DE102020130553B3

DE102020130553B3 - Pumpenvorrichtung für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102020130553B3
Application number: DE102020130553.2A
Authority: DE
Inventors: Franz Pawellek
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2040-11-20
Also published as: CN114542259A; US11401856B2; US20220154625A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpenvorrichtung (1) für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges, die zwei parallel angeordnete elektrische Pumpen (2,3) umfasst, die jeweils in ihrer Ansaugleitung (4) ein schaltbares Rückströmventil (5,6) aufweisen, so dass die elektrischen Pumpen (2,3) wahlweise im Einzelbetrieb oder Parallelbetrieb betreibbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpenvorrichtung für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Nutz- oder Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Pumpenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Im Nutzfahrzeug (NFZ)- Bereich werden herkömmlicherweise zur Kühlung von Verbrennungsmotoren regelbare mechanische Hauptwasserpumpen bzw. Kombinationen von mechanischen Hauptwasserpumpen mit elektrischen Hilfspumpen eingesetzt. Die Hauptwasserpumpen sind auf die maximale Motorbelastung bei hohen Drehzahlen ausgelegt und daher bei Betriebszuständen mit niedrigen Drehzahlen oft überdimensioniert. Ihre Fördermenge ist ausschließlich an die Drehzahl gekoppelt - und nicht an den tatsächlichen, dem Betriebszustand des Motors entsprechenden Kühlbedarf. Der Motor der Pumpe muss daher für ihre Funktion im Kühlkreislauf eine mechanische Leistung von bis zu zwei Kilowatt aufwenden. Zudem ist die Regelbarkeit von mechanischen Pumpen nur eingeschränkt möglich. Das Kraftstoffeinsparpotential, welches durch Fördermengenregelung erzielt werden könnte, wird somit nicht komplett ausgeschöpft.
Die DE 10 2018 104 784 A1 der Anmelderin beschreibt eine elektrische Kühlmittelpumpe, insbesondere zur Förderung von Kühlflüssigkeit zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs.
In der Patentschrift DE 301 909 A des Kaiserlichen Patentamts ist eine elektrisch betriebene Zentrifugalpumpenanlage gezeigt, bei der bei wechselndem Wasserverbrauch trotz Verwendung kleiner Druckkessel die Zentrifugalpumpen nicht allzu häufig angelassen werden müssen.
Die DE 196 53 636 C2 zeigt eine Pumpenanordnung mit steuerbarer Betriebsweise. Zwei gleiche Pumpen sind zwischen einem Zulauf und einem Ablauf in je einem Pumpenzweig parallel zueinander angeordnet und jeder Pumpenzweig weist ein Rückschlagventil auf. Über eine Steuereinrichtung können beide Pumpen in Serie oder parallel zueinander betrieben werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pumpenvorrichtung zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges mit Kühlmittel anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird von einer Pumpenvorrichtung für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1, von einem Nutz- oder Kraftfahrzeug sowie von einem Verfahren zum Betreiben einer solchen Pumpenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Demnach ist eine Pumpenvorrichtung für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges vorgesehen, die zwei parallel angeordnete elektrische Pumpen umfasst, die jeweils in ihrer Ansaugleitung ein schaltbares Rückströmventil aufweisen, so dass die elektrischen Pumpen wahlweise im Einzelbetrieb oder Parallelbetrieb betreibbar sind. LKWs fahren hauptsächlich im Teillastbereich. Der dafür erforderliche Volumenstrom kann im Einzelbetrieb bereitgestellt werden. Der Wirkungsgrad der Pumpenvorrichtung lässt sich dadurch erheblich steigern, denn der Pumpenwirkungsgrad beim Betrieb einer kleinen Pumpe nahe des Auslegungspunktes ist höher als der Pumpenwirkungsgrad einer größeren Pumpe im Teillastbereich.
Vorzugsweise sind die schaltbaren Rückströmventile 2/2 Wegeventile, die insbesondere pneumatisch oder elektrisch betätigbar sind.
Die schaltbaren Rückströmventile verhindern bevorzugt in Sperrstellung ein Rückströmen eines Kühlmittels im Kühlkreislauf, so dass die elektrischen Pumpen nicht entgegen der Förderrichtung durchströmbar sind.
Es kann vorgesehen sein, dass eine der elektrischen Pumpen eine Hauptpumpe bildet, die in einem Normalzustand betrieben ist und deren zugeordnetes schaltbares Rückströmventil in Durchflussstellung steht, wobei die zweite der elektrischen Pumpen eine Nebenpumpe bildet, die in dem Normalzustand abgeschaltet ist und deren zugeordnetes schaltbares Rückströmventil in Sperrstellung steht. Die Pumpenvorrichtung wird dann im Einzelbetrieb betrieben. Es kann vorteilhaft sein, wenn sich im Einzelbetrieb die Pumpen abwechseln, so dass die Laufzeit gleichmäßig auf beide Pumpen verteilt werden kann.
Vorzugsweise sind die elektrischen Pumpen identisch. Kosten für die Konstruktion einer größeren Pumpe können dadurch eingespart werden. Durch eine größere Stückzahl an gleichen Pumpen können auch die Herstellungskosten niedrig gehalten werden. Das Vorhandensein von zwei gleichartigen Pumpen schafft zudem eine Redundanz bei Ausfall einer Pumpe.
Vorzugsweise umfasst die Pumpenvorrichtung ein Adaptergehäuse, in dem die schaltbaren Rückströmventile angeordnet sind, wobei die elektrischen Pumpen an dem Adaptergehäuse befestigbar sind und das Adaptergehäuse eine Schnittstelle zu einem Verbrennungsmotor aufweist. Die Pumpenvorrichtung lässt sich so an bereits bestehende Schnittstellen anbinden und kann einfach nachgerüstet werden.
Zudem ist ein Nutz- oder Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der mittels eines Kühlkreislaufes kühlbar ist, und mit einer zuvor beschriebenen Pumpenvorrichtung, die dazu eigerichtet ist, ein Kühlmittel in dem Kühlkreislauf zu zirkulieren, vorgesehen.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Betreiben einer zuvor beschriebenen Pumpenvorrichtung vorgesehen, welches folgende Schritte aufweist:

- Für den Fall, dass der benötigte Volumenstrom im Kühlkreislauf niedrig ist, Betreiben der Pumpenvorrichtung im Einzelbetrieb, wobei das Rückströmventil der betriebenen elektrischen Pumpe in Durchflussstellung gebracht wird und das Rückströmventil der ausgeschalteten elektrischen Pumpe in Sperrstellung steht,
- Für den Fall, dass der benötigte Volumenstrom im Kühlkreislauf hoch ist, Betreiben der Pumpenvorrichtung im Parallelbetrieb, wobei beide elektrischen Pumpen betrieben werden und die Rückströmventile in Durchflussstellung stehen.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren folgende zusätzliche Schritte:

Im Fall eines Ausfalls einer der elektrischen Pumpe, Betreiben der anderen elektrischen Pumpe und Stellen des zugeordneten Rückströmventils in Durchflussstellung, sowie Stellen des Rückströmventils der fehlerhaften Pumpe in Sperrstellung.

Die Pumpenvorrichtung ist bevorzugt Teil eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor mittels eines Kühlkreislaufes kühlbar ist, wobei die Pumpenvorrichtung vom Zirkulieren von Kühlmittel in dem Kühlkreislauf eingesetzt wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:

1: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Pumpenvorrichtung eines Kühlmittelkreislaufes für einen Verbrennungsmotor eines Nutzfahrzeuges, sowie
2: eine Darstellung der erfindungsgemäßen Pumpenvorrichtung mit zwei elektrischen Pumpen.

In der 1 ist ein Schaltbild einer Pumpenvorrichtung 1 dargestellt. Die Pumpenvorrichtung 1 ist Teil eines Kühlmittelkreislaufes eines Verbrennungsmotors in Nutzfahrzeugen. Angetrieben durch die Pumpenvorrichtung 1 zirkuliert ein Kühlmittel in dem Kühlkreislauf und bewirkt eine Kühlung des Verbrennungsmotors. Bei dem Kühlmittel handelt es sich bevorzugt um Wasser.
Die Pumpenvorrichtung 1 weist zwei baugleiche, elektrische Pumpen 2,3 in Parallelschaltung auf. In der jeweiligen Ansaugleitung 4 der beiden Pumpen 2,3 ist jeweils ein Rückströmventil 5,6 vorgesehen. Die Rückströmventile 5,6 sind schaltbar. Eine der elektrischen Pumpen 2 bildet die Hauptpumpe aus. Die andere elektrische Pumpe 3 dient als Nebenpumpe. Das vor der Hauptpumpe 2 angeordnete erste Rückstromventil 5 ist federvorgespannt und pneumatisch betätigbar. Wird die Hauptpumpe 2 betrieben ist das Rückstromventil 5 in Förderrichtung in einer Durchflussstellung durchströmbar. Beim Abschalten der Hauptpumpe 2 wird das erste Rückströmventil 5 betätigt und entgegen der Federkraft in eine Sperrstellung überführt. Das in Strömungsrichtung vor der Nebenpumpe 3 angeordnete zweite Rückströmventil 6 ist elektrisch mittels eines Elektromagnets, der zwei gegensinnig wirkende Wicklungen aufweist, betätigbar. Für den Fall, dass die Nebenpumpe 3 nicht betrieben wird, befindet sich das zweite Rückstromventil 6 in einer Sperrstellung. Wird hingegen die Nebenpumpe 3 verwendet, wird das zweite Rückströmventil 6 in eine Durchflussstellung überführt.
Nutzfahrzeuge, insbesondere LKWs fahren vorwiegend im Teillastbereich, der erforderliche Volumenstrom kann dann durch eine einzige der beiden elektrischen Pumpen 2,3 erzeugt werden. Die Rückströmventile 5,6 im Ansaugbereich der elektrischen Pumpen 2,3 verhindern im Einzelbetrieb ein unerwünschtes Rückströmen des Kühlmittels durch die passive elektrische Pumpe. Der Pumpenwirkungsgrad wird erhöht, da dieser bei Betrieb einer kleineren Pumpe nahe des Auslegungspunktes größer ist, als der Pumpenwirkungsgrad einer großen Pumpe im Teillastbereich.
Im Einzelbetrieb kann aufgrund der beiden gleichen Pumpen 2,3 zwischen den beiden Pumpen gewechselt werden und die Laufzeiten gleichmäßig auf beide Pumpen aufgeteilt werden. Bei erhöhtem Kühlbedarf werden beide elektrischen Pumpen 2,3 parallel betrieben.
Das Vorhandensein von zwei gleichartigen Pumpen 2,3 schafft eine Redundanz beim Ausfall einer Pumpe. Kommt es im Einzelbetrieb zum Ausfall einer elektrischen Pumpe 2,3, kann die funktionsfähige Pumpe die ausgefallene Pumpe ersetzen, da diese baugleich sind. Im Parallelbetrieb kann bei Ausfall einer Pumpe die funktionsfähige Pumpe einen reduzierten Volumenstrom zur Kühlung des Verbrennungsmotors erzeugen. Zudem ist der Einsatz von zwei gleichen Pumpen kostengünstiger, da nur ein Pumpentyp konstruiert werden muss und dieser in höherer Stückzahl produziert werden kann.
Es ist auch denkbar, dass die Pumpenvorrichtung in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Hier ergeben sich ebenfalls die oben genannten Vorteile.
In der 2 ist eine seitliche Ansicht der Pumpenvorrichtung 1 dargestellt. Die Pumpenvorrichtung 1 umfasst ein spezielles Adaptergehäuse 7, welches eine Schnittstelle zum Verbrennungsmotor 8 bildet. Ein Nachrüsten der Pumpenvorrichtung 1 in bereits bestehende Systeme ist somit möglich. In dem Adaptergehäuse 7 sind die beiden Rückstromventile verbaut, die ein Rückströmen des Kühlmittels in Sperrstellung verhindern.

Claims

Pumpenvorrichtung (1) für einen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenvorrichtung (1) zwei parallel angeordnete elektrische Pumpen (2,3) umfasst, die jeweils in ihrer Ansaugleitung (4) ein schaltbares Rückströmventil (5,6) aufweisen, so dass die elektrischen Pumpen (2,3) wahlweise im Einzelbetrieb oder Parallelbetrieb betreibbar sind.
Pumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbaren Rückströmventile (5,6) 2/2 Wegeventile sind.
Pumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbaren Rückströmventile (5,6) pneumatisch oder elektrisch betätigbar sind.
Pumpenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbaren Rückströmventile (5,6) in Sperrstellung ein Rückströmen eines Kühlmittels im Kühlkreislauf verhindern.
Pumpenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der elektrischen Pumpen (2) eine Hauptpumpe bildet, die in einem Normalzustand betrieben ist und deren zugeordnetes schaltbares Rückströmventil (5) in Durchflussstellung steht, wobei die zweite der elektrischen Pumpen (3) eine Nebenpumpe bildet, die in dem Normalzustand abgeschaltet ist und deren zugeordnetes schaltbares Rückströmventil (6) in Sperrstellung steht.
Pumpenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Pumpen (2,3) identisch sind.
Pumpenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenvorrichtung (1) ein Adaptergehäuse (7) umfasst, in dem die schaltbaren Rückströmventile (5,6) angeordnet sind, wobei die elektrischen Pumpen (2,3) an dem Adaptergehäuse (7) befestigbar sind und das Adaptergehäuse (7) eine Schnittstelle zu einem Verbrennungsmotor aufweist.
Nutzfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der mittels eines Kühlkreislaufes kühlbar ist, und mit einer Pumpenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel in dem Kühlkreislauf zu zirkulieren.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der mittels eines Kühlkreislaufes kühlbar ist, und mit einer Pumpenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, die dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel in dem Kühlkreislauf zu zirkulieren.
Verfahren zum Betreiben einer Pumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Für den Fall, dass der benötigte Volumenstrom im Kühlkreislauf niedrig ist, Betreiben der Pumpenvorrichtung (1) im Einzelbetrieb, wobei das Rückströmventil (5,6) der betriebenen elektrischen Pumpe (2,3) in Durchflussstellung gebracht wird und das Rückströmventil (6,5) der ausgeschalteten elektrischen Pumpe (3,2) in Sperrstellung steht, - Für den Fall, dass der benötigte Volumenstrom im Kühlkreislauf hoch ist, Betreiben der Pumpenvorrichtung (1) im Parallelbetrieb, wobei beide elektrischen Pumpen (2,3) betrieben werden und die Rückströmventile (5,6) in Durchflussstellung stehen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: Im Fall eines Ausfalls einer der elektrischen Pumpe (2,3), Betreiben der anderen elektrischen Pumpe (3,2) und Stellen des zugeordneten Rückströmventils (6,5) in Durchflussstellung, sowie Stellen des Rückströmventils (5,6) der fehlerhaften Pumpe in Sperrstellung.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenvorrichtung (1) Teil eines Nutz- oder Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor ist, wobei der Verbrennungsmotor mittels eines Kühlkreislaufes kühlbar ist, wobei die Pumpenvorrichtung (1) vom Zirkulieren von Kühlmittel in dem Kühlkreislauf eingesetzt wird.