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Die Erfindung betrifft eine in Verbindung mit Verbrennungsmotoren im Hauptkühlmittelstrom als Hauptwasserpumpe eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe mit einer parallel zum Hauptkühlmittelstrom angeordneten elektrischen Zusatzwasserpumpe.
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Im Rahmen der stetigen Optimierung der Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emission und Kraftstoffverbrauch ist eine aktive Steuerung der Wärmeströme und damit der Temperaturverteilung im Motor erforderlich, um den Motor nach dem Kaltstart möglichst schnell auf die Betriebstemperatur zu bringen, und dadurch die Reibungsverluste zu minimieren, die Emissionswerte zu reduzieren und nicht zuletzt den Kraftstoffverbrauch deutlich zu verringern. Daher wurden in den vergangenen Jahren anstelle der herkömmlichen, starr an die Motorendrehzahl gekoppelten Kühlmittelpumpen verstärkt Kühlmittelpumpen eingesetzt deren Förderleistung regelbar ist. Zur Beeinflussung der Volumenströme werden die unterschiedlichsten Aktuatoren eingesetzt. Aus der
DE 10 2006 048 482 A1 ist eine Kopplungsvorrichtung für eine Kühlmittelpumpe bekannt, bei der das Pumpenrad axial verschiebbar auf der Antriebswelle angeordnet ist, und mittels eines Bimetallelementes so verschoben werden kann, dass das Pumpenrad in einer ersten Endlage, einem ersten Zustand der Vollförderung, drehfest von der Antriebswelle mitgenommen wird, und in einer zweiten Endlage, dem zweiten Zustand der Nullförderung, drehbar mit der Antriebswelle verbunden ist, d. h. frei drehbar auf dieser umläuft. In der
DE 10 2011 076 137 B4 wird eine Aktuatorik zur Regelung einer Kühlmittelpumpe vorbeschrieben. Bei dieser Lösung ist das Flügelrad auf einer Hohlwelle angeordnet. Auf dem Flügelrad ist eine Leitscheibe mit Schubstange angeordnet, welche vom Flügelrad mitgenommen wird. Die Schubstange ist dabei in der Hohlwelle als ”Kolben-Zylinder-Einheit” derart verfahrbar angeordnet, dass diese Kolben-Zylinder-Einheit mit Hilfe einer in der Flügelradpumpe angeordneten Zahnradpumpe bedarfsabhängig betätigt werden kann. Eine andere Möglichkeit der Regelung der Förderleistung bei einer starr an die Motorendrehzahl gekoppelten Flügelraddrehzahl wird in der
DE 10 2010 062 752 A1 vorbeschrieben. Aus diesem Dokument ist eine Pumpe bekannt, bei der das Pumpenrad zur Steuerung der Förderleistung axial verschiebbar ausgeführt ist, wobei gemäß dieser Lösung eine temperaturabhängige Verschiebung des Pumpenrades insbesondere mittels eines Wachsdehnelementes erfolgt. Aus der
DE 60 2005 005 890 T2 ist eine weitere Pumpe mit starr an die Motorendrehzahl gekoppelter Flügelraddrehzahl und regelbarer Liefermenge bekannt. Bei dieser Lösung fährt ein federbelastetes, wärmeempfindliches, bolzenförmiges Bauteil in den Einströmkanal oder den Ausströmquerschnitt des Spiralkanals ein und beeinflusst so temperaturabhängig den Fördervolumenstrom der Pumpe. Eine weitere Vorrichtung zum Steuern der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeuges mit starr an die Motorendrehzahl gekoppelter Flügelraddrehzahl ist aus der
DE 198 23 603 A1 bekannt. Bei dieser Lösung kann der Einlassquerschnitt des Flügelrades oder der Auslass des Spiralkanals mittels eines elektrisch beheizbaren, mit einer Dehnstofffüllung versehenen Dehnstoffelementes verschlossen werden. Daneben ist aus der
DE 103 59 293 B4 eine Ventilanordnung, insbesondere zur Einstellung der Heizmittel-/Kühlmittelströmung in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei der ein Formgedächtniselement, in der Bauform einer Schraubenfeder, die möglichen Durchflüsse begrenzt. Aus der
DE 10 2011 120 798 A1 ist ein separat, außerhalb der Kühlmittelpumpe anzuordnendes Thermostatventil in Drehschieberbauform bekannt, bei dem der, den Durchfluss des Thermostatventils regelnde Drehschieber mittels eines Dehnstoffelements betätigt wird. Das Dehnstoffelement umfasst eine Dehnstofffüllung aus/mit Wachs, welche in einem Zylinder angeordnet ist und bei Temperaturzunahme eine Volumenvergrößerung erfährt. Im Zylinder ist ein Arbeitskolben mit einer Kolbenstange angeordnet, welche den Zylinder endseitig überragt, so dass eine Volumenvergrößerung der Dehnstofffüllung eine translatorische Bewegung der Kolbenstange bewirkt, die dann den Drehschieber betätigt. Am Dehnstoffelement ist zudem ein entgegen der Ausdehnungsrichtung der Dehnstofffüllung wirkendes Federelement angeordnet. Das vorbeschriebene Dehnstoffelement hat neben einem kostenintensiven, komplexen Aufbau mit relativ hohem Platzbedarf insbesondere die Nachteile einer hohen Ansprechzeit, einem hohen Setzverhalten, einem mit der Lebensdauer zunehmenden Wachsverlust bzw. Strukturänderungen in der Wachsmischung, welche beide zwingend Veränderung in der Temperatur-Dehnungskennlinie zur Folge haben, und nicht zuletzt erfordern diese Dehnstoffelemente zudem einen hohen Recyclingaufwand.
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Um die Ansprechzeit des vorbeschriebenen Dehnstoffelementes zu reduzieren wird in der vorgenannten Ausführungsform vorgeschlagen, am oder im Dehnstoffelement ein Heizelement anzuordnen, mittels dem thermische Energie in die Dehnstofffüllung einleitbar ist. Ein solches Heizelement kann beispielsweise bevorzugt als elektrisch beheizbare Kolbenstange ausgebildet sein, um dadurch kennfeldabhängig eine Öffnung des Thermostatventils zu ermöglichen. An der Kolbenstange wäre dann endseitig ein entsprechender Anschlussstecker anzuordnen, der mit einer Steuereinheit der Verbrennungskraftmaschine elektrisch gekoppelt ist. Derartige, außerhalb der Kühlmittelpumpe angeordnete Thermostatventile erfordern zwingend einen zusätzlichen Bauraum im Motorraum, wie auch zusätzliche Montagearbeiten. Um dies zu vermeiden sind im Stand der Technik Lösungen vorbeschrieben, bei denen das Dehnstoffelement in den jeweiligen Kühlmittelpumpen integriert wurde. Auch von der Anmelderin wurde beispielsweise in der
DE 103 14 526 B4 eine strömungsgekühlte elektrische Kühlmittelpumpe mit integriertem Wegeventil vorgestellt, bei der das Wegeventil bzw. dessen Ventilschieber von einem Dehnstoffelelement betätigt werden kann. Doch auch diese in der Kühlmittelpumpe integrierte Lösung erfordert immer noch einen relativ hohen Platzbedarf und hat ebenso die Nachteile einer hohen Ansprechzeit, einem hohen Setzverhalten, einem mit der Lebensdauer zunehmenden Wachsverlust, bzw. Strukturänderungen in der Wachsmischung, welche beide zwingend Veränderung in der Temperatur-Dehnungskennlinie zur Folge haben, und nicht zuletzt erfordern diese Dehnstoffelemente zudem einen hohen Recyclingaufwand. Auch bei dieser Lösung kann das Dehnstoffelement zur Reduzierung der Ansprechzeit elektrisch beheizt werden. Um diese Nachteile zu beseitigen wurden von der Anmelderin bereits in der
DE 10 2005 004 315 B4 wie auch in der
DE 10 2005 062 200 B3 zwei zwischenzeitlich bewährte Lösungen vorgestellt, welche eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge ermöglichen, um einerseits durch „Null-Leckage” eine optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und um andererseits nach der Erwärmung des Motors (d. h. im „Dauerbetrieb”) die Motortemperatur so zu beeinflussen, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und zudem gleichzeitig auch der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können. Bei diesen Lösungen ist im Pumpengehäuse ein jeweils in Richtung der Wellenachse der Pumpenwelle verschiebbar gelagerter, ringförmig ausgebildeter Ventilschieber mit einem den Ausströmbereich des Flügelrades variabel überdeckenden Außenzylinder angeordnet, welcher entgegen der Federkraft von Rückholfedern, entweder wie in der Lösung nach der
DE 10 2005 004 315 B4 vorgeschlagen, elektromagnetisch, d. h. mit Hilfe einer im Pumpengehäuse angeordneten Magnetspule, welche auf einen mit dem Ventilschieber starr verbundenen Magnetanker einwirkt, oder wie in der
DE 10 2005 062 200 B3 vorgeschlagen, mittels eines pneumatisch oder hydraulisch betätigten Aktuators (welcher hydraulisch auf am Ventilschieber starr angeordnete, im Pumpengehäuse geführte Kolbenstangen einwirkt) linear verschoben werden kann. Die Rückholung des Ventilschiebers in Richtung der Ausgangslage, d. h. entgegen dem pneumatischen oder hydraulischen Steuerdruck, erfolgt mittels gleichmäßig über den Umfang in Federkammern angeordneten Druckfedern. Diese Anordnung eines vom Arbeitsdruck abhängig, linear verschiebbaren, den Ausströmbereich des Flügelrades dabei variabel überdeckenden, Ventilschiebers ist eine sehr kompakte und einfache Lösung. Bei zunehmender Pumpenleistung, d. h. mit zunehmenden Stellkräften, erfordern sowohl die hydraulischen, wie auch die pneumatischen Aktuatoren und deren Anschlussleitungen einen immer größer werdenden Bauraum, wobei der pneumatischen Lösung mit zunehmenden Stellkräften, auch auf Grund einer zwingend erforderlichen leckagefreien Abdichtung der Pneumatikräume gegenüber dem Kühlmittel, technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt sind. Von der Anmelderin wurde in der
WO 2009/143832 A2 eine weitere Kühlmittelpumpe mit einem Ventilschieber vorgestellt, bei der der Ventilschieber wiederum von einem, um die Pumpenwelle herum angeordneten zentralen Arbeitskolben verstellt wird. Der Arbeitsdruck zur Betätigung des zentralen um die Pumpenwelle herum angeordneten Arbeitskolbens, wird bei dieser Lösung von einer im Pumpengehäuse angeordneten Axialkolbenpumpe mit einem, an einer Schrägscheibe, die am Umfang des Laufrades angeordnet und mit einer Saugnut versehen ist, gleitenden Laufschuh erzeugt, und mittels eines am Pumpengehäuse angeordneten Regelventils bedarfsabhängig geregelt. Neben dieser für den Einsatz in PKW-Motoren konzipierten, regelbaren Kühlmittelpumpe nach der
WO 2009/143832 A2 , wurde von der Anmelderin mit der
DE 10 2013 011 209 B3 eine regelbare Kühlmittelpumpen insbesondere für LKW-Motore mit drei im Pumpengehäuse gleichmäßig über den Umfang des Laufrades verteilt angeordneten Axialkolbenpumpen angemeldet, wobei die Axialkolbenpumpe wiederum an einer Schrägscheibe am Laufrade anliegen. All die vorgenannten Bauformen von regelbaren Kühlmittelpumpen erfordern zur schnellen, hysteresearmen Betätigung der Volumenstromregelung eine zusätzliche Leistungsaufnahme, und erfordern zudem stets einen relativ großen Fertigungs- und Montageaufwand, bei hoher Bauteilanzahl, hohem Gewicht und hohem mechanischen, elektrischen, hydraulischen und/oder pneumatischen Regelungsaufwand, und hoher Schmutzempfindlichkeit. Im Rahmen weiterer Kraftstoffeinsparungen bei gleichzeitiger stetiger auf den Hubraum bezogener Leistungssteigerung ist es bei den gegenwärtig neuen Motorgenerationen zwingend erforderlich, dass selbst nach dem Abstellen des Motors das Kühlmittel in Bewegung gehalten wird um dadurch einen Hitzestau zu verhindern. In diesen Motoren werden elektrische Zusatzwasserpumpen eingesetzt, die parallel zum Hauptstrom angeordnet sind, und selbst nach dem Abschalten des Motors noch eine zuverlässige Kühlung des Motors und der Nebenaggregate wie Abgasturbolader, Abgasrückführung und Getriebe gewährleisten. Zudem haben derartige elektrische Zusatzwasserpumpen, in der Kaltstartphase, d. h. bei im Kaltstart abgeschalteter Hauptwasserpumpe, die Aufgabe die in Reihe zur Hauptwasserpumpe geschalteten vg. Nebenaggregate zu kühlen bis die Hauptwasserpumpe ”öffnet” und ”regelt”.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine in Verbindung mit Verbrennungsmotoren im Hauptkühlmittelstrom als Hauptwasserpumpe eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe zu entwickeln, bei welcher parallel zum Hauptkühlmittelstrom eine elektrische Zusatzwasserpumpe angeordnet ist, und die all die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, dabei eine optimale Erwärmung des Motors durch „Null-Leckage” gewährleistet und auch nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb stufenlos, dabei hoch dynamisch, und sehr zuverlässig über sehr lange Einsatzzeiten so exakt zu beeinflussen vermag, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden, wobei eine sehr hohe Dynamik in der Verstellung, selbst unter hohen Stellkräften gewährleisten soll, und die sich zudem durch eine hohe Schmutzunempfindlichkeit, geringe Schaltzeiten, die Vermeidung von zusätzlichen Energiequellen, von zusätzlichen Sensoren oder Steuerventile, oder sonstiger zusätzlicher Regelungstechnik, bei einer deutlichen Reduzierung der Bauteilanzahl, und gleichzeitiger deutlicher Reduzierung des Fertigungs- und Montageaufwandes, bei minimierter Leistungsaufnahme, minimiertem Gewicht und minimierter Baugröße auszeichnen soll, wobei die zu entwickelnde Kühlmittelpumpe zudem noch fertigungs- und montagetechnisch einfach, und kostengünstig herstellbar, und zudem auch einfach und kostengünstig ins Motormanagement einbindbar sein soll, und dabei über die gesamte Lebensdauer stets bei hoher Betriebssicherheit und hoher Zuverlässigkeit einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad gewährleisten soll.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruches der Erfindung gelöst. Bei der erfindungsgemäßen regelbaren Kühlmittelpumpe die in einem Hauptkühlmittelstrom 3 eines Verbrennungsmotors 4 als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzt ist, wobei parallel zum Hauptkühlmittelstrom 3, zur bedarfsabhängigen, zeitweisen zusätzlichen Kühlung von Nebenaggregaten 5, eine elektrische Zusatzwasserpumpe 6 angeordnet ist, handelt es sich um eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse 2, wobei im/am Pumpengehäuse 2, eine angetriebene Pumpenwelle 7 drehbar gelagert ist, auf deren freien, dem Pumpenantrieb gegenüberliegenden strömungsseitigen Ende drehfest ein Flügelrad 8 angeordnet ist, mit einem neben dem Flügelrad 8 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und der Pumpenwelle 7 angeordneten Schieberraum 9, welcher antriebsseitig von einer zwischen dem Pumpengehäuse 2 und der Pumpenwelle 7 angeordneten Wellendichtung 10 begrenzt wird, mit einem druckbetätigten, axial verschiebbaren Regelschieber 11, mit einem im Schieberraum 9 des Pumpengehäuses 2 versenkbaren, den Ausströmbereich 12 des Flügelrades 8 variabel überdeckenden Außenzylinder 13.
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Diese erfindungsgemäße regelbare Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass im Pumpengehäuse 2 eine die, im Pumpengehäuse 2 von der Wellendichtung 10 abgedichtet angeordnete, Pumpenwelle 7 umgebende ringzylindrische Steuerkammer 14, mit einem pumpenwellenseitigen Steuerkammerinnenzylinder 15 und einem gegenüberliegenden Steuerkammeraußenzylinder 16 angeordnet ist, und dass die ringzylindrische Steuerkammer 14 an Ihrem antriebsseitigen Ende mit einer Bodenfläche 17 dicht verschlossen, und flügelradseitig gegenüberliegend mit einer ringförmigen Kammeröffnung 18 in den Schieberraum 9 mündet. Kennzeichnend ist, dass starr am Regelschieber 11 ein in der Steuerkammer 14 axial verschiebbar geführter Führungszylinder 19 angeordnet ist, an dem ein mit dem Führungszylinder 19 starr verbundener Betätigungssteg 20 angeordnet ist, und erfindungsgemäß im Bereich der Kammeröffnung 18, pumpenwellenseitig, d. h. zwischen den Pumpengehäuse 2 und dem Führungszylinder 19 des Regelschiebers 11, ein Anlagedichtsteg 21, welcher am Pumpengehäuse 2 lagesicher, d. h. fest, positioniert ist, angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Bodenfläche 17 der Steuerkammer 14 im Pumpengehäuse 2 eine Bypasseinströmöffnung 22 und im Bereich des Schieberraumes 9 im Pumpengehäuse 2 eine Bypassausströmöffnung 23 angeordnet.
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Wesentlich ist dabei auch, dass zwischen dem Pumpengehäuse 2 bzw. einem mit dem Pumpengehäuse 2 starr verbundenen Bauteil und einer der Bauteile des Regelschiebers 11, wie dem Außenzylinder 13, dem Führungszylinder 19, einem den Außenzylinder 13 mit dem Führungszylinder 19 starr verbindenden Übergangssteg 30 oder dem Betätigungssteg 20 einerseits eine Druckfeder 26 und zwischen dem Pumpengehäuse 2 bzw. einem mit dem Pumpengehäuse 2 starr verbundenen Bauteil und einem der vg. Bauteile des Regelschiebers 11, auch andererseits ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Formgedächtniselement 27 angeordnet ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung bewirkt, beispielsweise während der Kaltstartphase, bei mittels des Außenzylinders 13 des Regelschiebers 11 abgeregeltem Ausströmbereich 12 der regelbaren Kühlmittelpumpe, d. h. der Hauptwasserpumpe 1, eine optimale Umströmung des erfindungsgemäß am Regelschieber 11 anliegenden, aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Formgedächtniselementes 27, mittels des von der elektrischen Zusatzwasserpumpe 6 geförderten Bypassvolumenstromes. Da der Bypassvolumenstrom in der Kaltstartphase des Motors der Kühlung der Nebenaggregate 5 wie Abgasturbolader 31, Getriebeölkühler 32, Abgasrückführung 33 dient, erhitzt sich der Bypassvolumenstrom während der Durchströmung dieser Nebenaggregate 5. Dabei erwärmt der Bypassvolumenstrom zwangsläufig das vom Bypassvolumenstrom umströmte, aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Formgedächtniselement 27, wodurch sich dieses während der Kaltstartphase verformt, d. h. entsprechend der jeweiligen Auslegung sich ausdehnt, oder sich zusammenzieht. Infolge des erfindungsgemäßen Zusammenwirkens des Formgedächtniselementes 27 mit vorzugsweise einer Druckfeder 26 wird so der Regelschieber 11, nach Abschluss der Kaltstartphase, so weit verfahren, dass der Außenzylinders 13 des Regelschiebers 11 den Ausströmbereich 12 der erfindungsgemäßen, als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzten, regelbaren Kühlmittelpumpe frei gibt. Mittels von in den Darstellungen zur Erfindung nicht dargestellten Sensoren, kann bei durch den Regelschieber 11 ”geöffnetem” Ausströmbereich 12 die elektrische Zusatzwasserpumpe 6 abgeschaltet, und bei durch den Regelschieber 11 ”vollständig geschlossenem” Ausströmbereich 12 die elektrische Zusatzwasserpumpe 6 wieder zugeschaltet werden. Während des Dauerbetriebes wird so gleichzeitig der Volumenstrom entsprechend des temperaturabhängig variierenden Verformungszustandes des aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Formgedächtniselementes 27 variiert. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es somit gelungen, eine in Verbindung mit Verbrennungsmotoren im Hauptkühlmittelstrom als Hauptwasserpumpe eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe zu entwickeln, bei welcher parallel zum Hauptkühlmittelstrom eine elektrische Zusatzwasserpumpe angeordnet ist, wobei die erfindungsgemäße Hauptwasserpumpe eine optimale Erwärmung des Motors durch „Null-Leckage” gewährleistet und auch nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb stufenlos, hoch dynamisch und sehr zuverlässig über sehr lange Einsatzzeiten so exakt zu beeinflussen vermag, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden, wobei eine sehr hohe Dynamik in der Verstellung, selbst unter hohen Stellkräften gewährleistet wird, und die sich zudem durch eine hohe Schmutzunempfindlichkeit, geringe Schaltzeiten, die Vermeidung von zusätzlichen Energiequellen, von zusätzlichen Sensoren oder Steuerventile, oder sonstiger zusätzlicher Regelungstechnik, bei einer deutlichen Reduzierung der Bauteilanzahl, und gleichzeitiger deutlicher Reduzierung des Fertigungs- und Montageaufwandes, bei minimierter Leistungsaufnahme, minimiertem Gewicht und minimierter Baugröße auszeichnet, wobei die zu entwickelnde Kühlmittelpumpe zudem noch fertigungs- und montagetechnisch einfach, und kostengünstig herstellbar, und zudem auch einfach und kostengünstig ins Motormanagement einbindbar ist, und dabei über die gesamte Lebensdauer stets bei hoher Betriebssicherheit und hoher Zuverlässigkeit einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad gewährleistet.
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Vorteilhafte Ausführungen, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit sechs Darstellungen zur erfindungsgemäßen Lösung.
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Es zeigen die:
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1: das Schaltbild eines Kühlkreislaufes eines Verbrennungsmotors 4 mit einer als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzten erfindungsgemäßen regelbare Kühlmittelpumpe, mit einer parallel zur Hauptwasserpumpe 1 bedarfsabhängigen geschalteten elektrische Zusatzwasserpumpe 6, in der Kaltstartphase, d. h. bei ”geschlossenem” Regelschieber 11;
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2: das Schaltbild eines Kühlkreislaufes eines Verbrennungsmotors 4 mit einer als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzten erfindungsgemäßen regelbare Kühlmittelpumpe, mit einer parallel zur Hauptwasserpumpe 1 bedarfsabhängigen geschalteten elektrische Zusatzwasserpumpe 6, nach der Kaltstartphase, d. h. bei ”geöffnetem” Regelschieber 11;
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3: die erfindungsgemäße als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe mit einem sich bei Temperaturerhöhung ”ausdehnenden” Formgedächtniselement 27, in der Kaltstartphase, d. h. bei ”geschlossenem” Regelschieber 11, in der Seitenansicht im Schnitt;
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4: die erfindungsgemäße als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe mit einem sich bei Temperaturerhöhung ”ausdehnenden” Formgedächtniselement 27, nach der Kaltstartphase, d. h. bei ”geöffneten” Regelschieber 11, in der Seitenansicht im Schnitt;
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5: die erfindungsgemäße als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe mit einem sich bei Temperaturerhöhung ”zusammenziehenden” Formgedächtniselement 27, in der Kaltstartphase, d. h. bei ”geschlossenem” Regelschieber 11, in der Seitenansicht im Schnitt;
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6: die erfindungsgemäße als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe mit einem sich bei Temperaturerhöhung ”zusammenziehenden” Formgedächtniselement 27, nach der Kaltstartphase, d. h. bei ”geöffneten” Regelschieber 11, in der Seitenansicht im Schnitt;
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Die erfindungsgemäße, regelbaren Kühlmittelpumpe ist, wie in den 1 und 2 dargestellt, in einem Hauptkühlmittelstrom 3 eines Verbrennungsmotors 4 als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzt, wobei zur bedarfsabhängigen, zeitweisen, zusätzlichen Kühlung von Nebenaggregaten 5, zudem, parallel zum Hauptkühlmittelstrom 3, eine elektrische Zusatzwasserpumpe 6, angeordnet ist. Bei der erfindungsgemäßen Hauptwasserpumpe 1 mit einem Pumpeneinlass 34 und einen nach dem Ausströmbereich 12 angeordneten Pumpenauslass 35 handelt es sich, wie insbesondere in den 3 bis 6 dargestellt, um eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse 2, wobei im/am Pumpengehäuse 2, eine angetriebene Pumpenwelle 7 drehbar gelagert ist, auf deren freien, dem Pumpenantrieb gegenüberliegenden strömungsseitigen Ende drehfest ein Flügelrad 8 angeordnet ist, mit einem neben dem Flügelrad 8 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und der Pumpenwelle 7 angeordneten Schieberraum 9, welcher antriebsseitig von einer zwischen dem Pumpengehäuse 2 und der Pumpenwelle 7 angeordneten Wellendichtung 10 begrenzt wird, mit einem druckbetätigten, axial verschiebbaren Regelschieber 11, mit einem im Schieberraum 9 des Pumpengehäuses 2 versenkbaren, den Ausströmbereich 12 des Flügelrades 8 variabel überdeckenden Außenzylinder 13.
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Diese in den 3 bis 6 dargestellte, erfindungsgemäße regelbare Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass im Pumpengehäuse 2 eine die, im Pumpengehäuse 2 von der Wellendichtung 10 abgedichtet angeordnete, Pumpenwelle 7 umgebende ringzylindrische Steuerkammer 14, mit einem pumpenwellenseitigen Steuerkammerinnenzylinder 15 und einem gegenüberliegenden Steuerkammeraußenzylinder 16 angeordnet ist, wobei die ringzylindrische Steuerkammer 14 an ihrem antriebsseitigen Ende mit einer Bodenfläche 17 dicht verschlossen, und flügelradseitig gegenüberliegend mit einer ringförmigen Kammeröffnung 18 in den Schieberraum 9 mündet. Kennzeichnend ist dabei auch, dass starr am Regelschieber 11 ein in der Steuerkammer 14 axial verschiebbar geführter Führungszylinder 19 angeordnet ist, an dem ein mit dem Führungszylinder 19 starr verbundener Betätigungssteg 20 angeordnet ist, und erfindungsgemäß im Bereich der Kammeröffnung 18, pumpenwellenseitig, d. h. zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Führungszylinder 19 des Regelschiebers 11 ein Anlagedichtsteg 21 angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist weiterhin, dass im Bereich der Bodenfläche 17 der Steuerkammer 14 im Pumpengehäuse 2 eine Bypasseinströmöffnung 22, und im Bereich des Schieberraumes 9 im Pumpengehäuse 2 eine Bypassausströmöffnung 23 angeordnet ist. Die 3 und 4 zeigen dabei eine erste mögliche Bauform der erfindungsgemäßen als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzte regelbare Kühlmittelpumpe, und die 5 und 6 zeigen eine zweite mögliche Bauform der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe. Wesentlich ist dabei, dass, wie in den 3 und 4 dargestellt, zwischen der Bodenfläche 17 und dem Betätigungssteg 20 eine Druckfeder 26, und zwischen dem Betätigungssteg 20 und dem Anlagedichtsteg 21 ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Formgedächtniselement 27 angeordnet ist, welches sich bei Temperaturerhöhung ”ausdehnt”.
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Erfindungswesentlich ist dabei auch, dass im Betätigungssteg 20 und/oder im Führungszylinder 19 Durchlassöffnungen 24 angeordnet sind, die eine Umströmung des Formgedächtniselementes 27 ermöglichen. Kennzeichnend ist aber auch, dass wie in den 5 und 6 dargestellt, zwischen dem Betätigungssteg 20 und dem Anlagedichtsteg 21 eine Druckfeder 26, und zwischen der Bodenfläche 17 und dem Betätigungssteg 20 ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Formgedächtniselement 27 angeordnet ist, welches sich bei Temperaturerhöhung ”zusammenzieht”. Erfindungswesentlich ist auch, dass zwischen dem Außenmantel des Führungszylinders 19 und dem Steuerkammeraußenzylinder 16, wie auch zwischen dem Außenmantel des Regelschiebers 11 und dem Innenmantel des Schieberraumes 9 Ringspalte 25 angeordnet sind, die eine optimale Durchströmung der erfindungsgemäßen regelbaren Kühlmittelpumpe mit dem Bypassvolumenstrom gewährleisten. Kennzeichnend ist weiterhin dass in der Bodenfläche 17, und/oder dem Betätigungssteg 20, und/oder dem Anlagedichtsteg 21 Durchlassöffnungen 24 in Form von radialen Nuten angeordnet sind, und/oder dass in dem an den vorgenannten Flächen oder Stegen anliegenden, aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Formgedächtniselement 27 Durchlassöffnungen 24 angeordnet sind, welche eine optimale Umströmung des Formgedächtniselementes 27 mit dem Bypassvolumenstrom gewährleisten. Wesentlich ist, wie in den 5 und 6 dargestellt, dass im Steuerkammeraußenzylinder 15, parallel zur Mittenachse der Pumpenwelle 7 verlaufende Außenzylindernuten 38 angeordnet sind, die eine optimale Durchströmung des Ringspaltes 25 gewährleisten. Vorteilhaft ist auch, wenn am Außenzylinder 13 des Regelschiebers 11 ein Dichtsteg 28 angeordnet ist, der bei vom Außenzylinder 13 überdeckten Ausströmbereich 12 des Flügelrades 8 dichtend an eine am Pumpengehäuse 2 angeordnete Ringdichtfläche 29 angepresst wird, so dass bei ”geschlossenem” Regelschieber, d. h. vom Außenzylinder 13 überdeckten Ausströmbereich 12 des Flügelrades 8, Leckagevolumenströme vermieden werden. Diese, in den 1 bis 6 dargestellten, erfindungsgemäßen Anordnungen bewirken, während der Kaltstartphase, d. h. bei mittels des Außenzylinders 13 des Regelschiebers 11 abgeregeltem Ausströmbereich 12 der Hauptwasserpumpe 1, der erfindungsgemäßen regelbaren Kühlmittelpumpe, eine optimale Umströmung des erfindungsgemäß am Regelschieber 11 anliegenden, aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Formgedächtniselementes 27, mittels des von der elektrischen Zusatzwasserpumpe 6 geförderten Bypassvolumenstromes. Da der Bypassvolumenstrom in der Kaltstartphase des Motors der Kühlung der Nebenaggregate wie Abgasturbolader 31, Getriebeölkühler 32, Abgasrückführung 33 dient, erhitzt sich der Bypassvolumenstrom während der Durchströmung dieser Nebenaggregate 5. Dabei erwärmt der Bypassvolumenstrom zwangsläufig das vom Bypassvolumenstrom umströmte, aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Formgedächtniselement 27, wodurch sich dieses während der Kaltstartphase verformt, d. h. entsprechend der jeweiligen Auslegung sich ausdehnt, oder sich zusammenzieht. Infolge des erfindungsgemäßen Zusammenwirkens des Formgedächtniselementes 27 mit vorzugsweise einer Druckfeder 26 wird so der Regelschieber 11, nach Abschluss der Kaltstartphase, so weit verfahren, dass der Außenzylinders 13 des Regelschiebers 11 den Ausströmbereich 12 der erfindungsgemäßen, als Hauptwasserpumpe 1 eingesetzten, regelbaren Kühlmittelpumpe frei gibt. Das Thermostatventil 36 regelt, wie bei Verbrennungsmotoren 4 üblich, die Durchströmung des Kühlers 37. Mittels von in den Darstellungen zur Erfindung nicht dargestellten Sensoren, kann bei durch den Regelschieber 11 ”geöffnetem” Ausströmbereich 12 die elektrische Zusatzwasserpumpe 6 abgeschaltet, und bei durch den Regelschieber 11 ”vollständig geschlossenen” Ausströmbereich 12 die elektrische Zusatzwasserpumpe 6 wieder zugeschaltet werden.
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Während des Dauerbetriebes wird so gleichzeitig der Volumenstrom entsprechend des temperaturabhängig variierenden Verformungszustand des aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Formgedächtniselementes 27 variiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hauptwasserpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Hauptkühlmittelstrom
- 4
- Verbrennungsmotor
- 5
- Nebenaggregat
- 6
- Zusatzwasserpumpe
- 7
- Pumpenwelle
- 8
- Flügelrad
- 9
- Schieberraum
- 10
- Wellendichtung
- 11
- Regelschieber
- 12
- Ausströmbereich
- 13
- Außenzylinder
- 14
- Steuerkammer
- 15
- Steuerkammerinnenzylinder
- 16
- Steuerkammeraußenzylinder
- 17
- Bodenfläche
- 18
- Kammeröffnung
- 19
- Führungszylinder
- 20
- Betätigungssteg
- 21
- Anlagedichtsteg
- 22
- Bypasseinströmöffnung
- 23
- Bypassausströmöffnung
- 24
- Durchlassöffnung
- 25
- Ringspalt
- 26
- Druckfeder
- 27
- Formgedächtniselement
- 28
- Dichtsteg
- 29
- Ringdichtfläche
- 30
- Übergangssteg
- 31
- Abgasturbolader
- 32
- Getriebeölkühler
- 33
- Abgasrückführung
- 34
- Pumpeneinlass
- 35
- Pumpenauslass
- 36
- Thermostatventil
- 37
- Kühler
- 38
- Außenzylindernut
