DE19809123A1 - Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Eine Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, ist mit einem Pumpengehäuse und mit einer in dem Pumpengehäuse angetriebenen Pumpeinrichtung, insbesondere einer Kreiselpumpe, versehen. In das Pumpengehäuse ist ein Stellventil mit einem Drehschieber integriert, wobei der Drehschieber wenigstens annähernd eine Hülsenform aufweist und mit einer axialen Sammelöffnung zur Zufuhr oder Abfuhr von Kühlmedium zur Saug- oder Druckseite der Pumpeinrichtung versehen ist. In der Umfangswand des Pumpengehäuses sind Zulauf- und Auslauföffnungen für eine mit dem Kühler verbundene Kühlerleitung und für wenigstens einen weiteren Teilkreislauf vorgesehen. Der Drehschieber weist in seiner Umfangswand eine Steueröffnung mit einer Öffnungsweite auf, durch die eine Verbindung von der Sammelöffnung zu einer einzelnen Zulauf- oder Ablauföffnung oder für einen Mischbetrieb eine überlappende Verbindung zu zwei benachbart zueinander liegende Zulauf- oder Auslauföffnungen geschaffen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach dem Ober­ begriff von Anspruch 1.
Für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine ist es allgemein bekannt eine Wasserpumpe zu verwenden, wobei die Steuerung über Thermostate erfolgt, welche tempe­ raturabhängig den Kühlkreislauf schalten. Der Antrieb der Wasserpumpe kann mechanisch über einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Riemenantrieb oder auch elektrisch vorgenommen werden. Zur Schaltung der Kühlmittelströme und des Heizungskreislaufes sind Taktventile, Schieber- und Drehventile mit Schrittmo­ torenantriebe aus der Praxis bekannt.
In der DE 43 24 749 A1 ist ein Regelventil für einen Kühlkreislauf beschrieben, mit einem radialen Zulauf und drei radialen Abgängen, wobei die Verteilung des Kühlmittels durch einen Drehschieber erfolgt.
Nachteilig bei diesem Regelventil ist jedoch, daß man stets resultierende Kräfte auf dem Drehschieber hat, die zu Verklemmungen führen können und/oder entspre­ chend starke Antriebsmotoren zu dessen Verstellung erforderlich machen. Darüber hinaus sind die Ver­ stell- bzw. Mischstellungen beschränkt.
Aus der DE 41 25 366 C1 ist ein 3/2-Wegeventil für Flüssigkeitskreisläufe in Fahrzeugen bekannt, mit ei­ nem axialen Zulauf und zwei radialen Abführungen. Auch bei diesem Ventil sind die Einstellmöglichkeiten be­ schränkt, so daß zur Steuerung bzw. Regelung eines Kühl- und Heizungskreislaufes noch weitere Einrichtun­ gen erforderlich sind.
Aus der DE 44 38 552 C1 ist eine Temperaturregelvor­ richtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschi­ ne beschrieben, welche mit Betätigungselementen für eine auf einer Schaltwelle angeordnete Schaltklappe versehen ist. Die Schaltklappenwelle liegt dabei im Bereich einer gedachten Wandlinie der Kühlerrücklauf­ leitung bzw. Pumpenzuleitung und im Einmündungsbereich der Kurzschlußleitung in die Pumpenzuleitung. Zur Be­ tätigung der Schaltklappe ist ein Temperaturdehnstoff­ element, eine sogenannte Wachspatrone, vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche in einer sehr kompakten Bauweise mehrere Glieder des Kühlkreislaufes und mehrere Funktionen von Stell- und Schaltelementen beinhaltet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Integration des Stellventi­ les in das Gehäuse der Wasserpumpe wird ein sehr kom­ paktes Bauteil erreicht, wobei gleichzeitig durch das Stellventil bei entsprechender Ausgestaltung mehrere Schaltstellungen realisierbar sind, so daß im Bedarfs­ falle weitere Regelglieder in einem Kühl- und gegebe­ nenfalls einem Heizungskreislauf einer Brennkraftma­ schine entfallen können. Dabei können nicht nur die verschiedenen Funktionen bzw. Schaltstellungen reali­ siert werden, sondern darüber hinaus können auch die für eine Steuerung notwendigen mechanischen Teile in dem Pumpengehäuse aufgenommen werden oder entsprechend an das Pumpengehäuse angeflanscht werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann praktisch mit einem einzigen Gerät der gesamte Kreislauf zur Kühlung und gegebenenfalls auch zur Heizung für nahezu alle in der Praxis vorkommenden Fälle geregelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Stellventil sind sowohl ein­ zelne Öffnungen ansteuerbar als auch Mischbetriebe möglich, so daß auf weitere Steuer- und Regelglieder im Kühl- und Heizungskreislauf verzichtet werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Stellventi­ les als Drehschieber mit der axialen Zuführung oder Abführung des Kühlmediums und den Zu- oder Auslauföff­ nungen am Umfang des Pumpengehäuses ergeben sich keine resultierenden Kräfte auf den Drehschieber, so daß man mit geringen Stell- und Haltekräften für den Dreh­ schieber auskommt. Darüber hinaus treten bei dem er­ findungsgemäßen Stellventil nur geringe Druckverluste auf, bei gleichzeitig hohen Stellgeschwindigkeiten.
Die axiale Öffnung in dem Drehschieber dient zur Zu­ fuhr von Kühlmedium in dessen Innenraum, wenn der Drehschieber auf der Druckseite der Pumpeinrichtung angeordnet ist, wobei in diesem Falle die in der Um­ fangswand des Pumpengehäuses angeordneten Öffnungen Auslauföffnungen zur Weiterleitung des Kühlmediums darstellen.
Umgekehrt, wenn der Drehschieber auf der Saugseite der Pumpeinrichtung angeordnet ist, so erfolgt die Abfuhr von Kühlmedium über die axiale Öffnung zur Saugseite der Pumpe und entsprechend eine Zufuhr in das Dreh­ schieberinnere über die Steueröffnung durch die in der Umfangswand des Pumpengehäuses angeordneten Öffnungen.
Bei Verwendung eines einfachen Temperaturdehnstoffele­ mentes, z. B. einer Wachspatrone, als Antrieb für den Drehschieber wird man in der Umfangswand des Pumpenge­ häuses lediglich zwei Teilkreisläufe vorsehen, nämlich einen für die Kühlerleitung und den zweiten Teilkreis­ lauf für die Kurzschlußkreislaufleitung des Kühlwas­ sers während der Aufwärmphase.
Bei Verwendung eines Stellmotors für den Drehschieber können auch mehrere Teilkreisläufe mit entsprechenden Zulauf- oder Auslauföffnungen in der Umfangswand des Pumpengehäuses vorgesehen sein. Eine mögliche Ausge­ staltung besteht dabei darin, daß neben dem Teilkreis­ lauf für die Kühlerleitung ein weiterer Teilkreislauf für eine Kurzschlußkreislaufleitung und ein dritter Teilkreislauf für einen Wärmetauscher eines Heizungs­ kreislaufes vorgesehen sind.
Alternativ oder in Kombination kann auch ein Teil­ kreislauf für eine Zusatzheizung und/oder eine Abgas­ wärmetauscheinrichtung vorgesehen sein.
In den übrigen Unteransprüchen und in dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Aus­ führungsbeispiel sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung aufgezeigt.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Wasser­ pumpe, teilweise im Schnitt;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Wasser­ pumpe nach Fig. 1;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch das in die Wasserpumpe integrierte Stellventil; und
Fig. 4 bis 7 verschiedene Steuerstellungen des Stellventiles.
Die in den Figuren dargestellte Wasserpumpe ist grund­ sätzlich von bekannter Bauart, weshalb nachfolgend nur auf die für die Erfindung wesentlichen Teile näher eingegangen wird. So kann die Wasserpumpe z. B. als Pumpeinrichtung eine in einem Pumpengehäuse 1 angeord­ nete Kreiselpumpe mit einem in einem Spiralkanal 2 angeordnetes Flügelrad 3 sein. Das Flügelrad 3 wird in bekannter Weise durch einen Antriebsmotor 4 angetrie­ ben. Alternativ zu dem Antrieb über den Antriebsmotor 4 ist auch ein mechanischer Antrieb über einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Riementrieb, z. B. mit einem Keilriemen, für die Wasserpumpe denkbar.
In einer axialen Erweiterung des Pumpengehäuses 1 bzw. im Bereich des in üblicher Weise vorhandenen Zulaufes zu dem Flügelrad 3 der Wasserpumpe ist ein Stellventil 5 mit einem Drehschieber 6 in Hülsenform angeordnet, wobei die Längsachse des Drehschiebers koaxial zur Pumpenlängsachse bzw. des Flügelrades 3 liegt. Eine axiale Sammelöffnung 7 des Drehschiebers 6 bildet eine Zulauföffnung zu dem Flügelrad 3 der Wasserpumpe. Eine mit einem nicht dargestellten Kühler verbundene Küh­ lerleitung 8 mündet mit einer Zulauföffnung 9 in die Umfangswand des Pumpengehäuses 1.
Wie aus den Fig. 3 bis 7 ersichtlich ist, ist die Umfangswand des Pumpengehäuses 1 zusätzlich noch mit zwei weiteren Zulauföffnungen 10 und 11 versehen, die für weitere Teilkreisläufe des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf vorgesehen sind. Auf der von der Sammel­ öffnung 7 abgewandten Seite ist der Drehschieber 6 stirnseitig abgeschlossen und auf dieser Seite auch mit einem Stellmotor 12 zur Verdrehung des Drehschie­ bers versehen.
Der Drehschieber 6 ist in seiner Umfangswand mit einer Steueröffnung 13 versehen. Über die Steueröffnung 13 erfolgt in Abhängigkeit von der Drehstellung des Dreh­ schiebers 6 eine Verbindung von der Zulauföffnung 9, 10 oder 11 zu der Sammelöffnung 7 und damit eine Ver­ bindung zur Saugseite des Flügelrades 3 der Wasserpum­ pe.
Wie aus den Fig. 3 bis 7 ersichtlich ist, sind - entsprechend der Drehstellung des Drehschiebers 6 - verschiedene Betriebsstellungen möglich und zwar nicht nur Einzelströmungen, sondern auch Mischbetriebsströ­ mungen. Hierzu besitzt die Sammelöffnung 13 in der Umfangswand des Drehschiebers 6 eine derartige Öff­ nungsweite, daß sowohl Einzelströmungen als auch Mischbetriebsströmungen möglich sind.
Gemäß Fig. 3 müssen hierzu folgende Bedingungen er­ füllt sein:
Dabei bedeuten:
γ Öffnungswinkel des Drehschiebers
δWinkel zwischen den Stutzen
ϕ Winkelöffnung der Anschlußstutzen
βfreigeschalteter Öffnungswinkel des entsprechenden Stutzens
δ1 + δ2 + δ3 = 360°, wobei die einzelnen Winkel mög­ lichst gleich gewählt werden sollten
βmax = ϕ Vollöffnung des Querschnittes.
In Fig. 3 sind die Winkel mittels Schnittdarstellung durch die Mittenebene der Anschlußquerschnitte darge­ stellt. Alle Winkel stehen in einem unmittelbaren Zu­ sammenhang mit den Querschnittsfunktionen. Neben der relativ einfachen Form einer Bohrung für die Öffnungen können auch andere, nicht kreisrunde Querschnitte ge­ wählt werden. Auf diese Weise kann man einen weiteren Freiheitsgrad bei der Festlegung des Stellverhaltens erreichen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gehen die Anschlußstutzen radial von dem Pumpengehäuse 1 ab. Um eine strömungsgünstigere Form zu erreichen, ist es auch möglich die Anschlußstutzen halb-axial bzw. gegen die Radiale geneigt an das Pumpengehäuse 1 anzusetzen.
In den Fig. 4 bis 7 sind verschiedene Steuerstel­ lungen der Steuervorrichtung 1 dargestellt. So zeigt
Fig. 4 die Stellung im Normalbetrieb "Kühlen". In der Fig. 5 ist ein erster Mischbetrieb in der Warmlaufpha­ se des Motores bei gleichzeitigem Heizbetrieb darge­ stellt, wobei die Zulauföffnung 9 der Kühlerleitung abgesperrt und die Zulauföffnungen 10 und 11 für die Kurzschlußkreislaufleitung und für den Heizungskreis­ lauf offen sind. Fig. 6 zeigt einen zweiten Mischbe­ trieb in der Phase "Warmlaufen" und "Kühlen", wobei der Heizungskreislauf abgesperrt ist.
Die Fig. 7 zeigt einen dritten Mischbetrieb in der Phase "Heizen und Kühlen", wobei die Zulauföffnung 10 für die Kurzschlußkreislaufleitung abgesperrt ist.
Entsprechend dem in der Fig. 4 dargestellten Betrieb, sind auch im Bedarfs falle noch andere einzelne Verbin­ dungen von der Steueröffnung 13 des Drehschiebers 6 zu einer einzelnen Umfangsöffnung möglich.
Anstelle des Heizungskreislaufes kann auch ein zweiter Kurzschlußkreis, z. B. für den Zylinderkopf, vorgesehen sein.
Wie ersichtlich, kann der Drehschieber 6 jeden Kreis­ lauf separat schalten. Zusätzlich können zwischen je­ weils zwei Kreisläufen jegliche Mischstufen einge­ stellt sein.
An dem Stellventil 5 liegen keine resultierenden Strö­ mungskräfte vor, die ein Moment um die Drehachse des Drehschiebers 6 erzeugen würden. Dies bedeutet, Verän­ derungen der Drehschieberstellung infolge einer Durch­ strömung sind nicht möglich, weshalb die Antriebslei­ stung für den Stellmotor 12 entsprechend gering gehal­ ten werden kann. Durch die geringen Stellkräfte ist im Normalfall auch keine besondere Lagerung des Dreh­ schiebers 6 erforderlich. Da in jeder Winkelstellung Querschnitte in radialer Richtung freigeschaltet sind, treten außerdem auch nur sehr geringe Druckabfälle über der Steuervorrichtung auf, womit besondere Ab­ dichtungen der einzelnen Zu- und Abläufe entfallen können.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegen alle drei Zulauföffnungen 9, 10 und 11 in der gleichen Ra­ dialebene, womit eine sehr kurze Baulänge erreicht wird.
Bei einer vereinfachten Ausgestaltung kann das Stell­ ventil 5 auch nur mit zwei Zulauf- oder Auslauföffnun­ gen in der Umfangswand des Pumpengehäuses 1 versehen sein. In diesem Falle wird man die Umfangsöffnungen für die Kühlerleitung und die Kurzschlußkreislauflei­ tung vorsehen. Anstelle eines Stellmotors 12 genügt dann für die Änderung des Drehwinkels des Drehschie­ bers 6 eine einfache Wachspatrone. Alternativ ist es auch möglich, den Drehschieber 6 mit einem Bime­ tallstreifen als Verstelleinrichtung zu versehen.
Eine Umfangsöffnung kann auch als Teilkreislauf für eine Zusatzheizung oder einen Abgaswärmetauscher vor­ gesehen sein. Auch Kombinationen verschiedener Teil­ kreisläufe sind im Rahmen der Erfindung selbstver­ ständlich möglich.
Wie aus dem Ausführungsbeispiel ersichtlich, ist nicht nur das gesamte Stellventil in dem Pumpengehäuse 1 der Wasserpumpe integriert, sondern gleiches gilt für eine elektrische und auch eine elektronische Schnittstelle, wobei über die elektrische Schnittstelle eine zentrale Energieversorgung der Wasserpumpe und des Stellmotores 12 vom Bordnetz aus vorgesehen sein kann. Eine elek­ tronische Schnittstelle kann eine zentrale Anbindung für einen Datenaustausch, für Sollwertvorgaben und für einen weiteren Informationsaustausch dienen. Hierzu können die beiden Schnittstellen in einem gemeinsamen Gehäuse 14 sitzen, das an das Pumpengehäuse 1 bzw. den Antriebsmotor 4 angeflanscht ist.
Durch die Integration des Stellventiles in das Pumpen­ gehäuse 1 bietet sich die Möglichkeit, den Durchfluß aller wichtigen Teilströme in einem Kühlkreislauf zu schalten. Durch die Integration ist weiterhin auch eine kompakte, kostensparende und betriebssichere Ge­ staltung eines zentralen Arbeits- und Stellorganes für die Fahrzeugreparierung möglich. Ein Regelorgan für die Drehzahl der Wasserpumpe wird somit um die Kon­ trollfunktion für das Stellventil 5 erweitert.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden zwei wesentli­ che Merkmale eines Kühlsystemes vereint, nämlich:
  • 1. eine wasserseitige Regulierung der Temperatur in dem Kühlkreislauf
  • 2. eine Applikation dieser Regelung für alle am Stell­ ventil 5 angeschlossene Teilkühlmittelströme.
Insbesondere mit einer drehzahlgeregelten elektrischen Wasserpumpe und ein über den Stellmotor 12 elektrisch angetriebenes Stellventil 5 läßt sich eine genaue Tem­ perierung von allen Teilkreisläufen erreichen. Hierzu wird man auch entsprechende Temperaturmeßstellen für die Regelung der Pumpe und des Kühlkreislaufes in die Wasserpumpe integrieren.

Claims (15)

1. Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Pumpengehäuse und einer in dem Pumpenge­ häuse angetriebenen Pumpeinrichtung, insbesondere einer Kreiselpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß in das Pumpengehäuse (1) ein Stellventil (5) mit einem Drehschieber (6) integriert ist, wobei der Drehschieber (6) wenigstens annähernd eine Hülsen­ form aufweist und mit einer axialen Sammelöffnung (7) zur Zufuhr oder Abfuhr von Kühlmedium zur Saug- oder Druckseite der Pumpeinrichtung (3) ver­ sehen ist, wobei in der Umfangswand des Pumpenge­ häuses (1) Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) für eine mit dem Kühler verbundene Kühlerleitung (8) und für wenigstens einen weiteren Teilkreis­ lauf vorgesehen sind, und wobei der Drehschieber (6) in seiner Umfangswand eine Steueröffnung (13) mit einer Öffnungsweite aufweist, durch die eine Verbindung von der Sammelöffnung (7) zu einer ein­ zelnen Zulauf- oder Ablauföffnung (9, 10, 11) oder für einen Mischbetrieb eine überlappende Verbin­ dung zu zwei benachbart zueinander liegende Zu­ lauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) geschaffen wird.
2. Wasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Pumpengehäuse (1) eine elektrische Schnitt­ stelle für eine zentrale Energieversorgung vom Bordnetz vorgesehen ist.
3. Wasserpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Pumpengehäuse (1) eine elektronische Schnittstelle für eine zentrale Anbindung für ei­ nen Datenaustausch, für Sollwertvorgaben oder für einen weiteren Informationsaustausch vorgesehen ist.
4. Wasserpumpe nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schnittstellen in einem gemeinsamen Gehäuse (14) angeordnet sind, das an das Pumpenge­ häuse (1) angeflanscht ist.
5. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (6) mit einer Wachspatrone als Verstelleinrichtung versehen ist.
6. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (6) mit einem Bimetallstreifen als Verstelleinrichtung versehen ist.
7. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (6) mit einem Stellmotor (12) versehen ist.
8. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine weitere Teilkreislauf (11) für eine Kurzschlußkreislaufleitung des Kühlwassers vorgesehen ist.
9. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teilkreislauf (10) für einen Hei­ zungskreislauf vorgesehen ist.
10. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine oder ein zweiter Teilkreislauf (10 bzw. 11) für eine Zusatzheizung und/oder eine Abgaswärmetauscheinrichtung vorgesehen sind.
11. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) in einer gleichen Radialebene des Pumpengehäuses (1) liegen.
12. Wasserpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelabstände zwischen den Zulauf- oder Aus­ lauföffnungen (9, 10, 11) gleichmäßig über den Um­ fang des Pumpengehäuses (1) verteilt sind.
13. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß von den Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) Anschlußstutzen halbaxial abzweigen.
14. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie über einen Antriebsmotor (4) elektrisch an­ treibbar ist.
15. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie über einen von der Brennkraftmaschine ange­ triebenen Riementrieb mechanisch antreibbar ist.
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