem Steuerelement (35) verstellbar ist, und die Radialkolbenpumpe (23) zwei asymmetrisch in der Pumpenwelle (13) geführte, von dem Stellorgan (30) umschlossene, oszillierende Kolben, einen Ansaugkolben (24) sowie einen Gegenkolben (25), umfasst und Kühlmittel als Hydraulikfluid aus der Kühlmittelpumpe (1) über bevorzugt als Kugelrückschlagventile ausgeführte Ventile des Ansaugkolbens (24) in einen gemeinsam von den Kolben (24, 25) begrenzten Druckraum (40) einströmt, der mittelbar mit einem Hochdruckraum (43) verbunden ist, in dem ein mit der Schubstange (20) verbundener Arbeitskolben (44) beaufschlagbar ist.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaug- oder Hauptkolben (24) und der Gegenkolben (25) in einem von 180° abweichenden Zylinder- oder Kolbenwinkel α angeordnet sind.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Hohlkörper gestaltete Ansaugkolben (24) ein mit einem Zuströmkanal der Kühlmittelpumpe (1) zusammenwirkendes Ansaugventil (38) sowie ein den Kühlmittelstrom zwischen dem Ansaugkolben (24) und dem Druckraum (40) steuerndes Bodenventil (39) einschließt, wobei die Ventile (38, 39) als Kugelrückschlagventile ausgeführt sind.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (40) und der Hochdruckraum (43) über ein als Kugelrückschlagventil aufgebautes Zwischenventil (41) verbunden sind, das bei einem Druckgefälle zwischen beiden Druckräumen (40, 43) ein Zuströmen von Kühlmittel aus dem Druckraum (40) in den Hochdruckraum (43) ermöglicht.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über das drehfixiert und abgedichtet in einer Aufnahme (28) des Pumpengehäuses (12) eingesetzte Stellorgan (30) eine Exzentrizität E der Radialkolbenpumpe (23) und der zugehörigen Kolben (24, 25) zu einer Dreh- oder Längsachse (32) der Kühlmittelpumpe (1) einstellbar ist und die Kolben (24, 25) unmittelbar oder mittelbar an einer Innenkontur (27) des Stellorgans (30) gleitgelagert oder wälzgelagert geführt und abgestützt sind.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkolben (24) zur Drehkoppelung an einer mit dem Stellorgan (30) verbundenen Wälzlagerung (53) mit einer endseitig gerundeten Kolbenspitze (51) formschlüssig in eine komplementär ausgebildete Ausnehmung (52) eines Wälzlagerinnenrings eingreift und zur kraftschlüssigen Abstützung zwischen dem Ansaugkolben (24) und dem Gegenkolben (25) ein Federelement (37) eingesetzt ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich der asymmetrisch in der Pumpenwelle (12) angeordneten Kolben (24, 25) der Radialkolbenpumpe (23) die Pumpenwelle (13) zumindest ein Ausgleichselement (54) und/oder zumindest eine Sacklochbohrung einschließt.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) ein hydraulisch, elektronisch oder pneumatisch ansteuerbares Steuerelement (35) zur Verstellung des Stellorgans (30) der Radialkolbenpumpe (23) umfasst.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Arbeitskolben (44) und einer Bohrungswandung des Hochdruckraums (43) ein Leckspalt (46) vorgesehen ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausfallsicherung die Schubstange (20) und/oder das Stellorgan (30) mit einer als Federelement ausgebildeten Failsafe-Einrichtung (45, 49) zusammenwirkt.