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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei eine Pumpe zum Pumpen einer Betriebsflüssigkeit des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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In den letzten Jahrzehnten sind die Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren, insbesondere für Fahrzeuge wie Pkw oder dergleichen, immer mehr gestiegen. So wurden die Verbrennungsmotoren zum Beispiel immer leichter, leistungsstärker und vor allem mussten diese an immer höher steigende Umweltanforderungen angepasst werden. Dies führte u. a. dazu, dass beispielsweise bei einem Personenkraftwagen (Pkw) die Komplexität des Antriebssystems einschließlich der Abgasbehandlung stetig zunahm. So werden heute vielfach die Verbrennungsmotoren z. B. mit G-Ladern, Turboladern oder dergleichen bestückt.
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Auch sind umfangreiche Maßnahmen der Abgasreinigung sowie der Motorsteuerung zur Generierung immer schadstoffärmerer Abgase notwendig. Hierdurch wurden jedoch zusätzliche Aggregate bzw. sogenannte Nebenaggregate notwendig. Dies führt wiederum zu zum Teil sehr beengten Platzverhältnissen im Motorraum der Fahrzeuge.
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Darüber hinaus sind zum Beispiel neben der Motoraufladung und dem Kühlsystem, das heißt einem Kühlmittelkreislauf mit Kühler, Kühlerventilator sowie Kühlmittelpumpe, in modernen Pkw auch Komponenten einer Klimaanlage für den Fahrgastinnenraum Standard.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Otto-Motors, vorzuschlagen, die weniger Bauraum benötigt und mit einem geringerem konstruktiven Aufwand realisiert wird.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass der Antrieb einer Pumpe einer Betriebsflüssigkeit zudem als Luftpumpenantrieb zum Antreiben eines drehbaren Luftpumpenrades einer Luftpumpe ausgebildet ist.
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Mit Hilfe des vorteilhaften Antriebs gemäß der Erfindung kann dieser mehrfach verwendet werden, so dass sich der konstruktive Aufwand bei der Verwendung bzw. zum Pumpen zweier Betriebsmedien halbiert. Hierdurch wird auch eine Einsparung von Bauraum und Kosten realisiert. So kann beispielsweise der Antrieb einer Kühlmittelpumpe einer Flüssigkeitskühlung, insb. eines Kühlmittelkreislaufs mit Kühler, Kühlerventilator sowie Kühlmittelpumpe, und/oder der Antrieb einer Ölpumpe oder dergleichen zusätzlich für das Umpumpen eines Gases, vorzugsweise von Luft, als zweites Betriebsmedium des Verbrennungsmotors oder eines Nebenaggregats einer Fahrzeugkomponente oder dergleichen in vorteilhafter Weise verwendet werden. Dies führt nicht nur zu einer Reduktion des Platzbedarfs, sondern auch zur Reduktion der Systemkomplexität von Verbrennungsmotoren bzw. eines modernen Fahrzeugs wie eines Personenkraftwagens oder dergleichen.
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Beispielsweise kann ein und derselbe Antrieb, insbesondere ein Elektromotor, zeitgleich die Betriebsflüssigkeit als auch das Gas bzw. die Luft antreiben bzw. umpumpen. Gerade die zusätzliche Leistung zum Umpumpen eines Gases bzw. von Luft ist für einen Antrieb für eine Flüssigkeit wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit nahezu unerheblich, sodass eine Vergrößerung des Antriebs bzw. des Elektromotors nicht notwendig oder ohne wesentliche Auswirkung ist. Dementsprechend wird erheblicher Bauraum eingespart sowie Kosten reduziert.
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Alternativ oder in Kombination hierzu kann der Antrieb in einer ersten Betriebsphase zum Antreiben bzw. Pumpen der Betriebsflüssigkeit und in einer zweiten, vorzugsweise separaten Betriebsphase zum Antreiben bzw. Umpumpen von Luft bzw. Gas verwendet werden. Gerade bei dieser Variante kann ein vergleichsweise klein dimensionierter Antrieb bzw. Elektromotor zum Umpumpen bzw. Antreiben der Betriebsflüssigkeit, d. h. dass dieser eine relativ kleine Leistung ausweisen kann, aufgrund der unterschiedlichen Aggregatszustände bzw. der hiermit verbundenen (Strömungs-)Eigenschaften des Pumpmediums, trotzdem zur Generierung eines vergleichsweise großen Volumenstroms von Luft bzw. Gas verwendet werden. Das bedeutet, dass z. B. eine bereits vorhandene Flüssigkeitspumpe mit geringer Leistung durchaus in vorteilhafter Weise zum Umpumpen bzw. Antreiben großer Volumenströme von Luft bzw. Gas einsetzbar ist.
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Grundsätzlich kann für den Antrieb des Pumpenrades und/oder des Luftpumpenrades eine Übersetzung oder Untersetzung, das heißt ein Getriebe oder dergleichen, in vorteilhafter Weise verwendet werden. Vorzugsweise ist jedoch ein Direktantrieb des Pumpenrades der Flüssigkeitspumpe und/oder des Luftpumpenrades der Luftpumpe vorzusehen.
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Beispielsweise kann eine Ölpumpe und/oder eine Kühlwasserpumpe, d. h. deren Antrieb, zusätzlich als Abgasantrieb einer Abgaseinheit ausgebildet werden. So kann beispielsweise Abgas entsprechend mittels eines Abgaspumpenrads angetrieben bzw. gepumpt werden. Vorzugsweise wird jedoch nicht mit Abgas belastete Luft, sondern atmosphärische Luft mit Hilfe der Abgaspumpe bzw. der Luftpumpe in das Abgassystem hinein gepumpt bzw. angetrieben.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Luftpumpe als Sekundärluftpumpe zum Pumpen von Luft in ein Abgassystem des Verbrennungsmotors ausgebildet. Gerade in den letzten Jahren hat sich aufgrund der immer anspruchsvolleren Anforderungen an die Abgasqualität ein so genanntes ”Sekundärluftsystem” gerade bei Ottomotoren etabliert. Hierbei wird vor allem während der Motorwarmlaufphase etwa bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors die Gemischeinstellung mit Kraftstoffüberschuss realisiert, das heißt unterstöchiometrisch. Hierdurch verlässt ein Teil der Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs unverbrannt den Brennraum, so dass diese in die Umgebung gelangen könnten. Ein anderer Teil des Kraftstoffüberschusses verbrennt unvollständig zu giftigem Kohlenmonoxid. Dies ist jedoch für moderne Verbrennungsmotoren bzw. Personenkraftwagen oder dergleichen nicht mehr tolerabel.
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Aufgrund dessen wird in einer Motorwarmlaufphase separat in das Abgassystem zusätzliche Luft, das heißt die sogenannte ”Sekundärluft”, eingeblasen bzw. hinein gepumpt. Durch den Sauerstoffüberschuss im Abgassystem wird erreicht, dass die unverbrannten Kraftstoffanteile bzw. das Kohlenmonoxid entsprechend oxidieren können. So wird auch eine zusätzliche Erwärmung des Abgases erreicht, was beispielsweise dazu führt, dass in vorteilhafter Weise der Katalysator schneller seine Betriebstemperatur erreicht und eine ”Reinigung der Abgase” gewährleistet. Hierdurch kann der Katalysator in vorteilhafter Weise auch weiter vom Verbrennungsmotor beabstandet werden, so dass dessen Standzeit deutlich erhöht wird.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Lufteinblasung parallel (möglichst) in alle Auslasskanäle, das heißt relativ weit entfernt vom Katalysator. Vorzugsweise ist hierbei ein sogenanntes ”Sekundärluftventil” vorgesehen, so dass ein Zurückströmen von Abgas in das Sekundärluftsystem unterbunden wird. Es können jedoch auch einfache Rückschlagventilklappen oder dergleichen verwendet werden.
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In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird die Luftpumpe bzw. der Luftpumpenantrieb in einer ersten, vorzugsweise nur wenige Sekunden dauernden, insbesondere ca. 10 bis 20 Sekunden dauernden Warmlaufphase des Verbrennungsmotors betrieben. In dieser ersten Phase bzw. einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors wird jedoch die Pumpe bzw. Flüssigkeitspumpe, insbesondere die Kühlmittelpumpe, nicht betrieben. Dies ist deshalb ohne Nachteil, da der Verbrennungsmotor in dieser Warmlaufphase entsprechend noch nicht gekühlt werden muss.
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Es wird in vorteilhafter Weise die Pumpe bzw. Flüssigkeitspumpe, das heißt vor allem die Kühlmittelpumpe, in einer zweiten Betriebsphase angetrieben und während dessen hierbei die Luftpumpe nicht angetrieben. Das bedeutet, dass die zweite Betriebsphase im Wesentlichen einem Warmbetrieb des Verbrennungsmotors entspricht, wobei die Kühlung des Verbrennungsmotors, insbesondere mittels einer Kühlwasserkühlung oder dergleichen, in vorteilhafter Weise realisiert wird.
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Das heißt, das Umpumpen bzw. Umwälzen des Kühlwassers durch die Wasserpumpe wird hierbei erst in der zweiten Betriebsphase durchgeführt, wenn der Verbrennungsmotor auf die gewünschte/erforderliche Betriebstemperatur gekommen ist. Dies ist in einer Zeit bzw. Phase, die etwa ab/nach ca. 20 Sekunden nach dem Kaltstart beginnt.
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Da die Sekundärluftpumpe bei derzeit üblichen Verbrennungsmotoren maximal 20 Sekunden ab dem Kaltstart betrieben wird, kommt es üblicherweise zu keiner Situation, in der beide Pumpen gleichzeitig betrieben werden (müssen). Somit kann in vorteilhafter Weise durch passende Ausbildung bzw. Weiterbildung der Erfindung ein System realisiert werden, bei dem diese beiden Pumpen mit demselben bzw. identischen. Antrieb, vorzugsweise Elektromotor, betrieben werden können. Dies führt zu einer Reduktion der Kosten sowie der Einsparung von Bauraum im Motorraum von modernen Personenkraftwagen oder dergleichen.
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Vorzugsweise ist der Antrieb als Antriebsmotor mit einer ersten Drehrichtung und mit einer zweiten, der ersten entgegen gerichteten Drehrichtung ausgebildet, wobei in der ersten Drehrichtung das Pumpenrad und in der zweiten Drehrichtung das Luftpumpenrad antreibbar ist bzw. angetrieben wird. Hiermit wird erreicht, dass ohne großen konstruktiven und ohne großen steuerungstechnischen Aufwand eine funktionelle Trennung des gemeinsamen Antriebs bzw. Umpumpens der Betriebsflüssigkeit und der Betriebsluft bzw. des Betriebsgases realisierbar ist.
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Vorzugsweise sind das Pumpenrad der Flüssigkeitspumpe bzw. der Pumpe zum Pumpen der Betriebsflüssigkeit und/oder das Luftpumpenrad der Luftpumpe als Zentrifugalpumpe bzw. Kreiselpumpe/Fliehkraftpumpe ausgebildet und/oder weist das Pumpenrad und/oder das Luftpumpenrad ein Laufrad mit Pumpenschaufeln auf, wobei die Pumpenschaufeln von der Drehrichtung abhängig ausgeformt sind. So weist das Pumpenrad und/oder das Luftpumpenrad in vorteilhafter Weise jeweils eine Pumpendrehrichtung auf, wobei das Pumpenmedium gepumpt wird, d. h. die Betriebsflüssigkeit oder die Luft bzw. das Gas, und eine zweite entgegen gerichtete Drehrichtung auf, wobei das jeweilige Pumpenmedium nicht bzw. nur minimal gepumpt bzw. in Strömung versetzt wird.
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Vorzugsweise ist die Drehachse des Pumpenrades in Längsrichtung betrachtet neben bzw. längs der Drehachse des Luftpumpenrades angeordnet. Alternativ oder in Kombination hierzu kann jedoch auch die Drehachse des Pumpenrades konzentrisch in Bezug auf die Drehachse des Antriebs und/oder in Bezug auf die Drehachse des Luftpumpenrades angeordnet werden. Hierdurch kann eine weitere Einsparung von Bauraum realisiert werden.
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Gerade bei der oben genannten Variante mit drehrichtungsabhängigem Laufrad der Pumpe und/oder der Luftpumpe kann eine starre Verbindung zwischen diesen durchaus in vorteilhafter Weise realisiert werden. Vorzugsweise ist jedoch wenigstens eine Koppeleinheit zum Entkoppeln des Pumpenrades vom Luftpumpenrad vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass keine unnötige bzw. Energie verbrauchende Mitnahme des anderen/zweiten Laufrades während der entsprechenden Betriebsphase erfolgt. Hierdurch werden Energie und somit auch Kosten eingespart. Auch kann eine vollständige Abschaltung in einer Betriebsphase eines der beiden Laufräder realisiert werden, sodass auch ein Abrieb bzw. Verschleiß entsprechend reduziert bzw. in dieser Phase unterbunden wird.
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Beispielsweise kann die Koppeleinheit als Kupplung ausgebildet werden. Vorzugsweise ist die Koppeleinheit als Freilaufvorrichtung ausgebildet. Mit Hilfe einer vorteilhaften Freilaufvorrichtung bzw. einer sogenannten Freilaufnabe wird ohne großen Aufwand und ohne viel Bauraum eine vollständige und wirkungsvolle Entkopplung des Luftpumpenrades vom Pumpenrad in Abhängigkeit der Drehrichtung realisierbar.
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Vorteilhafterweise ist die Koppeleinheit wenigstens zwischen dem Pumpenrad und dem Luftpumpenrad angeordnet. Alternativ oder in Kombination hierzu kann die Koppeleinheit bzw. eine zweite Koppeleinheit wenigstens zwischen dem Antrieb sowie dem Pumpenrad und/oder dem Luftpumpenrad angeordnet werden. Hierdurch kann in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsphase bzw. der jeweiligen Drehrichtung das Pumpenrad und/oder das Luftpumpenrad betrieben oder vollständig abgeschaltet bzw. außer Betrieb gesetzt werden.
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Generell kann beispielsweise auch ein drittes Laufrad von einem weiteren Nebenaggregat des Verbrennungsmotors im Sinn der Erfindung mit dem gemeinsamen Antrieb in vorteilhafter Weise angetrieben werden, wobei das Luftpumpenrad und/oder das Pumpenrad in vorteilhafter Weise außer Betrieb gesetzt werden, insbesondere mit der einen oder mit beiden Koppeleinheiten.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigt:
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1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Elektroantrieb, Wasserpumpe und Sekundärluftpumpe und
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2 einen schematischen Aufbau einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit konzentrisch angeordneten Antriebsachsen der Wasserpumpe und der Sekundärluftpumpe.
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In 1 ist schematisch eine Anordnung eines Elektromotors 1, einer Wasserpumpe 2 sowie einer sogenannten Sekundärluftpumpe 3 dargestellt. Hierbei sind diese drei Komponenten längs einer (gemeinsamen) Drehachse mittels einer Antriebswelle 5 und einer Antriebswelle 6 angeordnet.
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Zwischen dem Elektromotor 1 und der Wasserpumpe 2 ist eine Koppeleinheit 4 vorgesehen. Entsprechend ist auch zwischen dem Elektromotor 1 und der Sekundärluftpumpe 3 eine zweite Koppeleinheit 4 vorgesehen.
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Die Koppeleinheit 4 kann einerseits als Kupplung oder andererseits als Freilaufnabe oder dergleichen ausgebildet werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einer ersten Drehrichtung die Antriebswelle 5 die Wasserpumpe 2 bzw. dessen Laufrad antreibt, sodass eine entsprechende Betriebsflüssigkeit, insbesondere das sogenannte Kühlwasser des Verbrennungsmotors vorzugsweise in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf, umgepumpt bzw. angetrieben und in Strömung versetzt wird.
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Bei einer zweiten Drehrichtung, die der ersten Drehrichtung entgegen gesetzt gerichtet ist, wird die Antriebswelle 6 der Sekundärluftpumpe 3 angetrieben, so dass dessen Luftpumpenlaufrad entsprechend Luft bzw. Gas umpumpt bzw. in Strömung versetzt.
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Grundsätzlich sind die beiden Koppeleinheiten jeweils als optionale Möglichkeit anzusehen. Das heißt, es kann auch eine starre Verbindung zwischen Elektromotor 1 und Wasserpumpe 2 bzw. Sekundärluftpumpe 3 bzw. eine gemeinsame, ggf. sogar einstückige Antriebswelle vorgesehen werden. Bei dieser Variante der Erfindung ist in vorteilhafter Weise eine besonders ausgeprägte laufrichtungsabhängige Ausformung der entsprechenden Laufräder der Wasserpumpe 2 bzw. der Luftpumpe 3 in der Weise vorzusehen, dass das jeweilige Medium in die eine Drehrichtung in Strömung versetzt wird und in die entgegen gerichtete Drehrichtung nicht bzw. nahezu nicht in Strömung versetzt wird. Hierdurch wird mittels der Ausformung der Laufräder in gewisser Weise eine Entkopplung zwischen den beiden Laufrädern der Wasserpumpe 2 und der Luftpumpe 3 realisierbar.
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In 1 sind weiterhin die dargestellten, schematischen Komponenten auch mit Bezugszeichen mit einem oder zwei Apostrophstrichchen dargestellt. Dies soll unterschiedlichste Varianten der Anordenbarkeit/Ausbildung der drei lediglich schematisch dargestellten Komponenten Elektromotor 1, Wasserpumpe 2 sowie Sekundärluftpumpe 3 veranschaulichen. Das bedeutet, dass beispielsweise ein Elektromotor 1' auch beispielhaft an der linken äußeren Seite anordenbar ist und entsprechend in der Mitte eine Wasserpumpe 2' und dann wiederum die Sekundärluftpumpe 3 auf der rechten äußeren Seite angeordnet werden kann. Entsprechend können auch die beiden Komponenten Wasserpumpe 2'' und Sekundärluftpumpe 3'' gemäß 1 angeordnet werden. Auch bei diesen unterschiedlichen Varianten der Anordnung der besagten drei Komponenten sind die Koppeleinheiten 4 entsprechend optional vorzusehen. Wesentlich bei den dargestellten Varianten gemäß 1 ist jedoch, dass der Antrieb durch entsprechende Drehrichtungsumkehr des Antriebsmotors 1, 1' in vorteilhafter Weise erfolgen soll.
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In 2 ist eine weitere Variante der Erfindung schematisch dargestellt, wobei die Antriebswellen 5 bzw. 6 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dementsprechend treibt der Elektromotor 1 gemäß dieser Variante bei einer ersten Drehrichtung die Wasserpumpe 2 an und bei einer entsprechend entgegen gerichteten zweiten Drehrichtung die Luftpumpe 3. Vorzugsweise sind zwei Lagerstellen 7 zur vorteilhaften Lagerung der konzentrischen Antriebswellen vorgesehen bzw. schematisch dargestellt.
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Bei der Variante gemäß 2 wurde lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit die Darstellung einer oder zwei Koppeleinheiten 4 bzw. Freiläufe nicht näher dargestellt.
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Aus den in den 1 und 2 dargestellten Varianten wird deutlich, dass ein einziger Antrieb bzw. Elektromotor 1 für beide Pumpen, das heißt die Wasserpumpe 2 und die Sekundärluftpumpe 3 verwendet wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise Bauraum und Kosten eingespart und der konstruktive Aufwand in vorteilhafter Weise reduziert. Darüber hinaus ist durchaus auch realisierbar, eine weitere, nicht näher dargestellte separate Komponente, beispielsweise eine Ölpumpe oder einen Klimakompressor einer Klimaanlage eines Fahrzeugs entsprechend mit dem Elektromotor 1 zusätzlich oder alternativ zu den dargestellten Komponenten 2, 3 anzutreiben.
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Generell können auch weitere vorteilhafte Varianten der Erfindung realisiert werden, wobei beispielsweise die Koppeleinheiten 4 bzw. Freilaufnaben oder dergleichen in den Elektromotor 1 oder jeweils eine Koppeleinheit 4 in die Wasserpumpe 2 und/oder Sekundärluftpumpe 3 integriert werden. Auch ist ein Elektromotor 1 mit zwei getrennten Läufern bei einem gemeinsamen Stator im Sinn der Erfindung realisierbar. Bei letzterer Variante könnte ggf. auf eine Koppeleinheit 4 in vorteilhafter Weise verzichtet werden.
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Vorzugsweise wird die Drehzahl des Elektromotors 1 mittels einer Leistungselektronik bedarfsgerecht geregelt und der benötigte/vorteilhafte Volumenstrom des jeweiligen Pumpmediums durch die Pumpen 2, 3 zur Verfügung gestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 1'
- Elektromotor
- 2
- Wasserpumpe
- 2'
- Wasserpumpe
- 2''
- Wasserpumpe
- 3
- Luftpumpe
- 3'
- Luftpumpe
- 3''
- Luftpumpe
- 4
- Koppeleinheit
- 5
- Welle
- 6
- Welle
- 7
- Lagerstelle
