DE19709484A1

DE19709484A1 - Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19709484A1
Application number: DE1997109484
Authority: DE
Inventors: Hans Klein
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 1998-09-10

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit einer Kühlwasserpumpe, deren Förderleistung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine elektrisch beeinflußbar ist.

Solche Einrichtungen sind aus der DE 38 10 174 A1 und der EP 0 084 378 B1 bekannt und sollen die Kühlmitteltemperatur (und entsprechend die Temperatur der Brennkraftmaschine) an verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine anpassen. Bei diesen bekannten Einrichtungen wird hierzu die Drehzahl einer elektrisch angetriebenen Kühlwasserpumpe in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (wie z. B. der Motordrehzahl oder verschiedener Temperaturwerte) beeinflußt.

Nachteilig an diesen Einrichtungen ist, daß diese Kühlwasserpumpen einen Elektromotor aufweisen, wodurch sie bei Auslegung auf höhere Förderleistungen recht großbauend sind, was bei Kraftfahrzeugen angesichts des begrenzten Einbauraumes der Brennkraftmaschine unerwünscht ist.

Konventionelle, das heißt durch die Brennkraftmaschine mit angetriebene Kühlwasserpumpen sind demgegenüber bei gleicher Förderleistung zwar deutlich kleinbauender, besitzen aber eine Fördercharakteristik, bei der die Förderleistung im wesentlichen linear von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt, so daß die Einstellung einer an den jeweiligen Betriebszustand angepaßten Förderleistung nur sehr unvollkommen möglich ist. Es gibt hierzu zwar Entwicklungen, die darauf abzielen, die Pumpendrehzahl mit Hilfe variabler Zwischenglieder, z. B. durch eine mit einem Visco-Öl gefüllte Kupplung, variieren zu können. Die Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Pumpendrehzahl sind bei diesem Beispiel jedoch äußerst gering, eine Regelung ist wegen fehlender bzw. nur technisch schwer realisierbarer Eingriffsmöglichkeiten im Betrieb nicht oder nur mit hohem technischen Aufwand möglich, so daß insgesamt nur eine in Abhängigkeit von der Motordrehzahl degressive Förderkennlinie erzielbar ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung mit einer möglichst kleinbauenden und nicht durch einen Elektromotor angetriebenen Kühlwasserpumpe zu schaffen, bei der eine Regelung der Kühlmitteltemperatur durch Beeinflussung der Förderleistung der Kühlwasserpumpe in einem weiten Rahmen und auf möglichst einfache Weise möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlwasserpumpe mechanische Verbindungsmittel zum Antrieb durch die Brennkraftmaschine aufweist und daß die Kühlwasserpumpe einen Aktuator aufweist, der die geometrischen Abmessungen von das Kühlmittel führenden Pumpenteilen verändert.

Erfindungsgemäß wird es damit möglich, auch bei einer Kühlwasserpumpe, deren Drehzahl (z. B. über einen Riementrieb) direkt an die Drehzahl der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, eine betriebszustandsabhängige Variation der Fördercharakteristik während des Betriebs der Kühlwasserpumpe durchzuführen. Hierzu weist die Kühlwasserpumpe einen vorzugsweise elektrisch betätigbaren Aktuator auf, der sich zum Beispiel besonders einfach und kleinbauend durch einen Elektromagneten ausführen läßt, welcher die Geometrie von vorgegebenen, das Kühlmedium führenden Pumpenteilen verändert. Als elektrischer Aktuator kann auch ein Elektromotor vorgesehen werden, da dieser lediglich die Position von Pumpenteilen zueinander verändert und im Gegensatz zu einem die Kühlwasserpumpe antreibenden Elektromotor äußerst leistungsarm und kleinbauend ausgeführt sein kann.

Die Realisierung der Erfindung ist auf verschiedene Weise möglich:

1. Auf besonders einfache Weise kann die Fördercharakteristik der Kühlwasserpumpe über einen Bypass verändert werden, der die Druckseite mit dem Einlauf der Kühlwasserpumpe verbindet und über ein Ventil bedarfsgerecht verschlossen werden kann. Dieses Ventil kann auch als eine Klappe ausgeführt sein, die im Bypass angeordnet ist. Der so angeordnete Aktuator wird in Abhängigkeit von der sensierten Drehzahl, der sensierten Motorlast und/oder der sensierten Temperaturdifferenz zwischen Pumpeneinlaß und - auslaß so angesteuert, daß sich die, beispielsweise in einem Kennfeldspeicher abgelegte, gewünschte Druckdifferenz zwischen Ein- und Auslaß der Kühlwasserpumpe einstellt.
Die spezifische Förderenergie Y = (p_Druck - p_Saug)/ρ kann so in einem weiten Bereich variiert werden und ist in einem Extremfall gleich der der konventionellen Kühlwasserpumpe und im anderen Extremfall annähernd gleich Null (bei entsprechend gewähltem Querschnitt des Bypasses).
Diese Beeinflussung der Fördercharakteristik ist grundsätzlich für alle Pumpenbauformen geeignet.
2. Eine andere Ausführungsform besteht darin, die mit dem Pumpenrad fest verbundene Antriebswelle axial verschiebbar auszuführen. Dies bedingt eine Zweiteilung der Welle, da ja das Verbindungselement zur Brennkraftmaschine, im allgemeinen ausgeführt als Riemenrad, an dieser Verschiebung nicht teilnehmen kann.
Wird der Spalt zwischen dem angetriebenen Pumpenrad und dem feststehenden Spiralgehäuse vergrößert, so wird dadurch eine Differenz zur ursprünglichen spezifischen Förderenergie bewirkt, die linear von der Spaltbreite abhängig ist.
Auch mit dieser Methode kann die fördernde Druckdifferenz zwischen Ein- und Auslaß der Pumpe im Extremfall zu Null werden.
Für diese Art der Betätigung eignen sich Pumpen mit sogenanntem offenen Laufrad, die in der Regel im Motorblock montiert sind.
3. Eine weitere mögliche Ausführung besteht darin, nicht die Welle der Kühlwasserpumpe, sondern den dem Pumpenrad zugewandten Teil des Spiralgehäuses in axialer Richtung verschiebbar anzuordnen, um so den Spalt zwischen Pumpenrad und Spiralgehäuse bedarfsabhängig zu verbreitern.
Für die axiale Verstellung nach den Ausführungen 2 und 3 käme ein Verstellmechanismus in Betracht, bei dem eine Spindel in axialer Richtung durch die Drehbewegung eines elektrischen Antriebs verstellt wird. Solche Antriebe sind bekannt und in der Lage, eine Position sehr präzise einzuhalten und auch ausreichend große Kräfte zu überwinden, wie sie beispielsweise von einer Druckfeder hervorgerufen werden, die zur Aufrechterhaltung eines unbestromten Betriebs, beispielsweise im Notlauf, notwendig ist.
4. Eine weitere Ausführung besteht darin, zwischen dem rotierenden Pumpenrad und dem feststehenden Gehäuse im Einlauf zum Pumpenrad oder im Auslauf zur Druckseite hin einen verstellbaren Leitapparat, wie er beispielsweise zur Leistungssteuerung von Turbinenkreiseln bekannt ist, anzuordnen, dessen rotationssymmetrisch angeordnete Leitschaufeln betriebsabhängig durch einen, beispielsweise elektromagnetisch betätigten, Mechanismus verstellt werden können, so daß im Extremfall ein Förderstrom von annähernd Null und im anderen Extremfall ein Förderstrom eingestellt werden kann, der zumindest dem einer konventionellen Pumpe entspricht.

Im folgenden soll zu den zuvor beschriebenen Ausführungen 1 und 2 je ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher dargestellt und erläutert werden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der Fig. 1 dargestellt:

Angetrieben wird eine Kühlwasserpumpe (10) von einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine über das auf der Welle (1) feststehende Riemenrad (2). Auf der Abtriebsseite ist das Pumpenrad (3) mit der Welle (1) fest verbunden. Durch die aus der Rotation resultierende Zentrifugalkraft, der das Kühlmedium innerhalb des Pumpenrades ausgesetzt ist, wird das Kühlmedium aus der unter dem Druck p_Saug stehenden Ansaugleitung (4) in die Pumpenkammer (5a) gefördert, von wo es unter dem Druck p_Druck direkt in den (nicht dargestellten) Motorblock gelangt.

Zwischen der Pumpenkammer (5a) und der Ansaugleitung (4) ist ein Bypass (6) angeordnet, der von einem Ventilkörper (7) verschlossen wird. Im Normalfall wird dieser Ventilkörper von einer vorgespannten Feder (8) in Schließstellung gehalten. Soll nun weniger von dem Kühlmedium gefördert werden, als es die von der Brennkraftmaschine vorgegebene Drehzahl bedingt, wird der Ventilkörper (7) von einem Elektromagneten (9) angezogen und gibt so einen gewissen Querschnitt frei und baut dadurch den Förderdruck in einem bestimmten Maße ab. Die Ansteuerung des Elektromagneten (9) kann beispielsweise mit Hilfe einer impulsbreitenmodulierten Spannung erfolgen, so daß beliebige Ventilhübe (h_v) und daraus resultierende Stellungen des Ventilkörpers realisiert werden können.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt die Fig. 2:

Angetrieben wird die Kühlwasserpumpe (10) wiederum über das (hier nicht dargestellte) Riemenrad, das mit einer ersten Teilwelle (11) fest verbunden ist. Diese erste Teilwelle (11) ist mit einer zweiten Teilwelle (12), über eine Kerbverzahnung (13), verbunden, die eine axiale Verschiebung der zweiten Teilwelle (12) erlaubt, ohne daß das antreibende Moment unterbrochen wird. Statt einer Kerbverzahnung (13) sind natürlich auch andere, gleichwirkende Mittel einsetzbar, die den Kraft- oder Formschluß zwischen Riemenrad und Pumpenrad trotz axialer Verschiebbarkeit gewährleisten.

Bei einer Verschiebung der zweiten Teilwelle (12) in Pfeilrichtung wird sich also der Spalt (20) zwischen Pumpenrad (19) und Gehäuse (21) vergrößern, so daß gemäß der Beziehung Δ Y/Y ∼ b sich eine Differenz in der spezifischen Energie der Pumpe ergeben würde, deren Bezug auf die ursprüngliche Energie Y proportional zur Spaltbreite b ist. Die Verschiebung der zweiten Teilwelle (12) wird beispielhaft folgendermaßen realisiert:

An einer Wellenschulter (14) greift ein Ring (15) (auch als Ausrücklager bezeichnet) an, der außerhalb des Gehäuses der Wellenlagerung über ein Gestänge (16) mit einem Zuganker (17) verbunden ist, der durch einen Elektromagneten (18) mehr oder weniger weit in Pfeilrichtung ausgelenkt werden kann. Nicht dargestellt ist eine Feder, die an der zweiten Teilwelle (12) oder an dem Gestänge (16) einerseits angelenkt ist, sich am Gehäuse (21) andererseits abstützt und die im unbestromten Zustand des Elektromagneten (18) die zweite Teilwelle (12) in einer Position hält, die die Breite (b) des Spaltes (20) minimal werden läßt.

Die Ansteuerung des Elektromagneten (18) kann, wie bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, mittels einer impulsbreitenmodulierten Spannung erfolgen, so daß hier beliebige Spaltbreiten (b) realisierbar sind.

Bezugszeichenliste

1

Welle

2

Riemenrad (mechanisches Verbindungsmittel)

3

Pumpenrad

4

Ansaugleitung

5

Spiralgehäuse

5

a Pumpenkammer

6

Bypass

7

Ventilkörper

8

Feder

9

Elektromagnet

10

Kühlwasserpumpe

11

erste Teilwelle

12

zweite Teilwelle

13

Kerbverzahnung

14

Wellenschulter

15

Ring (Ausrücklager)

16

Gestänge

17

Zuganker

18

Elektromagnet

19

Pumpenrad

20

Spalt

21

Gehäuse
b Spaltbreite (Abstand zwischen Pumpenrad (

19

) und Gehäuse (

21

))
h_v

Ventilhub

7

,

8

,

9

bzw.

17

,

18

Aktuator

Claims

1. Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit einer Kühlwasserpumpe, deren Förderleistung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine elektrisch beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwasserpumpe (10) mechanische Verbindungsmittel (2) zum Antrieb durch die Brennkraftmaschine aufweist und daß die Kühlwasserpumpe (10) einen Aktuator (7, 8, 9 bzw. 17, 18) aufweist, der die geometrischen Abmessungen von das Kühlmedium führenden Pumpenteilen verändert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (7, 8, 9) als steuerbares Ventil in einer Bypassleitung (6) zwischen der Ansaugleitung (4) und der Pumpenkammer (5a) ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenwelle aus mindestens zwei Teilwellen (11, 12) besteht, die durch einen steuerbaren Aktuator (17, 18) gegeneinander verschiebbar sind, und daß der angesteuerte Aktuator (17, 18) durch Verschiebung der Teilwellen (11, 12) gegeneinander den Abstand (b) zwischen Pumpenrad (19) und dem Spiralgehäuse (5) verändert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator die Lage einer verschieblich ausgebildeten Fläche des Spiralgehäuses gegenüber dem feststehenden Pumpenrad verändert.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator die Schaufeln eines zum Pumpenrad gehörenden Leitapparates verändert.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator als elektrisch betätigbarer Aktuator ausgebildet ist und einen Elektromagneten (9, 18) oder einen Elektromotor aufweist.