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Die Erfindung betrifft eine variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe, insbesondere eine vollvariable Kraftfahrzeug-Zentrifugalpumpe, die mechanisch durch einen Verbrennungsmotor, z.B. über einen Riementrieb, angetrieben wird.
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Eine verstellbare Kraftfahrzeug-Zentrifugalpumpe umfasst typischerweise einen axial verschiebbaren Steuerschieber, der über das Zentrifugal-Pumpenrad geschoben werden kann, um eine abführende radiale Außenseite des Pumpenrades abzudecken und dadurch den vom Pumpen-Impeller abgegebenen Volumenstrom zu blockieren. Diese Art von Pumpen kann mit einem halbvariablen Stellsystem ausgestattet werden, das es dem Steuerschieber ermöglicht, zwei Verschiebepositionen einzunehmen, um die fördernde radiale Außenseite des Pumpenrads vollständig zu schließen/blockieren oder vollständig zu öffnen, so dass zwei Betriebsarten der Pumpe definiert werden, nämlich ein Fördermodus oder ein Nichtfördermodus.
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Bei einer solchen mechanisch angetriebenen Kreiselpumpe mit einem verschiebbaren Steuerschieber ist der abgegebene Volumenstrom nicht nur von der Drehzahl der Pumpe oder des pumpenantreibenden Verbrennungsmotors abhängig. In einigen wichtigen Betriebspunkten, wie z.B. in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, kann durch den verschiebbaren Steuerschieber der abgegebene Volumenstrom der Pumpe gestoppt werden, während die Pumpe weiterhin vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, wodurch der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur noch schneller erreicht.
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Ein vollvariables Betätigungssystem bietet zusätzlich zu den beiden Betriebsmodi des teilvariablen Betätigungssystems einen Pumpmodus zur Bereitstellung eines reduzierten abgegebenen Volumenstroms, indem die Position des Steuerschiebers so geregelt wird, dass die abführende radiale Außenseite des Pumpenrads nur teilweise abgedeckt wird, d. h., wenn sich der Steuerschieber in einer Zwischenposition zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position befindet.
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Die
DE 10 2014 110 231 B3 offenbart eine solche vollvariable Kühlmittel-Zentrifugalpumpe mit einem mechanischen Antrieb durch einen Verbrennungsmotor. Der Steuerschieber kann durch ein Betätigungssystem vollvariabel verschoben werden, um den abgegebenen Volumenstrom bezogen auf die voll geöffnete Betriebsart vollständig zu blockieren oder zu reduzieren. Der Steuerschieber ist durch eine Druckfeder federbelastet, die den Steuerschieber mechanisch in eine vollständig geöffnete Position drückt und einen Fail-Safe-Mechanismus ausbildet, der gewährleistet, dass die Pumpe bei Ausfall des Betätigungssystems das Kühlmittel mit dem maximalen Volumenstrom fördert. Die Schließbewegung des Steuerschiebers wird hydraulisch durch Druckbeaufschlagung einer hydraulischen Steuerkammer auf der dem Pumpenrad abgewandten Seite des Steuerschiebers ausgelöst.
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Der Steuerdruck zur Beaufschlagung der hydraulischen Steuerkammer wird von einer Axialkolben-Pumpenstufe erzeugt, die durch eine mit dem Pumpenrad drehfest verbundene Taumelscheibe betätigt wird. Ein Proportional-Magnetventil verbindet die Axialkolben-Pumpenstufe hydraulisch mit einer Förderkammer. In einer vollständig geöffneten Stellung des Steuerschiebers ist das Magnetventil vollständig geöffnet, so dass das von der Axialkolbenpumpe unter Druck gesetzte Kühlmittel in die Förderkammer zurückströmt und dadurch permanent durch das hydraulische Betätigungssystem zirkuliert. Ist das Magnetventil vollständig geschlossen, fließt das unter Druck stehende Kühlmittel über eine Verzweigung zwischen der Axialkolbenpumpe und dem Magnetventil zur hydraulischen Steuerkammer. Die dadurch entstehende Druckbeaufschlagung der hydraulischen Steuerkammer zwingt den Steuerschieber, sich gegen die Federkraft in Richtung Pumpenrad zu bewegen, wodurch das Pumpenrad radial abgedeckt wird und der von dem Pumpenrad abgegebene Volumenstrom reduziert oder ganz blockiert wird.
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Die Druckfeder erzeugt eine relativ große und konstante Rückstellkraft, die groß genug sein muss, um den Steuerschieber bei einem Ausfall des Betätigungssystems wieder in die vollständig geöffnete Stellung zu bringen. Daher ist in der hydraulischen Steuerkammer ein relativ hoher Druck erforderlich, um die Rückstellkraft zum Schließen des Steuerschiebers zu überwinden. Aufgrund des erforderlichen hohen Drucks wird eine Verdrängerpumpe wie die Axialkolbenpumpe benötigt, die in der Lage ist, den erforderlichen hohen Druck innerhalb der hydraulischen Steuerkammer zu erzeugen. Die Erzeugung des hohen Drucks und die permanente Zirkulation des unter Druck stehenden Kühlmittels führen zu einem relativ schlechten Wirkungsgrad der Kühlmittelpumpe. Außerdem unterliegt die Axialkolbenpumpe als Verdrängerpumpe einem relativ großen Verschleiß, der eine mögliche Schwachstelle im Antriebssystem der Kühlmittelpumpe darstellt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe mit einem effizienten und zuverlässigen Steuerschieber-Betätigungssystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe umfasst ein Pumpenrad, das drehbar in einer Förderkammer angeordnet ist. Das rotierende Pumpenrad ist ausgebildet, um Flüssigkeit in die Förderkammer anzusaugen und Flüssigkeit aus der Förderkammer abzugeben. Die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe umfasst einen Steuerschieber, der in Bezug auf das Pumpenrad axial verschiebbar ist, so dass der Volumenstrom der abgegebenen Flüssigkeit variiert oder vollständig blockiert werden kann. Die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe ist vorzugsweise eine Zentrifugalpumpe und der Steuerschieber ist vorzugsweise so ausgebildet, dass durch den Steuerschieber in Abhängigkeit von seiner axialen Stellung eine radial abführende Außenseite des Pumpenrades geöffnet oder geschlossen wird, d.h. der Steuerschieber kann aus einer vollständig geöffneten axialen Position, bei der die radial abführende Außenseite des Pumpenrades nicht abgedeckt ist, axial über das Pumpenrad in eine axiale Position geschoben werden, bei der das Pumpenrad durch den Steuerschieber radial teilweise oder vollständig abgedeckt ist. Dadurch kann der Volumenstrom der abgegebenen Flüssigkeit variiert oder vollständig blockiert werden, so dass der abgegebene Volumenstrom unabhängig von der Drehzahl der Pumpe eingestellt werden kann. Dadurch kann der von der Pumpe abgegebene Volumenstrom reduziert oder ganz unterbrochen werden, während die Pumpe weiterdreht.
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Die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe umfasst ferner ein hydraulisches Betätigungssystem zur hydraulischen Betätigung des Steuerschiebers. Das hydraulische Betätigungssystem umfasst eine hydraulische Steuerkammer, die so angeordnet ist, dass eine Druckbeaufschlagung der hydraulischen Steuerkammer eine Druckkraft auf eine axiale, dem Pumpenrad abgewandte Endfläche des Steuerschiebers ausübt. Die Druckkraft drückt den Steuerschieber aus der vollständig geöffneten Position, in der der Steuerschieber die abgebende radiale Außenseite des Pumpenrads nicht abdeckt, in Richtung des Pumpenrads in eine Abdeckposition, in der der Steuerschieber die abgebende radiale Außenseite des Pumpenrads teilweise oder vollständig abdeckt.
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Je nach Druckniveau in der Hydraulikkammer kann die axiale Position des Steuerschiebers stufenlos und vollvariabel eingestellt werden, was eine relativ genaue Einstellung des abzugebenden Volumenstroms ermöglicht. Dadurch sind drei Betriebsmodi der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe definiert, nämlich ein Vollpumpmodus, bei dem sich der Steuerschieber in einer entfernten Endposition mit maximalem Abstand zum Pumpenrad befindet und das Pumpenrad nicht radial abdeckt, ein Nichtpumpmodus, bei dem sich der Steuerschieber in einer geschlossenen Endposition mit minimalem Abstand zum Pumpenrad befindet und das Pumpenrad vollständig abdeckt, und ein gedrosselter Pumpmodus, bei dem sich der Steuerschieber in einer Zwischenposition zwischen den beiden genannten Endpositionen befindet und das Pumpenrad teilweise abdeckt.
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Das hydraulische Betätigungssystem umfasst ferner eine Druckerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Steuerdrucks in der hydraulischen Steuerkammer. Die Druckerzeugungsvorrichtung wird permanent durch das Pumpenrad betätigt und ist hydraulisch mit der hydraulischen Steuerkammer verbunden, so dass die hydraulische Steuerkammer mit dem Steuerdruck beaufschlagt wird, um den Steuerschieber axial zu verschieben und wodurch die axialen Positionen des Steuerschiebers entsprechend den Betriebsarten der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe definiert werden. Entsprechend der permanenten Betätigung der Druckerzeugungseinrichtung durch das Pumpenrad erzeugt die Druckerzeugungseinrichtung ständig einen Steuerdruck innerhalb des hydraulischen Betätigungssystems.
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Das hydraulische Betätigungssystem umfasst ferner ein Druckregelventil, das die hydraulische Steuerkammer mit der Druckerzeugungseinrichtung hydraulisch verbindet. Alternativ verbindet das Drucksteuerventil die hydraulische Steuerkammer hydraulisch mit der Förderkammer.
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Wenn das Drucksteuerventil die hydraulische Steuerkammer mit der Druckerzeugungsvorrichtung verbindet, ist das Drucksteuerventil im Vollpumpbetrieb vorzugsweise geschlossen, damit die hydraulische Steuerkammer nicht durch den von der Druckerzeugungsvorrichtung erzeugten Druck unter Druck gesetzt wird. In dieser Ausführungsform ist die Förderkammer über einen Drosselkanal fest mit der hydraulischen Steuerkammer hydraulisch verbunden. Der Drosselkanal ist als Durchflussbegrenzer definiert, der ein lokal verengter Abschnitt oder ein anderes geeignetes Drosselmittel innerhalb eines Verbindungskanals zwischen der hydraulischen Steuerkammer und der Förderkammer sein kann. Der Drosselkanal reduziert dadurch die Durchflussmenge zwischen der hydraulischen Steuerkammer und der Förderkammer um mindestens 50 % im Vergleich zu der Durchflussmenge, die ein ungedrosselter Verbindungskanal gleichen Durchmessers liefern würde. Aufgrund der permanenten hydraulischen Verbindung zwischen der hydraulischen Steuerkammer und der Förderkammer entspricht der Druck in der hydraulischen Steuerkammer dem Druck in der Förderkammer.
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Ist das Druckregelventil geöffnet, wird die hydraulische Steuerkammer mit Flüssigkeit versorgt, die von der Druckerzeugungseinrichtung aus der Förderkammer in die hydraulische Steuerkammer gepumpt wird. Aufgrund des strömungsbegrenzenden Drosselkanals ist der Volumenstrom der von der Druckerzeugungseinrichtung in die hydraulische Steuerkammer strömenden Flüssigkeit größer als der Volumenstrom der von der hydraulischen Steuerkammer über den Drosselkanal zurück zur Förderkammer strömenden Flüssigkeit, so dass der Drosselkanal eine Druckbeaufschlagung der hydraulischen Steuerkammer mit einem Steuerdruck bewirkt, der höher ist als der Druck der Förderkammer. Die resultierende Druckkraft, die gegen die pumpenradabgewandte axiale Endfläche des Steuerschiebers wirkt, ist dadurch größer als eine Rückstellkraft, die den Steuerschieber in die pumpenradabgewandte Endlage drückt, so dass der Steuerschieber axial auf das Pumpenrad zu geschoben wird, so dass die abführende radiale Außenseite des Pumpenrades abgedeckt wird und der abgegebene Volumenstrom reduziert oder ganz gestoppt wird.
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Alternativ ist, wenn das Druckregelventil die hydraulische Steuerkammer mit der Förderkammer hydraulisch verbindet, das Druckregelventil vorzugsweise im Vollpumpbetrieb geöffnet. Zusätzlich ist die Druckerzeugungsvorrichtung über den besagten Drosselkanal permanent hydraulisch mit der hydraulischen Steuerkammer verbunden, wodurch die Durchflussmenge zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung und der hydraulischen Steuerkammer um mindestens 50 % reduziert wird, verglichen mit der Durchflussmenge, die ein ungedrosselter Verbindungskanal gleichen Durchmessers liefern würde.
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Die permanent betätigte Druckerzeugungseinrichtung pumpt Flüssigkeit aus der Förderkammer in die hydraulische Steuerkammer, wobei die Durchflussmenge dieser gepumpten Flüssigkeit durch den Drosselkanal begrenzt wird. Dadurch ist die Durchflussmenge der von der Druckerzeugungseinrichtung über den Drosselkanal in die hydraulische Steuerkammer strömenden Flüssigkeit kleiner als die Durchflussmenge der von der hydraulischen Steuerkammer über das geöffnete Drucksteuerventil in die Förderkammer strömenden Flüssigkeit, so dass in der hydraulischen Steuerkammer kein Steuerdruck entsteht, der den Steuerschieber in Richtung des Pumpenrades zwingt. Dadurch kann der Druck in der hydraulischen Steuerkammer nicht höher sein als der Druck in der Förderkammer.
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Ist das Druckregelventil geschlossen, wird die hydraulische Steuerkammer weiterhin mit Druckflüssigkeit aus der Förderkammer versorgt, die von der Druckerzeugungseinrichtung gepumpt wird, jedoch fließt die Flüssigkeit nicht mehr von der hydraulischen Steuerkammer in die Förderkammer zurück, so dass die hydraulische Steuerkammer mit dem Steuerdruck beaufschlagt wird, der den Steuerschieber veranlasst, sich in Richtung des Pumpenrades zu bewegen, so dass die abführende radiale Außenseite des Pumpenrades abgedeckt wird und der abgegebene Volumenstrom reduziert oder ganz gestoppt wird.
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Vorzugsweise umfasst das hydraulische Betätigungssystem eine Fail-Safe-Kammer, die permanent mit einer Hochdruckzone der Förderkammer verbunden ist. Die Druckbeaufschlagung der Fail-Safe-Kammer kann beispielsweise durch die Verzweigung eines Teilvolumenstroms des abzugebenden Volumenstroms an der abgehenden radialen Außenseite des Pumpenrades erfolgen. Die Beaufschlagung der Fail-Safe-Kammer mit dem Förderdruck übt eine Druckkraft, nämlich die Rückstellkraft, auf den Steuerschieber aus, vorzugsweise auf eine dem Pumpenrad gegenüberliegende axiale Endfläche des Steuerschiebers, so dass der Steuerschieber axial vom Pumpenrad weg bewegt wird. Da der Druck in der Fail-Safe-Kammer dem Förderdruck des Pumpenrades entspricht, ist der Druck in der Fail-Safe-Kammer im Allgemeinen höher als der Druck in der hydraulischen Steuerkammer, wenn die hydraulische Steuerkammer nicht durch die Druckerzeugungseinrichtung mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch wird der Steuerschieber in der Regel in die voll geöffnete Stellung geschoben, wenn die hydraulische Steuerkammer nicht mit Druck beaufschlagt ist, z. B. im Vollpumpbetrieb oder bei Ausfall des Druckregelventils.
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Auch bei Ausfall des Druckregelventils ist der Betrieb der Pumpe im Vollpumpbetrieb gewährleistet, so dass die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe weiterhin mit einem relativ großen und ungedrosselten Volumenstrom fördert. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Rückstellkraft abhängig vom Förderdruck der Pumpe. Dadurch ist der Förderdruck nicht konstant, so dass nur ein relativ geringer Druck innerhalb der hydraulischen Förderkammer erforderlich ist, um den Steuerschieber in Richtung Pumpenrad zu schieben. Dies ermöglicht den Einsatz einer Verdrängerpumpe, die aufgrund des geringeren Energieaufwands effizienter ist als eine Verdrängerpumpe, was zu einer besonders effizienten variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe eine Kühlmittelpumpe, beispielsweise eine Kühlmittelpumpe zur Versorgung eines Kühlkreislaufs eines Verbrennungsmotors mit unter Druck stehendem Kühlmittel, d.h. die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe wird vorzugsweise zum Fördern von Flüssigkeiten mit einer relativ niedrigen Viskosität, beispielsweise Kühlmittel, Wasser oder anderen niedrigviskosen Flüssigkeiten für eine automobile Anwendung eingesetzt. Da es sich bei der verstellbaren mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigpumpe vorzugsweise um eine Strömungspumpe in der Art einer Zentrifugalpumpe handelt, kommt es durch das Schließen des Steuerschiebers nicht zu einem Druckaufbau innerhalb der Förderkammer, der einen relativ großen Widerstand für das Pumpenrad darstellen würde, so dass das Blockieren des abgegebenen Flüssigkeitsvolumenstroms durch den Steuerschieber nicht zu relevanten Wirkungsgradverlusten führt.
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Dementsprechend ist im Gegensatz zum Stand der Technik eine permanente Umwälzung der Druckflüssigkeit nicht erforderlich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das hydraulische Betätigungssystem hydraulisch mit einer Niederdruckzone der Förderkammer verbunden. Die hydraulische Steuerkammer ist hydraulisch mit einem Niederdruckbereich der Förderkammer verbunden, insbesondere mit einem Ansaugbereich der Förderkammer, der beispielsweise unter Atmosphärendruck oder Unterdruck stehen kann. Das große Druckgefälle zwischen der unter Druck stehenden hydraulischen Steuerkammer und dem Niederdruckbereich der Förderkammer sorgt somit für eine relativ schnelle Druckentlastung der hydraulischen Steuerkammer, wenn sich das Druckregelventil in der entsprechenden Ventilstellung zur Druckentlastung der hydraulischen Steuerkammer befindet. Wird die hydraulische Steuerkammer nicht durch die Druckerzeugungseinrichtung mit Druck beaufschlagt, steht die hydraulische Steuerkammer zudem unter einem sehr niedrigen Druck, beispielsweise unter Atmosphärendruck, so dass die Druckbeaufschlagung der Fail-Safe-Kammer mit dem höheren Förderdruck der Förderkammer stets zu einem vollständig geöffneten Steuerschieber und dadurch zu einem relativ großen Abgabevolumenstrom der Pumpe führt. Daher arbeitet die Pumpe auch bei einem Ausfall des hydraulischen Betätigungssystems im Vollpumpbetrieb weiter, so dass auch der Verbrennungsmotor weiter betrieben werden kann, wodurch ein störungsfreier Betrieb des Fahrzeugs möglich ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Druckerzeugungseinrichtung eine Seitenkanal-Pumpenstufe, d.h. die Druckerzeugungseinrichtung ist keine reine Verdrängerpumpe und daher nicht aufwendig abgedichtet oder einem entsprechenden Verschleiß unterworfen. Außerdem benötigt die Seitenkanalpumpe als Strömungspumpe im Gegensatz zu einer Verdrängerpumpe, die einen geschlossenen Hydraulikkreislauf benötigt, um den erzeugten Steuerdruck permanent durch den Kreislauf zu zirkulieren, um einen Druckaufbau insbesondere in der Leitung zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung und dem geschlossenen Druckregelventil zu vermeiden, als ein Stömungspumpen-Typ keine permanente Kreislauf-Zirkulation. Dadurch läuft das Pumpenrad relativ widerstandsfrei und die nicht notwendige Umwälzung der Druckflüssigkeit erlaubt den Einsatz eines einfachen Druckregelventils, z.B. eines einfachen Zweiwegeventils, das relativ effizient und zuverlässig ist und die Materialkosten reduziert. Vorzugsweise befinden sich die Schaufeln der Seitenkanal-Pumpenstufe auf der dem Pumpengehäuse gegenüberliegenden Seite des Pumpenrades und damit in der Nähe des hydraulischen Betätigungssystems und auch der hydraulischen Steuerkammer, wodurch sich relativ kurze Verbindungsleitungen des hydraulischen Betätigungssystems ergeben.
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Das Pumpenrad ist an seiner einen axialen Seite mit einem Zentrifugallaufrad mit entsprechenden Zentrifugallaufradschaufeln zum Fördern der Flüssigkeit durch einen entsprechenden Hauptflüssigkeitskreislauf versehen. An seiner anderen axialen Seite ist das Pumpenrad mit einem Seitenkanallaufrad zur Erzeugung des Steuerdrucks innerhalb der hydraulischen Steuerkammer versehen. Dadurch sind beide Laufräder drehfest miteinander verbunden, so dass sie sich gleichzeitig mit gleicher Drehzahl drehen. Somit können beide Laufräder weitgehend verschleißfrei von derselben Antriebsquelle angetrieben werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das hydraulische Betätigungssystem eine Druckentlastungskammer, die die hydraulische Steuerkammer mit der Förderkammer hydraulisch verbindet. Die Druckentlastungskammer ermöglicht es, die Flüssigkeit aus der hydraulischen Steuerkammer drucklos zu machen, bevor sie in die Förderkammer zurückfließt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Druckregelventil geschlossen, wenn sich das Druckregelventil in einem nicht bestromten Zustand befindet. In diesem stromlosen Zustand ist die hydraulische Verbindung zwischen der Druckerzeugungseinrichtung und der hydraulischen Förderkammer unterbrochen, d.h., wenn das Druckregelventil nicht bestromt ist, ist die hydraulische Förderkammer drucklos, so dass der Steuerschieber in einer vollständig geöffneten Stellung steht und die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe im vollen Pumpbetrieb arbeitet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Druckregelventil ein Zweiwege-Proportional-Magnetventil, mit dem mehr als zwei Ventilstellungen definiert werden können. Mit einem Proportional-Magnetventil kann zumindest eine dritte Ventilstellung definiert werden, wobei die Ventilöffnung des Proportional-Magnetventils um etwa 50 % geöffnet wird, was zu einer Reduzierung des durch das Proportional-Magnetventil strömenden Volumenstroms gegenüber der voll geöffneten Ventilstellung führt. Dabei kann der Steuerschieber in eine axiale Position geschoben werden, wodurch die abführende radiale Außenseite des Pumpenrades teilweise abgedeckt wird und der abgegebene Volumenstrom gegenüber der voll geöffneten Position reduziert wird. Der abgegebene Volumenstrom der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe kann auf diese Weise differenzierter eingestellt werden als bei einem herkömmlichen Zwei-Wege-Ventil, das entweder offen oder geschlossen ist. Vorteilhafterweise ist das Proportionalventil stufenlos einstellbar, so dass der Druck der hydraulischen Steuerkammer relativ genau definiert werden kann, was eine besonders genaue und stufenlose Einstellung der Steuerschieber-Verschiebeposition und damit eine genaue und stufenlose Anpassung des abgegebenen Volumenstroms der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe an die Erfordernisse z.B. eines Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Vorzugsweise ist der Drosselkanal nicht variabel, d.h. der Drosselkanal ist mit einer definierten konstanten Querschnittsfläche versehen, die einen definierten Volumenstrom durch den Drosselkanal durchlässt. Dementsprechend ist die Drossel nicht regelbar oder einstellbar und daher relativ kostengünstig, was zu einem relativ kostengünstigen hydraulischen Betätigungssystem führt.
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Mit der erfindungsgemäßen variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe steht eine präzise, kostengünstige und relativ verschleißfreie Anwendung eines vollvariablen hydraulischen Betätigungssystems zur axialen Verschiebung eines Steuerschiebers zur Verfügung, mit dem der abgegebene Volumenstrom der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe auf einfache Weise variiert und somit an die Anforderungen des vorgesehenen Flüssigkeitskreislaufs angepasst werden kann, so dass der abgegebene Volumenstrom der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe unabhängig von der Drehzahl der Pumpe definiert werden kann.
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Zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
- 1 eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe zeigt, wobei sich der Steuerschieber in einer vollständig geöffneten Stellung befindet,
- 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe aus 1, wobei sich der Steuerschieber in einer vollständig geschlossenen Stellung befindet, und
- 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht in Längsrichtung einer zweiten alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe, wobei sich der Steuerschieber in einer vollständig geöffneten Stellung befindet.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10 zur Bereitstellung von unter Druck stehendem Kühlmittel in einem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors. Die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10 umfasst ein Pumpenrad 20, das drehfest mit einer Antriebswelle 14 verbunden ist, die mechanisch durch einen Verbrennungsmotor über einen Riementrieb angetrieben wird. Bei der verstellbaren mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10 handelt es sich um eine Zentrifugalströmungspumpe, wobei das Pumpenrad 20 ein Zentrifugal-Impeller ist, der drehbar in einer Förderkammer 15 angeordnet ist. Wird das Pumpenrad 20 über die Antriebswelle 14 gedreht, saugt das Pumpenrad 20 Kühlmittel aus einem nicht dargestellten axialen Einlasskanal über eine Niederdruckzone LP in die Förderkammer 15 an, wobei das Kühlmittel beim axialen Eintritt in das Pumpenrad einen unteratmosphärischen Niederdruck aufweist. Das Pumpenrad 20 setzt das Kühlmittel unter Druck und gibt das unter Druck stehende Kühlmittel radial über eine radial abgehende Außenseite 201 des Pumpenrades 20 in eine das Pumpenrad 20 umgebende Spirale 151 ab. Dadurch wird das unter Druck stehende Kühlmittel durch das Pumpenrad 20 radial abgegeben, so dass radial um das Pumpenrad 20 eine
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Hochdruckzone HP definiert ist. Die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10 umfasst einen axial verschiebbaren hohlzylindrischen Steuerschieber 24, der in einer entsprechenden zylindrischen Ausnehmung 121 innerhalb eines Pumpengehäuses 12 verschiebbar angeordnet ist. An seiner radialen Außenseite 241 ist der Steuerschieber 24 mit zwei separaten Gleitringen 25, 26 versehen, die den Steuerschieber 24 in der zylindrischen Ausnehmung 121 gleitend führen. Jeder Gleitring 25, 26 umgibt den Steuerschieber 24 in Umfangsrichtung und ist in einer entsprechenden Gleitringnut 251, 261 an der radialen Außenseite 241 des Steuerschiebers angeordnet.
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Der Steuerschieber 24, das Pumpengehäuse 12 und das Pumpenrad 20 bilden an der radialen Innenseite 242 des hohlzylindrischen Steuerschiebers 24 eine ringförmige Fail-Safe-Kammer 37 aus. Die Fail-Safe-Kammer 37 ist Teil eines hydraulischen Betätigungssystems 30 und ist über einen Ringspalt 371 zwischen dem Pumpenrad 20 und dem Steuerschieber 24 mit der Hochdruckzone HP der Förderkammer 15 hydraulisch verbunden. Dadurch wird die Fail-Safe-Kammer 37 permanent mit Kühlmittel aus der Hochdruckzone HP versorgt, so dass die Fail-Safe-Kammer 37 stets unter dem Förderdruck der Pumpe steht. Der Förderdruck übt eine Druckkraft auf eine nahe axiale Endfläche 243 des Steuerschiebers 24 aus, wobei die nahe axiale Endfläche 243 dem Pumpenrad 20 gegenüber liegt. Diese Rückstellkraft drückt den Steuerschieber 24 vom Pumpenrad 20 weg.
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Das hydraulische Betätigungssystem 30 der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10 umfasst auf der Rückseite des Pumpenrades 20, d.h. auf der dem Steuerschieber 24 gegenüberliegenden Seite des Pumpenrades 20, eine Druckerzeugungseinrichtung 34, die durch eine Seitenkanal-Pumpenstufe 341 definiert ist. Das Pumpenrad 20 umfasst ein Seitenkanallaufrad 343, das in das Pumpenrad 20 integriert ist. Wenn sich das Pumpenrad 20 dreht, beschleunigt das Seitenkanallaufrad 343 das Kühlmittel und drückt dadurch das Kühlmittel aus der Förderkammer 15 in einen entsprechenden ringförmigen Seitenkanal 342, der im statischen Pumpengehäuse 12 ausgebildet ist.
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Das hydraulische Betätigungssystem 30 umfasst ferner ein Druckregelventil 36, das durch ein Zwei-Wege-Proportional-Magnetventil 361 definiert ist. Ein Auslass 344 des Seitenkanals 342 ist hydraulisch mit einer Einlassöffnung 362 des Druckregelventils 36 über einen Druckregelventil-Einlasskanal 301 verbunden. In ist das nicht bestromte Druckregelventil 26 geschlossen. Das von der Seitenkanalpumpenstufe 341 mit Druck beaufschlagte Kühlmittel passiert daher nicht das Druckregelventil 36, sondern verbleibt im Druckregelventil-Eingangskanal 301. Die Seitenkanal-Pumpenstufe 341 sorgt als eine Art Strömungspumpe nicht für einen Druckaufbau im Druckregelventil-Eingangskanal 301. Eine Zirkulation des unter Druck stehenden Kühlmittels ist daher nicht erforderlich, so dass nur ein einfaches Zweiwege-Magnetventil 361 eingesetzt werden kann, das im nicht bestromten Ruhezustand geschlossen ist.
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Bei geöffnetem Druckregelventil 36, wie in dargestellt, ist die Seitenkanal-Pumpenstufe 341 über das Magnetventil 361 hydraulisch mit einer ringförmigen hydraulischen Steuerkammer 32 verbunden. Die hydraulische Förderkammer 32 ist durch den Steuerschieber 24 und das Pumpengehäuse 12 an der dem Pumpenrad 20 abgewandten axialen Seite des Steuerschiebers 24 definiert. Das geöffnete Magnetventil 361 verbindet hydraulisch die Einlassöffnung 362 und die Auslassöffnung 363 des Magnetventils 361 miteinander. Die Ventilauslassöffnung 363 ist über einen Druckregelventil-Auslasskanal 321 hydraulisch mit der hydraulischen Steuerkammer 32 verbunden. Dadurch wird die hydraulische Steuerkammer 32 durch die Seitenkanal-Pumpenstufe 341 mit unter Druck stehendem Kühlmittel befüllt.
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Die hydraulische Steuerkammer 32 ist über einen nicht variablen Drosselkanal 38 mit einer Niederdruckzone LP der Förderkammer 15 fest hydraulisch verbunden. Ausgelöst durch das Druckgefälle zwischen der hydraulischen Steuerkammer 32 und der Niederdruckzone LP der Förderkammer 15, strömt das unter Druck stehende Kühlmittel, das von der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 bereitgestellt wird, von der hydraulischen Steuerkammer 32 durch einen hydraulischen Steuerkammer-Auslasskanal 302 in den Drosselkanal 38, der eine Verengung aufweist, die einen um mindestens 50 % kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als der hydraulische Steuerkammer-Auslasskanal 302, so dass der Volumenstrom, durch den Drosselkanal 38 strömt, mindestens 50 % kleiner ist als ein Volumenstrom, der durch den hydraulischen Steuerkammer-Auslasskanal 302 strömen würde, wenn der Drosselkanal 38 nicht die Verengung ausbilden würde. Dadurch ist der Volumenstrom des unter Druck stehenden Kühlmittels, der aus der hydraulischen Steuerkammer 32 abfließt, kleiner als der Volumenstrom des unter Druck stehenden Kühlmittels, das von der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 in die hydraulische Steuerkammer 32 gepumpt wird, so dass die hydraulische Steuerkammer 32 so unter Druck gesetzt wird, dass der Druck innerhalb der hydraulischen Steuerkammer 32 höher wird als der Druck innerhalb der Fail-Safe-Kammer 37, nämlich der Förderdruck. Dieser Steuerdruck in der hydraulischen Steuerkammer 32 übt eine Druckkraft auf die dem Pumpenrad 20 abgewandte axiale Endfläche 244 des Steuerschiebers 24 aus. Da die wirksamen Druckflächen sowohl der nahen Endfläche 243 als auch der entfernten Endfläche 244 des Steuerschiebers 24 im Wesentlichen identisch sind, zwingt der höhere Druck in der hydraulischen Steuerkammer 32 den Steuerschieber 24, sich in Richtung des Pumpenrades 20 zu bewegen, so dass der Steuerschieber 24 die abgehende radiale Außenseite 201 des Pumpenrades 20 verdeckt. Dadurch wird der abgegebene Volumenstrom der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10 vollständig durch den Steuerschieber 24 blockiert, während sich das Pumpenrad 20 weiterhin dreht. Die Fail-Safe-Kammer 37 wird jedoch weiterhin durch das unter Druck stehende Kühlmittel, das durch den Ringspalt 371 eintritt, mit Druck beaufschlagt.
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Demzufolge zeigt den Nicht-Pumpbetrieb der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10.
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Das durch den Drosselkanal 38 strömende Kühlmittel fließt in eine ringförmige Druckentlastungskammer 35, die die Antriebswelle 14 umgibt. Die Druckentlastungskammer 35 ist mit einem relativ großen Volumen versehen, was dazu führt, dass das aus der hydraulischen Steuerkammer 32 kommende und in die Druckentlastungskammer 35 strömende Kühlmittel drucklos wird. Die Druckentlastungskammer 35 ist über einen weiteren Ringkanal 39, der die Antriebswelle 14 umgibt, hydraulisch mit der Förderkammer 15 verbunden. Der Ringkanal 39 ist hydraulisch mit einer Rücklaufkammer 152 an der Rückseite des Pumpenrades 20 verbunden. Von dort strömt das Kühlmittel durch einen Rücklaufkanal 202 innerhalb des Pumpenrades 20 zurück in die Niederdruckzone LP der Förderkammer 15. Der Rückströmkanal 202 verläuft axial durch das Pumpenrad 20 und ist exzentrisch zur Antriebswelle 14 angeordnet, so dass der Rückströmkanal 202 die Rückströmkammer 152 mit der Niederdruckzone LP der Förderkammer 15 verbindet. Radial ist die Rücklaufkammer 152 durch einen labyrinthartigen Dichtspalt 153 zwischen dem Pumpenrad 20 und dem Pumpengehäuse 12 gegen die Seitenkanal-Pumpenstufe 341 dynamisch abgedichtet.
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Aufgrund der permanenten hydraulischen Verbindung zwischen dem Niederdruckbereich LP der Förderkammer 15 und der hydraulischen Steuerkammer 32 steht die hydraulische Steuerkammer 32 bei geschlossenem Magnetventil 361 (in 1 dargestellt) unter atmosphärischem Saugdruck, d.h. unter dem gleichen Druck wie der Niederdruckbereich LP der Förderkammer 15. Im Gegensatz dazu steht die Fail-Safe-Kammer 37 auf dem Förderdruck, der im Allgemeinen höher ist als der Saugdruck, so dass die Rückstellkraft, die gegen die geschlossene axiale Endfläche 243 des Steuerschiebers 24 wirkt, den Steuerschieber 24 in die vollständig geöffnete Position zwingt, wobei die abführende radiale Außenseite 201 des Pumpenrads 20 nicht abgedeckt wird, was in 1 dargestellt ist. In diesem Vollpumpbetrieb wird der volle Volumenstrom radial in die Spirale 151 der Förderkammer 15 abgegeben.
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und zeigen jeweils eine der axialen Endstellungen des Steuerschiebers 20. Da es sich bei dem Magnetventil 361 um ein Proportionalventil handelt, ist der Querschnitt der Ventilöffnung voll variabel. Beispielsweise kann die Ventilöffnung um 50 % des maximalen Ventilöffnungsquerschnitts geöffnet werden, so dass der Volumenstrom von der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 zur hydraulischen Steuerkammer 32 gegenüber dem in 2 gezeigten voll geöffneten Magnetventil 361 reduziert wird. Durch das Proportional-Magnetventil 361 kann der Steuerschieber 24 in eine axiale Zwischenstellung zwischen den beiden in 1 und 2 gezeigten axialen Endstellungen verschoben werden, so dass die abführende radiale Außenseite 201 teilweise abgedeckt wird. Dadurch kann der abgegebene Volumenstrom des Pumpenrades 20 im Vergleich zum Vollpumpbetrieb reduziert werden, wird aber nicht vollständig blockiert wie im Nichtpumpbetrieb der Ausführungsform von 2. Dies ermöglicht eine relativ genaue Anpassung des Kühlmittelstroms innerhalb des Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine an die Erfordernisse eines beliebigen Betriebspunkts der Brennkraftmaschine, was zu einem äußerst effizienten Betrieb der Brennkraftmaschine führt.
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zeigt eine alternative Ausführungsform der variablen mechanischen Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10'. Der Unterschied zwischen der Ausführungsform der 3 und der Ausführungsform der 1 und 2 besteht darin, dass die Ausführungsform der 3 mit einem anderen hydraulischen Betätigungssystem 30' versehen ist als die Ausführungsform der 1 und 2. Das hydraulische Betätigungssystem 30' der 3 ist mit demselben Proportional-Magnetventil 361 versehen, wie die Ausführungsform der 1 und 2. In der Ausführungsform der 3 ist das Proportional-Magnetventil 361 zwischen der hydraulischen Steuerkammer 32 und der Druckentlastungskammer 35 angeordnet, so dass das Magnetventil 361 die hydraulische Steuerkammer 32 mit der Niederdruckzone LP der Förderkammer 15 hydraulisch verbindet. In einem nicht bestromten Ruhezustand ist das Magnetventil 361 generell geöffnet.
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Die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10' umfasst eine Seitenkanal-Pumpenstufe 341, die mit der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 der 1 und 2 identisch ist. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 1 und 2 ist die Seitenkanal-Pumpenstufe 341 über einen nicht variablen Drosselkanal 38' mit der hydraulischen Steuerkammer 32 dauerhaft hydraulisch verbunden. Das von der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 mit Druck beaufschlagte Kühlmittel strömt durch einen Drosseleinlasskanal 301' in den Drosselkanal 38', der einen verengten Abschnitt zwischen der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 und der hydraulischen Steuerkammer 32 darstellt. Der Drosselkanal 38' weist einen um mindestens 50 % kleineren Strömungsquerschnitt auf als der Drosseleinlasskanal 301', so dass der Volumenstrom durch den Drosselkanal 38' um mindestens 50 % reduziert wird im Vergleich zu dem Volumenstrom, der ohne den drosselnden Drosselkanal 38' von der Seitenkanal-Pumpstufe 341 zur hydraulischen Steuerkammer 32 fließen würde. Dadurch wird die hydraulische Steuerkammer 32 permanent mit unter Druck stehendem Kühlmittel aus der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 versorgt. Der Drosselkanal 38' drosselt den Volumenstrom so, dass der Volumenstrom, der von der hydraulischen Steuerkammer 32 über das geöffnete Magnetventil 361 zurück in die Niederdruckzone LP der Förderkammer 15 fließt, im Allgemeinen größer ist als der Volumenstrom zwischen der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 und der hydraulischen Steuerkammer 32. Dadurch wird die hydraulische Steuerkammer 32 nicht mit Druck beaufschlagt, so dass die auf die abgewandte axiale Endfläche 244 des Steuerschiebers 24 wirkende Druckkraft die durch den Druck in der Fail-Safe-Kammer 37 hervorgerufene Rückstellkraft übersteigt, so dass der Steuerschieber 24 in der vollständig geöffneten Stellung verbleibt und die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10' im Vollpumpbetrieb arbeitet.
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Wenn das Magnetventil 361 geschlossen ist, wird der Rückfluss von der hydraulischen Steuerkammer 32 in die Niederdruckzone LP der Förderkammer 15 blockiert. Die hydraulische Steuerkammer 32 wird jedoch weiterhin mit unter Druck stehendem Kühlmittel aus der Seitenkanal-Pumpenstufe 341 versorgt. Dadurch wird die hydraulische Steuerkammer 32 mit Druck beaufschlagt, so dass der Steuerdruck in der hydraulischen Steuerkammer 32 den Druck der Fail-Safe-Kammer 37 übersteigt. Dadurch wird die Druckkraft, die auf die entfernte axiale Endfläche 244 des Steuerschiebers 24 wirkt, größer als die Rückstellkraft, die auf die nahe axiale Endfläche 243 des Steuerschiebers 24 wirkt, so dass der Steuerschieber 24 in der vollständig geschlossenen Stellung in Richtung des Pumpenrades geschoben wird, wobei der Steuerschieber 24 die abführende radiale Außenseite 201 des Pumpenrades 20 vollständig abdeckt. Dadurch wird der vom Pumpenrad 20 abgebbare Volumenstrom vollständig blockiert, während die variable mechanische Kraftfahrzeug-Flüssigkeitspumpe 10' weiterhin durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Dies reduziert z.B. die Warmlaufzeit des Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase.
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In Analogie zur Ausführungsform der 1 und 2 kann das Proportional-Magnetventil 361 stufenlos und vollvariabel geöffnet und positioniert werden, beispielsweise nur um 50 %, so dass der von der hydraulischen Steuerkammer 32 in die Niederdruckzone LP der Förderkammer 15 zurückfließende Volumenstrom im Vergleich zu einem voll geöffneten Magnetventil 361 verringert wird, wodurch der Steuerschieber 24 in eine Zwischenstellung zwischen seinen beiden Endpositionen verschoben werden kann. Dadurch wird die austretende radiale Außenseite 201 des Pumpenrades 20 nur teilweise abgedeckt, wodurch der abgegebene Volumenstrom gegenüber dem Vollpumpbetrieb reduziert wird. Dies erlaubt es, den Steuerschieber 24 stufenlos und vollvariabel zu verschieben, wodurch der abgegebene Volumenstrom in jedem Betriebspunkt des pumpenantreibenden Verbrennungsmotors exakt an die Anforderungen des Verbrennungsmotors angepasst werden kann. Die präzise Regelung der Schieberstellung kann durch einen geschlossenen Regelkreis mit einem Schieberstellungsdetektor realisiert werden, der die aktuelle Schieberstellung erfasst.
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Alle anderen Komponenten und Merkmale, die in der Beschreibung der Ausführungsform von 3 nicht ausdrücklich erwähnt sind, können als identisch mit den Komponenten und Merkmalen der in 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform angesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014110231 B3 [0005]
