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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe mit einem elektrischen und mechanischen Hybridantrieb zur Kühlung einer Verbrennungsmaschine und ein Steuerungsverfahren für die Kühlmittelpumpe.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche elektrisch angetriebene Hilfsaggregate für eine Verbrennungsmaschine bekannt. Der elektrische Antrieb an Pumpen ermöglicht eine flexiblere Steuerung und Reaktionsmöglichkeiten in Bezug auf Betriebsparameter einer Verbrennungsmaschine, wobei insbesondere eine Förderleistung unabhängig von einer Maschinendrehzahl und beispielsweise in Abhängigkeit einer Last der Verbrennungsmaschine betrieben werden kann. Hierdurch wird im Teillastbereich der Verbrennungsmaschine sowie in bestimmten Fahrzuständen eines Fahrzeugs eine Leistungseinsparungen an Hilfsaggregaten erzielt, wodurch die Kraftstoffeffizienz verbessert und die Emissionen eines Fahrzeugs gesenkt werden.
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Die Elektrifizierung von Hilfsaggregatsantrieben geht jedoch auch mit Kompromissen einher, um einem Ausfallszenario des von der Verbrennungsmaschine separaten Antriebs Rechnung zu tragen oder ausreichende Leistungsreserven unter maximaler Anforderung an eine Kühlleistung sicherzustellen. So hat der Ausfall des Elektromotors einer Kühlmittelpumpe oder von dessen Leistungsversorgung unumgänglich einen darauffolgenden Zwangsstopp der Verbrennungsmaschine zur Konsequenz, um thermische Folgeschäden im gesamten System zu vermeiden. Ferner muss der elektrische Antrieb auf eine Nennleistung ausgelegt werden, die zuverlässig Spitzenlasten des Kühlsystems abdeckt, die in der Gesamtdauer eines Normalbetriebs nur selten auftreten, bzw. lediglich unter besonderen Belastungen der Verbrennungsmaschine und außergewöhnlichen äußeren Bedingungen erlangt werden.
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Die Größe, das Gewicht und die Kosten von Elektromotoren nehmen mit der Nennleistung zu, wobei Varianten, die ein akzeptables Leistungsverhältnis durch kompakte Konstruktion und Leichtbau kompensieren, mit einem überproportionalen Kostenanstieg verbunden sind. Dies trifft gerade für bürstenlose permanent erregte Motoren zu, die den Qualitätsstandards im Automotive-Bereich erfüllen. Somit steht einer sicherheitsorientierten Auslegung des elektrischen Antriebs insbesondere der Aspekt eines hohen Kostenfaktors im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit einer Produktion großer Stückzahlen entgegen.
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Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls sogenannte Hybridpumpen bekannt, die den Problemstellungen von rein elektrisch oder rein mechanisch angetriebenen Pumpen entgegentreten. Durch die Kombination eines elektrischen Motors und eines herkömmlichen Riemenantriebs zu einer Ausgangswelle der Verbrennungsmaschine wird die Ausfallsicherheit erhöht, während die Auslegung des elektrischen Antriebs auf eine durchschnittliche Belastung erfolgen kann.
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So offenbart die
DE 10 2016 202 438 A1 eine Dualmodus-Kühlungspumpe mit einem Elektromotor und einem Überholkupplungsmechanismus. Das Laufrad wird zunächst durch den Elektromotor angetrieben und in hohen Belastungssituationen des Fahrzeugs, in denen eine hohe Pumpendrehzahl erforderlich ist, wird der Elektromotor ausgeschaltet und die Überholkupplung verwendet, um das Laufrad selektiv über eine Riemenscheibe eines Riemenantriebs von der Verbrennungsmaschine aus mechanisch anzutreiben. Der Motorrotor des Elektromotors ist mit der Welle direkt verbunden. Die Überholkupplung wird während des elektrischen Antreibens durch eine schraubenförmige Keilfläche ausgerückt.
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Die
WO 2004/088143 A1 von derselben Anmelderin der vorliegenden Offenbarung beschreibt eine elektrische Kühlmittelpumpe, zu der unter anderem eine Ausführungsform mit einem mechanisch unterstützten Hybridantrieb beschrieben ist. Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich zu dem elektrischen Motor, dessen Motorrotor starr mit der Pumpenwelle verbunden ist, ein Antriebsrad vorgesehen, das über einen Freilauf an die Pumpenwelle gekoppelt ist. Das Antriebsrad kann als Riemenantrieb oder Zahnantrieb ausgebildet sein, um die Kühlmittelpumpe primär oder ergänzend mechanisch anzutreiben. Im Stillstand und bei kleiner Drehzahl der Verbrennungsmaschine übernimmt ein kostengünstiger Elektromotor den Pumpenantrieb mit konstanter Drehzahl. Bei höheren Drehzahlen des Verbrennungsmotors überholt das Antriebsrad den Elektromotor und erhöht dementsprechend die Pumpendrehzahl.
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Derartige Bauformen von Hybridpumpen sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass der elektrische Motor im abgeschalteten Zustand von dem mechanischen Antrieb mitgeschleppt werden muss. Beim Mitschleppen eines abgeschalteten Elektromotors tritt eine Verlustleistung auf um Rastmomenten durch magnetische Felder zwischen den Polen des Motorrotors und des Stators zu überwinden. Die Verbrennungsmaschine muss daher in einem mechanischen Betriebsmodus eines derartigen Hybridantriebs mehr Leistung als bei einem rein mechanischen Antrieb aufbringen, wodurch die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs beeinträchtigt wird.
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Eine zum Anmeldetag der vorliegenden Offenbarung noch unveröffentlichte Patentanmeldung
DE 10 2017 102 769.6 derselben Anmelderin beschreibt einen hydraulischen und elektrischen Hybridantrieb für eine Kühlmittelpumpe. Die beiden Antriebe sind durch Freiläufe mit einer Pumpenwelle der Pumpe gekoppelt.
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Die
US 2015/0184575 A1 beschreibt ein Steuerverfahren und -System für eine Dualmodus-Kühlungspumpe, die entweder über einen Riemenantrieb oder über einen Elektromotor angetrieben werden kann. Die Betriebsmodi werden über eine elektromagnetische Kupplung geschaltet, wobei in einem Fail-Safe-Zustand der Antrieb bei geschlossener Kupplung mechanisch über den Riemenantrieb erfolgt. Die Magnetkupplung erfordert einen großen Bauraum und trägt zu einem hohen Kostenanteil an der Hybridpumpe bei.
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Die
DE 10 2014 220 377 A1 beschreibt eine Hybrid-Kühlmittelpumpe mit einem Laufrad auf einer Laufradwelle, die über eine Kupplung mit Keilwellenverzahnung, wahlweise mit einer außenliegenden Pumpenwelle oder einer innenliegenden Pumpenwelle gekoppelt, oder von beiden Pumpenwellen entkoppelt werden kann. Den beiden Pumpenwellen sind ein Elektromotor und eine Riemenscheibe eines Riemenantriebs zugeordnet. Die koaxiale Anordnung und Lagerung der Wellen und Kupplungen ergibt einen relativ komplexen und somit kostenintensiv erscheinenden Aufbau.
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Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Kühlmittelpumpe mit einem Hybridantrieb zu schaffen, bei dem ein Mitschleppen des Elektromotors durch den mechanischen Antrieb entfällt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kühlmittelpumpe mit einem kompakten und kostengünstigen Hybridantrieb zu schaffen.
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Die Aufgaben werden durch eine Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Übertragungsrotor, vorzugsweise in Form einer Riemenscheibe oder eines Ritzels, zur Übertragung einer mechanischen Antriebsleistung auf die Pumpenwelle und ein Elektromotor zur Erzeugung einer elektrischen Antriebsleistung an der Pumpenwelle jeweils mittels einer separat zugeordneten Einwegkupplung, die in einer Antriebsdrehrichtung eingreift und in einer entgegengesetzten Drehrichtung freiläuft, mit der Pumpenwelle gekoppelt sind.
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Die Erfindung sieht somit erstmals vor, dass ein mechanischer Antrieb und ein elektrischer Antrieb unabhängig voneinander über zwei Einwegkupplungen lediglich in Antriebsrichtung eine Antriebskraft an der Pumpenwelle aufbringen.
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Im Gegensatz zu dem Stand der Technik, der einen einzelnen Freilauf bzw. eine Überholkupplung für einen mechanischen Antrieb einsetzt, und bei dem der elektrische Motor starr mit der Pumpenwelle gekoppelt ist, kann erfindungsgemäß eine Verlustleistung des Antriebs durch ein Mitschleppen des Elektromotors während einer funktional passiven Betriebsdauer desselben im Hybridantrieb ausgeschlossen werden. Somit kann die Antriebslast für Hilfsaggregate der Verbrennungsmaschine gesenkt und eine Kraftstoffeffizienz und ein entsprechender Emissionswert der Verbrennungsmaschine verbessert werden.
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Durch den Einsatz von zwei Einwegkupplungen bzw. Freiläufen kann eine ebenso einfache wie wirksame Koppelung zwischen dem Übertragungsrotor, insbesondere einer Riemenscheibe des mechanischen Antriebs und der Pumpenwelle sowie zwischen dem Elektromotor und der Pumpenwelle realisiert werden, wobei ein möglichst geringer Bauraum in Anspruch genommen wird.
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Der Einsatz von zwei Einwegkupplungen ermöglicht eine automatische wechselseitige Einleitung der Antriebskräfte, die sich selbsttätig verlagert sobald die Drehzahl des einen Antriebs diejenige des anderen überschreitet, oder bei gleicher Drehzahl das Drehmoment des einen Antriebs dasjenige des anderen überwiegt. Dadurch kann die Pumpe einseitig angetrieben werden, d.h. mechanisch angetrieben werden während der Elektromotor ruht, oder elektrisch angetrieben werden während die Verbrennungsmaschine ruht. Diese Funktion wird ohne den Bedarf einer mechanischen Ansteuerung durch ein Stellglied nebst Regelungsschaltung, sondern lediglich in Reaktion auf die gewählte Antriebsweise umgesetzt.
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Die automatische Verteilung von Drehzahl und Drehmoment der Pumpenwelle auf die beiden Antriebe in Reaktion auf ein selektives Umstellen der Antriebsmodi, erbringt Einsparungen von Kosten und Bauraum im Vergleich zu einer funktional vergleichbaren Lösung einer aktiv einstellbaren Kupplungsvorrichtung mit einem Stellglied sowie einer erforderlichen Steuerung für die Kupplungszustände.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine volumetrische Förderleistung der Kühlmittelpumpe unabhängig von einer Drehzahl der Pumpenwelle mittels eines graduell begrenzbaren Strömungsdurchlasses im Pumpengehäuse 1 drosselbar sein.
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Durch eine volumetrische Begrenzung des Förderstroms in der Pumpe wird ein weiterer Grundzustand des Betriebs ermöglicht. Unter Berücksichtigung von graduellen Zwischenstellungen bis zu einer vollständigen Begrenzung wird ferner eine weitere Steuerungsfunktion zu der selektiven Auswahl des Antriebs realisiert. Diese Funktion ist beim mechanischen Antrieb der Pumpe in Situationen zielführend, in denen die Kühlungsanforderung der Verbrennungsmaschine nicht mit der vorgegebenen Maschinendrehzahl korreliert, d.h. insbesondere wenn in einer Kaltstartphase der Verbrennungsmaschine die drehzahlabhängige Antriebsleistung einen Umwälzungsbedarf im Kühlmittelkreislauf übersteigt.
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Im Vergleich zum Stand der Technik, der einen einzelnen Freilauf bzw. eine Überholkupplung für einen mechanischen Antrieb einsetzt, ermöglicht es dieser Aspekt in vorteilhafter Weise, eine durch den Fahrzeugantrieb zwangsvorgegebenen Verlauf der Förderleistung der Pumpe nach unten korrigierend aufzuheben, um auf Fahr- und Betriebssituationen mit geringerem Kühlungsbedarf zu reagieren.
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Im Vergleich zum Stand der Technik, der eine steuerbare Kupplungsvorrichtung einsetzt, bietet dieser Aspekt eine alternative Lösung zu einer Entkoppelung des mechanischen Antriebs von der Pumpenwelle. Nachdem eine steuerbare Kupplungsvorrichtung jedoch in der Regel auf den Betrieb im ein- oder ausgekoppelten Zustand und weniger auf einen Dauerbetrieb in einem dazwischenliegenden Reibschluss ausgelegt ist, bietet dieser Aspekt der Erfindung auch in diesem Vergleich den Vorteil der zusätzlichen Funktion einer steuerbaren Leistungsreduzierung zwischen vorgegebener mechanischer Antriebsleistung und Förderleistung der Pumpe, ohne das Erfordernis einer Umschaltung auf eine frei regelbare elektrische Antriebsleistung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Pumpenlaufrad mittels eines radial umgebenden und in axiale Überschneidung bewegbaren Regelschiebers graduell abschirmbar sein.
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Hierdurch wird eine Begrenzung des Strömungsdurchlasses im Pumpengehäuse nicht anhand eines hydraulischen Widerstands wie einem begrenzbaren Strömungsquerschnitt, sondern vorteilhafterweise anhand eines volumetrischen Wirkungsgrads der Pumpe durch Eingrenzung eines strömungswirksamen Radialbereichs des Pumpenlaufrads umgesetzt. Dieser Aspekt verschafft eine geringe hydraulische Verlustleistung in der Pumpe während einer Leistungsreduzierung zwischen der vorgegebenen mechanischen Antriebsleistung und der Förderleistung der Pumpe.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Regelschieber hydraulisch verstellbar sein.
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Ein entsprechender hydraulischer Verstellmechanismus in der Pumpenbaugruppe hat sich unter der technischen Bezeichnung eines „ECF“ Pumpentyps an Produkten der Anmelderin als besonders langlebig erwiesen und etabliert. Demnach profitieren der bekannte Pumpentyp und der erfindungsgemäße Hybridantrieb durch die erläuterte Erweiterung von Grundzuständen und steuerbaren Zwischenzuständen gegenseitig von einender.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können der Übertragungsrotor und der Elektromotor axial zueinander benachbart sein, und koaxial mit den Einwegkupplungen auf der Pumpenwelle angeordnet sein.
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Dieser Aspekt verschafft eine äußerst kompakte Anordnung aller Antriebselemente ohne dem Erfordernis einer weiteren Welle, Wellenlagerung oder sonstigen Bauelementen eines Getriebes und dergleichen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Einwegkupplungen in Form von Hülsenfreiläufen bereitgestellt sein.
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Durch den Einsatz von Hülsenfreiläufen kann ein Aufbau der erfindungsgemäßen Koppelung der Antriebe an die Pumpenwelle auf einem kleinstmöglichen Bauraum realisiert werden. Zudem zeichnen sich Hülsenfreiläufe mit Nadelrollen und Klemmrampen durch hohe Schaltfrequenzen aufgrund niedriger Trägheitsmomente der Klemmung sowie eine geringe Leerlaufreibung ohne Rastmomente aus.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Übertragungsrotor in Form einer Riemenscheibe ausgebildet sein und über einen Riemen mit einer Ausgangswelle der Verbrennungsmaschine in einer Wirkverbindung stehen.
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Eine Riemenscheibe für einen Keilriemen oder Zahnriemen bietet anstelle eines Kettenrads oder Zahnrads eine kostengünstigere Variante eines Übertragungsmechanismus für die Antriebskraft der Verbrennungsmaschine.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern der Kühlmittelpumpe die folgenden Schritte umfassen: Ermitteln einer Kühlungsanforderung der Verbrennungsmaschine durch Erfassen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungsmaschine; Erfassen einer Drehzahl der Verbrennungsmaschine; und Einschalten einer elektrischen Leistungszufuhr zu dem Elektromotor, wenn eine Kühlungsanforderung besteht und der Verbrennungsmotor ruht.
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Hierdurch wird ein Betrieb der Pumpe elektrisch fortgeführt, wenn in dem Fahrzeug, beispielsweise durch eine Start-Stopp-Automatik die Verbrennungsmaschine zeitweise ausgeschaltet wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Steuerungsverfahren folgenden Schritt umfassen: Einschalten einer elektrischen Leistungszufuhr zu dem Elektromotor, wenn eine im Verhältnis zur Drehzahl stehende Antriebsleistung von der Verbrennungsmaschine eine im Verhältnis zur Kühlungsanforderung stehende erforderliche Förderleistung der Kühlmittelpumpe unterschreitet.
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Insofern der Elektromotor ausreichend groß dimensioniert ist, dass eine Nennleistung desselben größer als eine Antriebsleistung ist, die zumindest innerhalb eines niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich über den Riementrieb von der Verbrennungsmaschine auf die Kühlmittelpumpe übertragen wird, kann somit im Bedarfsfall der elektrische Antrieb anstelle eines temporär unzureichenden mechanischen Antriebs einspringen. Dies kann der Fall sein, wenn eine geringe Maschinendrehzahl und eine hohe Kühlungsanforderung vorliegen, beispielsweise bei hohen Außentemperaturen und geringem Fahrtwind durch Stau, Berganstiege oder hohe Zuglasten.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Steuerungsverfahren für eine erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe, die ferner über einen graduell begrenzbaren Strömungsdurchlass verfügt, den zusätzlichen Schritt umfassen: Betätigen des graduell begrenzbaren Strömungsdurchlasses, wenn die im Verhältnis zur Drehzahl stehende Antriebsleistung von der Verbrennungsmaschine die im Verhältnis zur Kühlungsanforderung stehende erforderliche Förderleistung der Kühlmittelpumpe überschreitet.
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Hierdurch wird eine Förderleistung der Kühlmittelpumpe, d.h. eine Umwälzung im Kühlmittelkreislauf der Verbrennungsmaschine unabhängig von der Maschinendrehzahl gedrosselt, sodass auch in Situationen einer geringen Kühlungsanforderung, beispielsweise während einer Kaltstartphase, geringe Kühlung bzw. ein schnelles Aufwärmen der Verbrennungsmaschine auf Betriebstemperatur erzielbar ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Steuerungsverfahren zudem vorsehen, dass ein Einstellen der elektrischen Leistungszufuhr und ein Einstellen des graduell begrenzbaren Strömungsdurchlasses unter Verwendung eines vorbestimmten Kennfeldes mit Vergleichswerten der Temperatur und der Drehzahl erfolgt, wobei in dem Kennfeld auslesbare Befehlswerte hinterlegt sind, die für die elektrische Leistungszufuhr zu dem Elektromotor und einen Stellweg des begrenzbaren Strömungsdurchlasses bezeichnend sind.
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Durch den Vergleich von erfassten Istwerten und das Auslesen von Befehlswerten, die auf das Erreichen von Sollwerten zielgerichtet hinterlegt sind, wird eine einfache und effektive Steuerung unter geringem Verarbeitungsaufwand für einen Mikroprozessor oder dergleichen vorgeschlagen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
- 1 eine Längsschnittansicht durch eine Pumpe mit dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch die Pumpenwelle 3 und das ohne Außenkonturen dargestelltes Pumpengehäuse 1. Die Pumpenwelle 3 erstreckt sich durch den elektrischen Motor 4 und die Riemenscheibe 5, der als eine Riemenscheibe 5 für einen Zahnriemen ausgebildet ist. Auf der Pumpenwelle 3 des Hybridantriebs ist ein Pumpenlaufrad 2 drehfest angebracht. Das Pumpenlaufrad 2 ist in einer nicht dargestellten Pumpenkammer einer Radialpumpenbaugruppe mit einem Spiralgehäuse und dergleichen aufgenommen.
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In dem Pumpengehäuse 1 ist ein Stator 41 des elektrischen Motors 4 aufgenommen, der einen Motorrotor 42 des elektrischen Motors 4 radial umgibt. Der Motorrotor 42 ist auf dem äußeren Kupplungsteil einer Einwegkupplungen 43 aufgesetzt, deren inneres Kupplungsteil wiederum auf dem Umfang der Pumpenwelle 3 sitzt.
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Der elektrische Motor 4 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem permanenterregten Motorrotor 42, in dessen Umfang permanentmagnetische Elemente eingebettet sind. Der Stator 41 des elektrischen Motors 4 weist über den Umfang verteilte Statorzähne auf, die jeweils von Wicklungen einer Statorspule umgeben sind. Die Statorspulen werden durch eine nicht dargestellte Leistungsschaltung, die mit einer elektrischen Leistungszufuhr verbunden ist, angesteuert, um ein mehrphasiges elektrisches Drehfeld zu erzeugen, durch das der Motorrotor 42 anhand seiner magnetischen Pole in Drehung versetzt wird und eine rotatorische Antriebsleistung erzeugt.
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Axial benachbart zu dem elektrischen Motor 4 ist am freien Ende der Pumpenwelle 3 die Riemenscheibe 5 angeordnet. Die Riemenscheibe ist ebenfalls auf dem äußeren Kupplungsteil einer Einwegkupplung 53 aufgesetzt, deren inneres Kupplungsteil wiederum auf dem Umfang der Pumpenwelle 3 sitzt. Die Riemenscheibe 5 überträgt eine Antriebsleistung, die von einer Ausgangswelle der nicht dargestellten Verbrennungsmaschine auf einen Riemen abgegeben wird, auf die Pumpenwelle 3.
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Die Einwegkupplungen 43, 53 werden durch einen Freilaufkupplungstyp, wie einem Hülsenfreilauf mit Wälzkörpern und Keilflächen oder gefederten Kugeln, Sperrklinken, Klemmkörpern oder dergleichen gebildet. Beide Einwegkupplungen 43, 53 sind derart ausgerichtet, dass eine relative Drehung zwischen dem Motorrotor 42 und der Pumpenwelle 3 oder der Riemenscheibe 5 und der Pumpenwelle 3 in einer Antriebsdrehrichtung des Pumpenlaufrad 2 drehfest fixiert wird und in der entgegengesetzten Drehrichtung freigegeben ist bzw. freiläuft.
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In der dargestellten Ausführungsform sind die Einwegkupplungen 43, 53 in Form eines selbsthemmenden Hülsenfreilaufs mit Klemmrampen, Kunststoffkäfigen, Andruckfedern und Nadelrollen schematisch dargestellt. Wie dem Fachmann verständlich ist, können allerdings ebenso andere Typen von Freiläufen eingesetzt werden, die andere Arten von Klemmkörpern, Klauenringe oder federnd gelagerte Sperrklinken aufweisen. Ebenso kann eine Schlingenfederkupplung, ein Federwickelfreilauf oder eine selbst synchronisierende Schaltkupplung in Form einer Zahnkupplung, die im Überholbetrieb auskuppelt, als Einwegkupplung 43 und 53 verwendet werden.
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Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Pumpenbaugruppe der Kühlmittelpumpe mit Hybridantrieb weist einen hydraulisch verstellbaren Regelschieber 6 auf, der aus einem sogenannten ECF Pumpentyp bekannt ist.
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Der strömungswirksame Radialbereich um das Pumpenlaufrad 2 kann von dem Regelschieber 6 mit einem koaxial zur Pumpenwelle 3 ausgebildeten zylindrischen Abschnitt entlang eines parallel zur Pumpenwelle 3 verlaufenden Stellwegs variabel überdeckt werden. An der inneren Umfangswand des zylindrischen Abschnitts verläuft eine Dichtungslippe 16 zu dem Pumpengehäuse 1. In 1 befindet sich der Regelschieber 6 in einer „offenen Position“, in welcher der Strömungsbereich des Pumpenlaufrads 2 nicht überdeckt wird.
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In dem Pumpengehäuse 1 ist ferner innerhalb des Radius des Pumpenlaufrads 2 und parallel zur Pumpenwelle 3 eine Axialkolbenpumpe 7 angeordnet, deren Kolben über einen Gleitschuh betätigt wird, der auf einer Taumelscheibe 17 gleitet, die drehfest auf der Pumpenwelle 3 angeordnet ist.
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Die Axialkolbenpumpe 7 saugt Kühlmittel aus dem Strömungsbereich zwischen dem Pumpenlaufrad 2 und dem Regelschieber 6 an und stößt das unter Druck gesetzte Kühlmittel in einen hydraulischen Kreislauf 10 aus, der in dem Pumpengehäuse 1 ausgebildet ist. Der hydraulische Kreislauf 10 umfasst ein nicht dargestelltes elektromagnetisches Proportionalventil 8 und einen Ringkolben 9, der koaxial zu der Pumpenwelle 3 angeordnet ist und die Funktion eines hydraulischen Stellglieds entlang des Verschiebungswegs des Regelschiebers 6 übernimmt.
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Eine Rückstellfeder 19 beaufschlagt den Ringkolben 9 in entgegengesetzter Richtung zu dem Druck des hydraulischen Kreislaufs 10, d.h. hinweg von dem Pumpenlaufrad 2. Der Ringkolben 9 steht mit dem Regelschieber 6 in Verbindung und verschiebt diesen mit zunehmendem Druck des hydraulischen Kreislaufs 10 in Richtung des Pumpenlaufrads 2.
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Das elektromagnetische Proportionalventil 8 ist ohne Zuführung eines Ansteuerstroms geöffnet, sodass das von der Axialkolbenpumpe 7 angesaugte Kühlmittel im Wesentlichen drucklos über den hydraulischen Kreislauf 10 durch das Proportionalventil 8 hindurch zurück in den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels zurückfließt. Somit baut sich in dem hydraulischen Kreislauf 10 kein Druck auf und der Ringkolben 9 verbleibt unter Beaufschlagung der Rückstellfeder 19 in einer unbetätigten Grundstellung. Der Regelschieber 6 wird dabei in der „offenen Position“ gehalten, wie in 1 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 Pumpenlaufrads 2 durch den Regelschieber 6 hergestellt. Dieser Zustand stellt zugleich einen Fail-Safe Modus dar, da im Falle eines Ausfalls einer Stromzufuhr, d.h. einem stromlosen elektromagnetischen Proportionalventil 8, automatisch ein maximaler Volumenstrom und ein größtmöglicher Wärmeaustrag am Verbrennungsmotor sichergestellt sind.
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Wenn das elektromagnetische Proportionalventil 8 geschlossen ist, breitet sich der von der Axialkolbenpumpe 9 aufgewendete Druck über den hydraulischen Kreislauf 10 aus und wirkt auf den Ringkolben 9. Der Ringkolben 9 verschiebt den Regelschieber 6 gegen die Kraft der Rückstellfeder 19 zu dem Pumpenlaufrad 2. Dabei wird der zylindrische Abschnitt des Regelschiebers 6 in axiale Überschneidung mit dem Pumpenlaufrad 2 gebracht, wodurch ein wirksamer Strömungsbereich des Pumpenlaufrads 2 zunehmend überdeckt wird.
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In einer „geschlossenen Position“ des Regelschiebers 6 überdeckt dessen zylindrischer Abschnitt das Pumpenlaufrad 2 vollständig, sodass -ohne Berücksichtigung der Pumpendrehzahl- ein minimaler geförderter Volumenstrom durch die Abschirmung hergestellt wird.
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Wie obenstehend beschrieben ist, hängt ein von der Kühlmittelpumpe geförderter Volumenstrom einerseits von der Strömungswirksamkeit des Pumpenlaufrads 2 ab, die bei zunehmender axialer Verschiebung der Position des Regelschiebers 6 und des Ringkolbens 9 in Richtung der „geschlossenen Position“ mit einem steigenden Grad der Überdeckung durch den Regelschieber 7 abnimmt. Andererseits hängt der geförderte Volumenstrom der Kühlmittelpumpe von der Pumpendrehzahl ab, die den für einen Fahrzeugbetrieb charakteristischen Schwankungen unterliegt.
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Der Druck im hydraulischen Kreislauf 10 wird durch Ein- und Ausschaltdauern zum Öffnen- und Schließen des Proportionalventils 8 derart gesteuert, dass ein Gleichgewicht zwischen dem hydraulischen Druck und dem Druck der Rückstellfeder 19 in einer Position des Ringkolbens 9 bzw. des Regelschiebers 6 erzielt und gehalten wird. Die tatsächliche Position des Ringkolbens 9 wird von einem nicht dargestellten Wegsensor erfasst und zur Regelung des Proportionalventils 8 verwendet.
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Ein Umschalten zwischen der elektrischen und der mechanischen Betriebsweise des Hybridantriebs wird durch Ein- und Ausschalten sowie eine anschließende Regelung der elektrischen Leistungszufuhr des elektrischen Motors 4 umgesetzt.
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Ein Drosseln der Förderleistung der Pumpe gegenüber der vorgegebenen Maschinendrehzahl wird anhand einer Pulsweitenmodulation zum Öffnen und Schließen des elektromagnetisch betätigten Proportionalventils 8 durchgeführt.
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Ob eine Leistungsanforderung an eine Kühlleistung für die Verbrennungsmaschine, von der eine Umschaltung der Betriebsweisen des Hybridantriebs der Kühlmittelpumpe abhängen kann, zunimmt oder abnimmt, kann in bekannter Weise durch Messungen einer Temperatur, wie einer Kühlmitteltemperatur und/oder einer Außentemperatur, einer Last, wie einem abgegebenen Drehmoment der Verbrennungsmaschine, einer Drehzahl der Verbrennungsmaschine und /oder weiteren Betriebsparametern des Fahrzeugs, wie einer Gaspedalstellung, eines Kraftstoffvolumenstroms, oder dergleichen mittels Sensoren erfasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016202438 A1 [0006]
- WO 2004/088143 A1 [0007]
- DE 102017102769 [0009]
- US 2015/0184575 A1 [0010]
- DE 102014220377 A1 [0011]
