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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe zum Fördern eines Kühlmittels für einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug, das den Verbrennungsmotor und eine zentrale Motorsteuerung aufweist.
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Im Hinblick auf die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen bei Fahrzeugen wurden Entwicklungen unternommen, um das Thermomanagement von Verbrennungsmotoren effizienter zu gestalten. Hierzu wurden Kühlmittelpumpen entwickelt, die eine zuverlässige und stufenlose Einstellung des Volumenstroms des zirkulierenden Kühlmittels ermöglichen. Um die Verbrennungsmaschine für eine effiziente Verbrennung und geringe Abgasemission in einem optimalen Temperaturbereich zu halten, wird der Wärmeaustrag des Kühlsystems in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands gesteuert. Während einer Kaltstartphase wird der Wärmeaustrag beispielsweise zunächst ganz und darauffolgend teilweise unterbunden.
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Im Bereich der mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpen, bei denen eine Drehung der Verbrennungsmaschine über einen Riementrieb auf eine Pumpenwelle übertragen wird, haben sich im Zuge dieser Entwicklung Kühlmittelpumpen mit einem elektrohydraulisch gesteuerten Regelschieber zur Einstellung des Volumenstroms als besonders zuverlässig erwiesen. Eine Pumpe dieser Bauform, die sich unter dem Begriff ECF-Pumpen (Electro-hydraulic Controlled Flow) etabliert hat, wird beispielsweise in der deutschen Patentschrift
DE 10 2008 026 218 B4 der Anmelderin offenbart.
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Bei einer solchen Kühlmittelpumpe wird ein zylindrischer Regelschieber mittels eines hydraulischen Stellgliedes um einen Umfangsbereich eines Flügelrads der Kühlmittelpumpe verschoben. Der hydraulische Druck des Stellglieds wird hierbei nicht durch einen geschlossenen Kreislauf mit einem Hydrauliköl hergestellt, sondern über einen Nebenstrom des Kühlmittels aufgebracht. Pumpen mit einem solchen Kühlmittelbasierten Hydrauliksystem erfordern keine zusätzlichen dynamischen Dichtungsstellen zur Atmosphäre und haben sich durch eine lange Lebensdauer sowie eine zuverlässige Regelung bewährt.
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Der Volumenstrom des Kühlmittels, der von einer Kühlmittelpumpe gefördert werden soll, wird üblicherweise durch eine zentrale Motorsteuerung ZMS eines Fahrzeugs gesteuert. Bei einer bekannten Kühlmittelpumpe wird hierzu eine Position des Regelschiebers erfasst und an die zentrale Motorsteuerung ZMS übertragen. Die zentrale Motorsteuerung ZMS steuert in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern, wie z. B. eine Drehzahl des Verbrennungsmotors, eine Arbeitslast des Verbrennungsmotors, eine Kraftstoffzufuhrmenge, eine Temperatur, oder dergleichen, ein elektromagnetisches Ventil im Hydraulikkreislauf an.
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Je nach Anzahl der zu erfassenden Parameter bzw. der hierfür erforderlichen Messglieder und der zu steuernden Stellglieder, ist eine entsprechend hohe Anzahl von elektrischen Leitungen von der zentralen Motorsteuerung ZMS zu den einzelnen Gliedern des Regelkreises erforderlich. Zum Einbau einer ECF-Pumpe sind wenigstens zwei Leitungen zur Leistungszufuhr und zur Signalkommunikation jeweils von der zentralen Motorsteuerung ZMS zu dem Wegsensor sowie von der zentralen Motorsteuerung ZMS zu dem elektromagnetischen Ventil zu installieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlmittelpumpe, die einen geringen Montageaufwand erfordert und eine hohe Betriebszuverlässigkeit in einer korrosiven Umgebung sicherstellt, sowie ein elektromechanisches Bauteil mit Pumpensteuerung und ein Steuerverfahren hierfür zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Diese Kühlmittelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie eine eigene Pumpensteuerung umfasst, die ein Proportionalventil in einem hydraulischen Kreislauf basierend auf dem Istwert-Signal von dem Sensor und einem Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung ansteuert, und dass die Pumpensteuerung und das Proportionalventil als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil ausgebildet sind.
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Die Erfindung sieht somit erstmals im Aufbau einer Kühlmittelpumpe eine dezidierte Steuerungsschaltung zur Positionsregelung eines Regelschiebers vor, die mit einem hydraulischen Stellglied als eine integrierte Komponente vorliegt.
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Dadurch weist die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe im Vergleich zu einem herkömmlichen System eine verringerte Anzahl von elektrischen Leitungen zu der zentralen Motorsteuerung auf. Insbesondere entfällt eine separate Leistungsversorgung und Kommunikationsschnittstelle jeweils zwischen der zentralen Motorsteuerung ZMS und dem elektromagnetischen Proportionalitätsventil, sowie der zentralen Motorsteuerung ZMS und einem Sensor zur Erfassung eines Parameters (z. B. Position des Regelschiebers), der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist.
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An der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe sind lediglich eine Leistungszufuhrleitung und eine Kommunikationsleitung zu der zentralen Motorsteuerung ZMS erforderlich. Die entfallenden Leitungen und Steckverbindungen vereinfachen den Aufbau und senken die Herstellungskosten der Kühlmittelpumpe sowie die Installationskosten beim Einbau in das Fahrzeug.
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Darüber hinaus kann die Störanfälligkeit der Kühlmittelpumpe verbessert werden, da im Bereich des Motorraums des Fahrzeugs, der Witterungseinflüssen und aufgewirbeltem Streugut ausgesetzt ist, korrosionsempfindliche Steckverbindungen und/oder Austrittsdichtungen am Pumpengehäuse für die Verdrahtung eingespart werden.
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Ferner entfällt in der zentralen Motorsteuerung eine Programmroutine zur Positionsregelung des Regelschiebers. Dadurch kann eine Verarbeitungsbelastung der zentralen Motorsteuerung verringert werden. Somit kann entweder eine zentrale Motorsteuerung mit geringerer Verarbeitungsleistung zu entsprechend geringeren Kosten eingesetzt werden, oder die entfallende Verarbeitungsleistung für Steuerungsaufgaben anderer Peripherievorrichtungen, oder zugunsten einer erhöhten Taktung der Berechnungszyklen zur Verfügung gestellt werden.
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Durch die Integration einer Steuerschaltung der Pumpensteuerung in dem Proportionalventil als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil, kann auf eine externe Verdrahtung zu unterschiedlichen Bereichen des Pumpenaufbaus verzichtet werden. Hierdurch kann wiederum die Montage der Kühlmittelpumpe vereinfacht werden und es werden korrosionsempfindliche Steckverbindungen und/oder Austrittsdichtungen am Pumpengehäuse für die Verdrahtung eingespart.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Sensor ein Wegsensor, insbesondere ein Hall-Sensor, sein, der eine Position des Regelschiebers erfasst. In diesem Fall gibt das Sollwert-Signal eine vorbestimmte Position des Regelschiebers, oder einen vorbestimmten Volumenstrom und eine Drehzahl der Verbrennungsmaschine oder der Kühlmittelpumpe an.
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Falls das Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung und das Istwert-Signal des Wegsensors jeweils einen Positionswert des Regelschiebers angeben, lässt sich die Positionsregelung in der Pumpensteuerung mit einer einfachen Berechnungsroutine umsetzen. Dabei können die Rechenkapazitäten der Pumpensteuerung und der Energiebedarf bzw. die resultierende Abwärme in einem gekapselten elektronischen Bauteil niedrig gehalten werden.
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Falls das Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung einen vorbestimmten Volumenstrom und eine Drehzahl angibt, erfolgt eine Berechnungsroutine zwischen einem Volumenstrom und einer in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl zu regelnden Position des Regelschiebers seitens der Pumpensteuerung. Dadurch kann in der zentralen Motorsteuerung eine spezifische Berechnung anhand von individuellen Parametern der eingesetzten Kühlmittelpumpe entfallen. Die zentrale Motorsteuerung überträgt dann als Sollwert-Signal lediglich einen Wert, der einem Volumenstrom, d. h. einer abzuführenden Wärmemenge entspricht. Der erforderliche Wärmeaustrag ist von der zentralen Motorsteuerung aus den Betriebsparametern der Verbrennungsmaschine berechenbar. Somit kann eine gute Kompatibilität und Austauschbarkeit zwischen der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe und unterschiedlichen zentralen Motorsteuerungen sichergestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pumpensteuerung in einem oberen Bereich der Pumpendrehzahl einen Weg des Regelschiebers begrenzen. Die Pumpensteuerung führt hierdurch eine Schutzfunktion für Bauteile wie z. B. Dichtungen im Kühlsystem aus, um einen maximalen Volumenstrom und den daraus resultierenden Druck zu begrenzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner die Pumpensteuerung ein Verhältnis zwischen einer Ansteuerungsdauer des Proportionalventils und einer resultierenden Positionsänderung des Regelschiebers mit einem Schwellwert vergleichen. Auf diese Weise führt die Pumpensteuerung eine autonome Funktionsüberwachung zur Sicherstellung einer ausreichenden Füllmenge des Kühlsystems mit Kühlmittel aus.
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Da hierbei der vorhandene hydraulische Kreislauf als druckempfindlicher Messgeber genutzt wird, kann die Funktionsüberwachung zur frühzeitigen Erkennung einer Leckage ohne die Bereitstellung weiterer Messglieder, wie Druckmesser oder sonstigen Sensoren, im Kühlsystem realisiert werden. Dadurch können die Anzahl der Bauteile und Verdrahtungen sowie die Kosten und der Installationsaufwand niedrig gehalten werden.
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In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Sensor ein Drucksensor sein, der einen Druck des geförderten Volumenstroms des Kühlmittels erfasst. In diesem Fall gibt das Sollwert-Signal einen vorbestimmten Volumenstrom oder einen Druck an, der für den Volumenstrom des geforderten Kühlmittels bezeichnend ist. Der Drucksensor kann vorzugsweise einen Druck in der Pumpenkammer erfassen, der im Verhältnis zu dem geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe steht.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pumpensteuerung den erfassten Druck des Sensors mit einem Schwellwert vergleichen. Auf diese Weise kann die Pumpensteuerung der alternativen Ausführungsform mit einem Drucksensor eine autonome Funktionsüberwachung zur Sicherstellung einer ausreichenden Füllmenge des Kühlsystems mit Kühlmittel besonders einfach ausführen.
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Die Funktionsüberwachung zur frühzeitigen Erkennung einer Leckage kann auch bei dieser Ausführungsform ohne die Bereitstellung weiterer Messglieder im Kühlsystem realisiert werden, wodurch die Anzahl der Bauteile und Verdrahtungen sowie die Kosten und der Installationsaufwand niedrig gehalten werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pumpensteuerung einen Sendeempfänger zum Empfangen von Daten aus der zentralen Motorsteuerung und/oder Senden von Daten an dieselbe, einen Mikrocomputer zum Ausführen einer Regelungsroutine, einen Ventiltreiber zum Ansteuern des Proportionalventils und einen Leistungszufuhrverteiler zu deren jeweiliger Versorgung mit einer elektrischer Leistung umfassen. Mit diesem Aufbau lässt sich eine Steuerungsschaltung der Pumpensteuerung mit kleinen Abmessungen und vorteilhafter Montagemöglichkeiten an der Kühlmittelpumpe realisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pumpensteuerung ein eigenes Gehäuse aufweisen, das in dem gemeinsamen elektromechanischen Bauteil integriert ist. Durch diesen Aufbau lässt sich beispielsweise elektromagnetische Störstrahlung ausgehend von dem im elektromechanischen Bauteil angeordneten Proportionalventil, insbesondere mit einem magnetisch betätigten Ventil, gegenüber der Steuerschaltung der Pumpensteuerung wirksam abschirmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Proportionalventil ein eigenes Gehäuse aufweisen, das mit dem gemeinsamen elektromechanischen Bauteil 20 integriert ist. Durch diesen Aufbau lässt sich ebenfalls eine elektromagnetische Störstrahlung ausgehend von einer magnetischen Betätigung des Proportionalventils gegenüber der Steuerschaltung der Pumpensteuerung wirksam abschirmen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zu fördernde Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass axial gerichtet auf das Flügelrad anströmen und vom Flügelrad gefördert über einen radial gerichteten Kühlmittelauslass die Pumpenkammer verlassen. Somit wird die Erfindung an dem Aufbau einer Radialpumpe angewendet.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zu fördernde Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass axial gerichtet auf das Flügelrad anströmen und vom Flügelrad gefördert über einen axial oder halbaxial gerichteten Kühlmittelauslass auf der gegenüberliegenden Seite des Flügelrads die Pumpenkammer verlassen. Somit wird die Erfindung an dem Aufbau einer Axialpumpe oder einer Halbaxialpumpe angewendet.
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Ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauteil, das eingerichtet ist zur Verwendung in einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung weist eine Pumpensteuerung und ein Proportionalventil, das als hydraulisches Stellglied eines hydraulischen Kreislaufs eingerichtet ist, auf, wobei durch den hydraulischen Kreislauf in einer Pumpenkammer eine Position eines Regelschiebers verschoben wird, der einen geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt. Somit kann die zur Regelung erforderliche Elektronik mit einem Bauteil an der Kühlmittelpumpe integriert, ausgetauscht oder nachgerüstet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern der erfindungsgemäßen mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung weist die folgenden Schritte auf: Berechnen eines Sollwerts eines Parameters, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors durch die zentrale Motorsteuerung; Übertragen des Sollwerts von der zentralen Motorsteuerung zu einer Pumpensteuerung der Kühlmittelpumpe; Erfassen eines Istwerts des Parameters durch einen Sensor; Übertragen des Istwerts von dem Sensor zu der Pumpensteuerung; und Einregeln einer Position eines Regelschiebers, der den geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt, in Abhängigkeit von dem Sollwert und dem Istwert durch die Pumpensteuerung, mittels Ansteuerung eines hydraulischen Stellglieds. Auf diese Weise wird die Erfindung an einer Kühlmittelpumpe der genannten Ausführungsformen angewendet.
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Ein erfindungsgemäßes alternatives Verfahren zum Steuern der erfindungsgemäßen mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung weist die folgenden Schritte auf: Übertragen von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors von der zentralen Motorsteuerung zu einer Pumpensteuerung der Kühlmittelpumpe; Berechnen eines Sollwerts eines Parameters, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors durch die Pumpensteuerung; Erfassen eines Istwerts des Parameters durch einen Sensor; Übertragen des Istwerts von dem Sensor zu der Pumpensteuerung; und Einregeln einer Position eines Regelschiebers, der den geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt, in Abhängigkeit von dem Sollwert und dem Istwert durch die Pumpensteuerung, mittels Ansteuerung eines hydraulischen Stellglieds. Auf diese alternative Weise wird die Erfindung an einer Kühlmittelpumpe der genannten Ausführungsformen angewendet.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Parameter, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, eine Position des Regelschiebers sein. Hierdurch kann das Steuerungsverfahren an dem eingangs genannten Aufbau der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe angewendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Parameter, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, ein Druck in einer Pumpenkammer der Kühlmittelpumpe sein, der dem Volumenstrom des geförderten Kühlmittels entspricht. Hierdurch kann das Steuerungsverfahren an einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe angewendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht eines inneren Bereichs der Kühlmittelpumpe und einer Verdrahtung der Pumpensteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittansicht eines Aufbaus einer Kühlmittelpumpe mit einer Pumpensteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit einem Stecker zur Verbindung mit einem Datenbus ausgestattet ist;
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3A eine Schnittansicht eines elektromechanischen Bauteils aus 1, bei dem eine Pumpensteuerung in einem Proportionalventil integriert ist;
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3B eine Schnittansicht eines elektromechanischen Bauteils aus 2, bei dem eine Pumpensteuerung und ein Proportionalventil miteinander integriert sind;
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4 ein schematisches Blockdiagramm der Pumpensteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend wird ein beispielhafter Aufbau der Kühlmittelpumpe mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben.
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Die Kühlmittelpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 und eine darin drehbar gelagerte Pumpenwelle 4 mit einer Riemenscheibe 3 auf, die mittels eines Riementriebs von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) angetrieben wird. An einem freien Ende der Pumpenwelle 4 ist ein Flügelrad 5 drehfest angeordnet, das innerhalb einer Pumpenkammer 2 in einem Strömungsbereich eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors eingebracht ist, um einen Volumenstrom des Kühlmittels zu bewirken. Das Kühlmittel wird durch einen axialen Einlass der Pumpenkammer 2, im Bereich eines mittleren Radius des Flügelrads 5, angesaugt und beispielsweise durch einen radialen Auslass (nicht dargestellt) der Pumpenkammer 2, der einem Umfangsbereich des Flügelrads 5 gegenüberliegt, ausgestoßen.
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Der Strömungsbereich des Flügelrads 5 kann von einem Regelschieber 7 mit einem koaxial zur Pumpenwelle angeordneten zylindrischen Abschnitt 7a und einem Rückwandabschnitt 7b entlang eines parallel zur Pumpenwelle 4 verlaufenden Verstellwegs variabel überdeckt werden. Zwischen der inneren Umfangswand des zylindrischen Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 und einer rückwärtigen Wand der Pumpenkammer 2 verläuft eine Dichtungslippe 6. In 1 und 2 befindet sich der Regelschieber 7 in einer „offenen Position”, in welcher der Strömungsbereich des Flügelrads 5 nicht überdeckt wird.
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In der Pumpenkammer 2 ist ferner zur Rückseite des Flügelrads 5 und parallel zur Pumpenwelle 4 eine Axialkolbenpumpe 9 angeordnet, deren Kolben über einen Gleitschuh betätigt wird, der auf einer Taumelscheibe 8 gleitet, die auf der rückwärtigen Seite des Flügelrads 5 gemeinsam mit diesem drehfest zur Pumpenwelle 4 angeordnet ist.
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Die Axialkolbenpumpe 9 saugt Kühlmittel aus dem Strömungsbereich in der Pumpenkammer 2 zwischen dem Flügelrad 5 und dem Regelschieber 7 an und stößt das Kühlmittel unter Druck in einen hydraulischen Kreislauf 11 aus, der in dem Pumpengehäuse 1 ausgebildet ist. Der hydraulische Kreislauf 11 verzweigt sich in zwei Zweige 11a und 11b. Der eine Zweig 11a des hydraulischen Kreislaufs 11 führt einerseits zu einem elektromagnetischen Proportionalventil 13 und wieder zurück in den geförderten Kühlmittelstrom. Der andere Zweig 11b des hydraulischen Kreislaufs 11 führt zu einem Ringkolben 15, der koaxial zu der Pumpenwelle 4 angeordnet ist und die Funktion eines hydraulischen Stellglieds entlang des Verstellwegs des Regelschiebers 7 übernimmt.
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Eine Rückstellfeder 17 beaufschlagt den Ringkolben 15 in entgegengesetzter Richtung zu dem Druck des hydraulischen Kreislaufs 11, d. h. hinweg von dem Flügelrad 5. Der Ringkolben 15 steht mit dem Regelschieber 7 in Verbindung und verschiebt diesen mit zunehmendem Druck des hydraulischen Kreislaufs 11 in Richtung des Flügelrads 5.
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Nachfolgend wird eine beispielhafte Funktionsweise zur Einstellung des Volumenstroms der Kühlmittelpumpe beschrieben.
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Das elektromagnetische Proportionalventil 13 ist ohne Zuführung eines Ansteuerstroms geöffnet, sodass das von der Axialkolbenpumpe 9 angesaugte Kühlmittel im Wesentlichen drucklos über den Zweig 11a des hydraulischen Kreislaufs 11 durch das Proportionalventil 13 hindurch zurück in den geförderten Kühlmittelstrom zurückfließt. Somit baut sich in dem Zweig 11b des hydraulischen Kreislaufs 11 kein Druck auf und der Ringkolben 15 verbleibt unter Beaufschlagung der Rückstellfeder 17 in einer unbetätigten Grundstellung. Der Regelschieber 7, der mit dem Ringkolben 15 in Verbindung steht, wird dabei in der „offenen Position” gehalten, wie in 1 und 2 dargestellt ist.
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In der „offenen Position” des Regelschiebers wird, ohne Berücksichtigung der Pumpendrehzahl, ein maximal geförderter Volumenstrom ohne Abschirmung eines strömungswirksamen Bereichs des Flügelrads 5 durch den Regelschieber 7 hergestellt. Dieser Zustand stellt zugleich einen Fail-Safe Modus dar, sodass im Falle eines Ausfalls einer Stromzufuhr oder eines Defekts der Ansteuerung, d. h. eines stromlosen elektromagnetischen Proportionalventils 13, automatisch ein maximaler Volumenstrom und ein größtmöglicher Wärmeaustrag am Verbrennungsmotor sichergestellt sind.
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Wenn das elektromagnetische Proportionalventil 13 durch eine zeitlich geregelte Zuführung eines Ansteuerstroms zeitweise geschlossen wird, kann das von der Axialkolbenpumpe 9 ausgestoßene Kühlmittel nicht über den Zweig 11a des hydraulischen Kreislaufs 11 in den Volumenstrom zurückfließen. Der von der Axialkolbenpumpe 9 aufgewendete Druck im hydraulischen Kreislauf 11 breitet sich von dem Rückstau am geschlossenen Proportionalventil 13 über den Zweig 11a in den Zweig 11b aus und wirkt auf den Ringkolben 15. Der Ringkolben 15 verschiebt den Regelschieber 7 gegen die Kraft der Rückstellfeder 17 zu dem Flügelrad. Dabei wird der zylindrische Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 zunehmend in axiale Überschneidung mit dem Flügelrad 5 gebracht, wodurch ein wirksamer Strömungsbereich des Flügelrads 5 durch den zylindrischen Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 radial überdeckt wird.
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In einer „geschlossenen Position” des Regelschiebers 7 überdeckt der zylindrische Abschnitt 7a das Flügelrad 5 vollständig, sodass, ohne Berücksichtigung der Pumpendrehzahl, ein minimaler geförderter Volumenstrom durch volle Abschirmung eines strömungswirksamen Bereichs des Flügelrads 5 durch den Regelschieber 7 hergestellt wird.
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Durch die Steuerung der Ein- und Ausschaltdauern des elektromagnetischen Proportionalventils 13 wird ein kontrollierter Rückstau im Zweig 11a und somit ein kontrollierter Druck im Zweig 11b des hydraulischen Kreislaufs 11 aufgebaut, der auf den Ringkolben 15 und entgegen der Rückstellfeder 17 wirkt. Der Ringkolben 15 verschiebt den Regelschieber 7 zur Einstellung des geförderten Volumenstroms der Kühlmittelpumpe zwischen der obenstehend beschriebenen „offenen Position” und „geschlossenen Position”.
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Die zentrale Motorsteuerung ZMS berechnet unter Berücksichtigung verschiedener Betriebsparameter, wie z. B. einer Drehzahl und Arbeitsbelastung des Verbrennungsmotors, einer Kraftstoffzufuhr, einer Temperatur, einer Fahrzeuggeschwindigkeit oder dergleichen, einen zu fördernden Volumenstrom des Kühlmittels, der einem erforderlichen Wärmeaustrag des Verbrennungsmotors entspricht.
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Wie obenstehend beschrieben ist, hängt ein von der Kühlmittelpumpe geförderter Volumenstrom des Kühlmittels einerseits von der Strömungswirksamkeit des Flügelrads 5 ab, die bei zunehmender axialer Verschiebung der Position des Regelschiebers 7 (und des Ringskolbens 15) in Richtung der „geschlossenen Position” mit einem steigenden Grad der Überdeckung durch den zylindrischen Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 um das Flügelrad 5 abnimmt.
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Andererseits hängt der geförderte Volumenstrom der Kühlmittelpumpe von der Pumpendrehzahl ab. Die Pumpendrehzahl ist mittels des Riementriebs durch die Drehzahl der Verbrennungsmaschine zwangsweise vorgegeben und umfasst die für den Fahrzeugbetrieb charakteristischen Schwankungen.
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Nachfolgend wird ein beispielhafter Aufbau der Pumpensteuerung 21 mit Bezug auf 4 beschrieben.
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Die Pumpensteuerung 21 umfasst in einer beispielgebenden Ausführungsform einen Sendeempfänger 23, wie z. B. einen LIN-Transceiver, einen Mikrocomputer 25, einen Ventiltreiber 27 und einen Leistungszufuhrverteiler 29. Der Leistungszufuhrverteiler teilt die Spannung einer Leistungsquelle des Fahrzeug (nicht dargestellt) von beispielsweise 12 V in geeignete Spannungen der elektronischen Komponenten 23, 25, 27 der Pumpensteuerung 21 auf und versorgt diese mit der erforderlichen elektrischen Leistung. Der LIN-Transceiver 23 ermöglicht eine Kommunikation von Daten über einen Datenbus, z. B. im LIN-Protokoll, zwischen der Pumpensteuerung 21 und der zentralen Motorsteuerung ZMS. Wie in 2 dargestellt ist, kann ein Stecker 22 zur Verbindung mit einem fahrzeugseitigen Datenbus zur zentralen Motorsteuerung ZMS vorgesehen sein. Der Mikrocomputer 25 führt ein Steuerprogramm mit einer Regelungsroutine aus, das in einem Speicher (nicht dargestellt) des Mikrocomputers 25 gespeichert ist, und berechnet eine Pulsweitenmodulation als Ansteuerungssignal des Ventiltreibers 27. Der Ventiltreiber 27 verstärkt das Ansteuersignal von dem Mikrocomputer 25, indem er eine Leistungszufuhr zur Betätigung des elektromagnetischen Proportionalventils 13 von dem Leistungszufuhrverteiler 29 in Übereinstimmung mit der Pulsweitenmodulation ein- und ausschaltet.
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Bei einer in 3A und 3B gezeigten, beispielhaften Ausführungsform ist die Pumpensteuerung 21 zusammen mit einem Magnetventil als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil 20 ausgebildet. Beispielsweise können eine Steuerschaltung der Pumpensteuerung 21 und eine elektromagnetische Ansteuerung des Proportionalventils 13 in einem gekapselten Bauteil eingegossen sein.
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Wenn das Gehäuse des Proportionalventils, wie in 3A gezeigt ist, eine zylindrische Form aufweist, kann die Schaltungsplatine der Pumpensteuerung 21 z. B. eine kreisrunde Form aufweisen, sodass sie sich bei geringem Bauraumbedarf im Bereich des Gehäusebodens integrieren lässt. Insofern die Abmessung des gemeinsamen Bauteils 20 der Pumpensteuerung 21 und des Proportionalventils 13 die Abmessung eines herkömmlich eingesetzten Ventils nicht überschreitet, kann zudem eine Aufrüstung einer bekannten ECF-Pumpe ohne Modifikationen am Pumpenaufbau erfolgen.
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Anderenfalls kann die Pumpensteuerung 21 an einem äußeren Bereich des Gehäuses des Proportionalventils 13 integriert sein, wie in 3B gezeigt ist.
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Unterschiedliche Formen und Anordnungen zur Integration der Pumpensteuerung 21 und des Proportionalventils 13 ergeben sich ferner durch die Ausführung des verwendeten Ventiltyps. Anstelle des elektromagnetischen Proportionalventils 13 kann ebenso ein elektromotorisch betätigtes Proportionalventil 13 verwendet werden, das mit der Pumpensteuerung 21 ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil bildet. In diesem Fall muss das Ansteuersignal für einen Stellmotor keine Pulsweitenmodulation enthalten.
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Der gezeigte Aufbau lässt sich vorzugsweise mit einem Hall-Sensor als Wegsensor 19 realisieren. Allerdings ist diese Ausführungsform nicht auf einen Hall-Sensor beschränkt, wie in einer weiteren Ausführungsform später beschrieben wird.
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Bei einer Ausführungsform der in 1 dargestellten Kühlmittelpumpe wird ein Wegsensor 19 zur Erfassung einer Position des Regelschiebers 7 entlang eines Verstellwegs eingesetzt. Durch einen Hall-Sensor und ein magnetisches Geberelement, das mit dem Ringkolben 15 verbunden ist, wird ein kontaktloser und unempfindlicher Aufbau hergestellt. Der Wegsensor 19 gibt als Istwert-Signal die erfasste Position des Ringkolbens 15 bzw. dementsprechend des Regelschiebers 7 entlang des Verstellwegs an die Pumpensteuerung 21 aus.
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In einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Sollwert-Signal, das die Pumpensteuerung 21 von der zentralen Motorsteuerung ZMS empfängt, eine vorbestimmte Position des Regelschiebers 7. Hierzu berechnet die zentrale Motorsteuerung ZMS basierend auf einem dem erforderlichen Wärmeaustrag des Verbrennungsmotors einen von der Kühlmittelpumpe zu fördernden Volumenstrom des Kühlmittels. Die vorgebestimmte Position des Regelschiebers wird anschließend in Abhängigkeit des Volumenstroms und einer derzeitigen Pumpendrehzahl, die in einem festen Drehzahlverhältnis zu dem Verbrennungsmotor steht, berechnet und an die Pumpensteuerung 21 übertragen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält das Sollwertsignal, das die Pumpensteuerung 21 von der zentralen Motorsteuerung ZMS empfängt, lediglich einen Sollwert für einen erforderlichen Volumenstrom des Kühlmittels und weitere Betriebsparameter, wie insbesondere eine derzeitige Drehzahl der Verbrennungsmaschine oder die entsprechende Pumpendrehzahl. Die Berechnung eines Sollwerts für die resultierende Position des Regelschiebers 7 erfolgt bei dieser Ausführungsform in der Pumpensteuerung 21.
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Die Regelungsroutine, die in dem Mikrocomputer 25 ausgeführt wird, entspricht beispielsweise der Regelungsfunktion eines PID-Glieds, bei der zwischen dem vorgegebenen Sollwert und dem Istwert eine Regelabweichung berechnet wird. Aus der Regelabweichung wird basierend auf einer systemspezifischen Funktion des hydraulischen Kreislaufs 11, d. h. einem Reaktionsverhalten zwischen einer Ein- und Ausschaltdauer des elektromagnetischen Proportionalventil 13 und einer resultierenden Positionsänderung des Ringkolbens 15 als hydraulisches Stellglied, eine Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung des elektromagnetischen Proportionalventils 13 berechnet.
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Zum Einhalten einer Position des Regelschiebers 7 wird der Druck im hydraulischen Kreislauf 11 durch die Ein- und Ausschaltdauern zum Öffnen- und Schließen des Proportionalventils 13 derart gesteuert, dass ein Gleichgewicht zwischen dem hydraulischen Druck und dem Druck der Rückstellfeder 17 in einer Position des Ringkolbens 15 bzw. des Regelschiebers 7 erzielt und gehalten wird, die dem vorgegebenen Sollwert der zentralen Motorsteuerung ZMS entspricht. Die tatsächliche Position des Regelschiebers 7 wird wiederum von dem Wegsensor 19 erfasst und als Rückkopplung zur Ansteuerung des Proportionalventils 13 an die Pumpensteuerung 21 übertragen bzw. in den Mikrocomputer 25 eingegeben.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform führt die Pumpensteuerung 21 eine Funktionsüberwachung durch, um eine Leckage im Kühlsystem selbstständig zu erkennen und an die zentrale Motorsteuerung zu melden.
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Wenn sich durch eine Leckage Lufteinschlüsse im Kühlmittelkreislauf gebildet haben, gelangen diese auch in den hydraulischen Kreislauf 11 der Kühlmittelpumpe und mindern den Druck in dem hydraulischen Stellglied. Die Kennlinie der Rückstellfeder 17, die dem Ringkolben 15 entgegenwirkt, bleibt unverändert. Das Ungleichgewicht zwischen dem verminderten hydraulischen Druck und der unveränderten Kennlinie der Rückstellfeder 17 muss in diesem Fall dahingehend kompensiert werden, dass das Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeiten des elektromagnetischen Proportionalventils 13 erhöht wird, um den hydraulischen Druck für die gewünschte Position des Ringkolbens 15 zu erzeugen.
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Aufgrund der einfachen Regelungsschleife zwischen dem Wegsensor 19 des Regelschiebers 7 und dem elektromagnetischen Proportionalitätsventil 13 im hydraulischen Kreislauf 11 kann die erfindungsgemäße Pumpensteuerung 21 Abweichungen im Reaktionsverhalten des hydraulischen Kreislaufs mit der erforderlichen Sensibilität, d. h. insbesondere ohne Einflüsse weiterer Betriebsparameter wie permanente Schwankungen von Drehzahl und Temperatur erfassen. Die Pumpensteuerung 21 vergleicht eine Abweichung des Verhältnisses zwischen den Ein- und Ausschaltdauern des elektromagnetischen Proportionalventils 13 und der resultierenden Positionsänderung des Ringkolbens 15 bzw. Regelschiebers 7 mit einem in dem Speicher hinterlegten Schwellwert. Der Schwellwert ist ebenso wie übrige spezifische Parameter der Kühlmittelpumpe in einem Speicherabschnitt der Pumpensteuerung 21 hinterlegt.
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Im Falle einer Fehlererkennung gibt die Pumpensteuerung 21 eine Fehlermeldung an die zentrale Motorsteuerung aus, die wiederum einen eingeschränkten Notbetrieb oder eine Abschaltung der Verbrennungsmaschine einleiten kann.
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In einer alternativen beispielhaften Ausführungsform weist die Kühlmittelpumpe anstelle eines Wegsensors 19 einen Drucksensor (nicht dargestellt) auf, der vorzugsweise zwischen dem Ringkolben 15 und dem Regelschieber 7 angeordnet ist.
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Bei dieser alternativen Ausführungsform führt die Pumpensteuerung 21 eine Regelung dahingehend durch, dass der Regelschieber 7 zur Einstellung des Volumenstroms in eine neue Position verschoben wird, bis das Istwert-Signal des erfassten Drucks des Drucksensors einem Druck des vorbestimmten Volumenstroms entspricht, der durch das Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung ZMS vorgegeben ist.
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Bei dieser Ausführungsform kann eine Funktionsüberwachung des Kühlsystems einfach über den vorhandenen Drucksensor anstatt über das Reaktionsverhalten des hydraulischen Stellglieds wahrgenommen werden. Wie zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben wurde, ist ein Schwellwert in einem Speicherabschnitt der Pumpensteuerung hinterlegt. Dieser Schwellwert entspricht einem minimalen Betriebsdruck, der insbesondere bei der Bildung von Lufteinschlüssen im Kühlsystem unterschritten wird. Nach einem Vergleich des Sollwerts mit dem erfassten Druck des Drucksensors beurteilt die Pumpensteuerung 21, ob eine Leckage im Kühlsystem vorliegt.
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Im Falle einer Fehlererkennung gibt die Pumpensteuerung 21 eine Fehlermeldung an die zentrale Motorsteuerung ZMS aus, die wiederum einen eingeschränkten Notbetrieb oder eine Abschaltung der Verbrennungsmaschine einleiten kann.
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Ferner kann anstelle einer LIN-Schnittstelle eine CAN-Schnittstelle zwischen der Pumpensteuerung 21 und der zentralen Motorsteuerung ZMS vorgesehen sein.
