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Die Erfindung betrifft eine modulare Pumpenanordnung bzw. ein modulares Pumpenpaket mit mehr als zwei Pumpen, die in mobilen Anwendungen, vorzugsweise Kraftfahrzeugen, zur Erzeugung von Druckluft und/oder Unterdruck dienen.
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Stand der Technik
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Das Dokument
DE 198 21 794 A1 beschreibt ein Motorpumpenaggregat, welches einen Antriebsmotor und eine durch dessen Motorwelle angetriebene Pumpeneinheit enthält, wobei zusätzlich eine zweite über die Motorwelle des Antriebsmotors angetriebene Pumpeneinheit enthalten ist, die mit der ersten Pumpeneinheit zusammenwirkt, indem sie als Vorladepumpe fungiert.
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Ein weiteres Unterdruckpumpen- und Ölpumpenpaket ist in der
DE 10 2014 105 498 A1 offenbart, wobei beide Pumpen über je eine Antriebswelle angetrieben werden und beide Antriebswellen über eine Kupplung verbindbar sind.
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Ein weiteres Doppelpumpenaggregat ist in der
DE 33 24 583 A1 beschrieben. Um eine Anschluss- und Anbaumöglichkeit für eine zusätzliche Pumpe zu schaffen, ist eine parallel zu den Antriebswellen des Doppelpumpenaggregats angeordnete Nebenwelle vorgesehen. Die Nebenwelle wird mittels eines Drehmomentübertragungsorgans, beispielsweise ein Zahnriemen, eine Rollenkette oder ein Zahnradantrieb, vorzugsweise ein Stirnradantrieb, angetrieben.
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In aktuellen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen, die als Haupt- oder Zusatzantriebe fungieren, ist ein steigender Bedarf zur Versorgung sekundärer Luftsysteme zu verzeichnen. So wird Frischluft zur Spülung von Kurbelgehäusen, Filtern oder anderen Systemkomponenten, Unterdruck für eine wachsende Anzahl an Aktuatoren, z. B. Drallklappen, Motorlager, Unterdruckdosen allgemein und speziell für Differentialsperren, Ventile des Abgasturboladers u.v.m., sowie weiterhin Unterdruck für die Bremskraftunterstützung benötigt. Die genannten Verbraucher von Druckluft oder Unterdruck arbeiten aber zeitlich und funktional unabhängig voneinander. Der Unterdruck für die Bremskraftverstärkung muss beispielsweise aufgrund seiner sicherheitskritischen Verwendung separat ausgeführt und permanent, gegebenenfalls über einen Unterdruckspeicher, anliegen. Sekundärluft, also Druckluft, welche beispielsweise bei der Regeneration oder dem Aufheizen von Katalysatoren im Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine benötigt wird, muss erst bei Bedarf erzeugt, muss aber nicht notwendigerweise gespeichert werden. Schließlich werden funktional verschiedene Druck- bzw. Unterdruckniveaus für die unterschiedlichen Anwendungen benötigt.
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Die daraus entstehenden technischen Probleme können durch die aus dem Stand der Technik bekannten Pumpenpakete nicht gelöst werden. Darüber hinaus ist die Anforderung nach platzsparender Anordnung ebenfalls weiter gestiegen, sodass auch dieses Problem einer Lösung bedarf.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist demnach die Aufgabe der Erfindung, eine Pumpenanordnung zu schaffen, die sämtliche Druckluft- bzw. Unterdruckanforderungen im Kraftfahrzeug funktions- und zeitbedarfsgerecht erfüllen kann und dabei platzsparend angeordnet ist und die benötigte Versorgungssicherheit gewährleisten kann.
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Darstellung und Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch eine modulare Pumpenanordnung entsprechend den gegenständlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Die modulare Pumpenanordnung, auch als Pumpenpaket bezeichnet, weist ein Grundluftmodul, ein Sekundärluftmodul und ein Spülluftmodul auf. Die Modularität besteht dabei darin, dass jedes der Module durch geeignete Wahl der Pumpenart und Pumpengröße an die im spezifischen Anwendungsfall benötigte Förderleistung angepasst werden kann.
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Das Grundluftmodul weist ein Gehäuse, welches Befestigungspunkte und ein Montageschild aufweist, eine Antriebseinheit, vorzugsweise eine elektrische Antriebseinheit wie einen E-Motor, eine Antriebswelle, eine Grundluftpumpe, welche über die Antriebswelle von der Antriebseinheit antreibbar ist, und ein auf der Antriebswelle vorzugsweise drehfest angeordnetes Abtriebsrad auf. Das Grundluftmodul mit der Grundluftpumpe dient der Erzeugung von Unterdruck für die klassischen Unterdruckverbraucher einer Verbrennungskraftmaschine, wie Aktuatoren, z. B. Unterdruckdosen, und Bremskraftverstärker. Es ist ein gemeinsames Gehäuse für die einzelnen Komponenten des Grundluftmoduls vorgesehen, um sie einerseits vor Umwelteinflüssen zu schützen und andererseits eine stabile Befestigung des Grundluftmoduls am Kraftfahrzeug zu gewährleisten. Dazu sind Befestigungspunkte vorgesehen, mit deren Hilfe das Grundluftmodul in einer dem Fachmann geläufigen Art und Weise, beispielsweise mit dem Kraftfahrzeugrahmen verbunden wird. Das Montageschild ist vorzugsweise ein Teil des Gehäuses, besonders bevorzugt ein zerstörungsfrei demontierbarer Teil, der beispielsweise mittels einer Schraubenverbindung am übrigen Gehäuse festgelegt werden kann.
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Die Antriebseinheit treibt eine Antriebswelle an, welche wiederum die Grundluftpumpe antreibt. Die Antriebswelle kann in der Grundluftpumpe enden oder durch diese hindurchgeführt sein. Außerdem wird das Antriebsrad, beispielsweise in Form eines Zahnrades, ebenfalls von der Antriebseinheit angetrieben. Das Montageschild des Grundluftmoduls dient einerseits dazu, das Grundluftmodul bzw. dessen Gehäuse abzuschließen und andererseits dazu, weitere Module anbinden bzw. anflanschen zu können. Anbinden bzw. Anflanschen bezeichnet dabei im weitesten Sinne das vorzugsweise lösbare Montieren, Verbinden oder Schließen zweier aufeinander abgestimmter Bauelemente aneinander, üblicherweise durch Anschrauben.
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Die Antriebseinheit kann im weiten Sinne auch eine Verbindung zu einer außerhalb der modularen Pumpenanordnung angeordneten alternativen Antriebseinheit, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder ein Geschwindigkeitswechselgetriebe oder eine andere außerhalb der Pumpenanordnung angeordnete E-Maschine, sein. Die Antriebseinheit im Sinne vorliegender Erfindung wäre dann die Verbindungseinheit, beispielsweise in Form einer form- oder kraftschlüssigen Antriebskupplung. Vorzugsweise handelt es sich bei der Antriebseinheit um einen elektrischen Motor, wobei dieser bei identischen Abmaßen unterschiedliche Leistungsstufen aufweisen kann, was maßgeblich von der zur Verfügung stehenden bzw. erzeugbaren Spannung abhängt. So kann eine E-Maschine mit Bordnetzspannungen von 12V bis 48V oder von einer Hochvoltbatterie oder einer Hochvoltgeneratoreinheit betrieben werden und damit jeweils unterschiedliche Leistungsniveaus aufweisen.
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Das Sekundärluftmodul weist ein Gehäuse mit Montageanschlüssen, eine erste Nebenantriebswelle, ein auf der ersten Nebenantriebswelle vorzugsweise drehfest angeordnetes Sekundärluftmodul-Antriebsrad sowie eine Sekundärluftpumpe, welche über die erste Nebenantriebswelle von dem Sekundärluftmodul-Antriebsrad antreibbar ist, auf, wobei die Sekundärluftpumpe innerhalb des Gehäuses des Sekundärluftmoduls angeordnet ist oder einen Teil des Gehäuses des Sekundärluftmoduls bildet. Das Sekundärluftmodul mit der Sekundärluftpumpe dient der Erzeugung von Druckluft, auch Sekundärluft genannt, die für das Aufheizen eines Katalysators oder zu dessen Regeneration benötigt wird und unter Umgehung der Verbrennungskraftmaschine direkt in deren Abgasstrang eingeleitet wird. Es ist ein gemeinsames Gehäuse für die einzelnen Komponenten des Sekundärluftmoduls vorgesehen, um sie einerseits vor Umwelteinflüssen zu schützen und andererseits eine stabile Befestigung des Sekundärluftmoduls zu gewährleisten. Dazu weist das Gehäuse Montageanschlüsse auf, mittels derer das Sekundärluftmodul vorzugsweise lösbar zumindest am Montageschild des Grundluftmoduls befestigt werden kann.
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Das auf der ersten Nebenantriebswelle angeordnete Sekundärluftmodul-Antriebsrad ist vorzugsweise permanent drehfest angeordnet, so dass ein Antriebsmoment, welches von außerhalb des Sekundärluftmoduls an das Sekundärluftmodul-Antriebsrad übertragen wird, auf die erste Nebenantriebswelle übertragen wird. Diese wiederum überträgt das Drehmoment auf die Sekundärluftpumpe, die entweder vollständig innerhalb des Gehäuses des Sekundärluftmoduls angeordnet, also komplett von diesem umgeben ist, oder eine gemeinsame Außenwand mit dem Sekundärluftmodul aufweist, vorzugsweise weil ein Teil des Sekundärluft-Pumpengehäuses ein Teil des Sekundärluft-Modulgehäuses ist.
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Das Spülluftmodul weist ein Gehäuse mit Montageanschlüssen, eine zweite Nebenantriebswelle, ein auf der zweiten Nebenantriebswelle vorzugsweise drehfest angeordnetes Spülluftmodul-Antriebsrad sowie eine Spülluftpumpe, welche über die zweite Nebenantriebswelle von dem Spülluftmodul-Antriebsrad antreibbar ist, auf, wobei die Spülluftpumpe innerhalb des Gehäuses des Spülluftmoduls angeordnet ist oder ein Teil des Gehäuses des Spülluftmoduls bildet
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Das Spülluftmodul mit der Spülluftpumpe dient der Erzeugung von Unterdruck zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses und/oder eines Kraftstofftanks der Verbrennungskraftmaschine oder auch zur Leckdiagnose des Kraftstofftanks. Es ist ein gemeinsames Gehäuse für die einzelnen Komponenten des Spülluftmoduls vorgesehen, um sie einerseits vor Umwelteinflüssen zu schützen und andererseits eine stabile Befestigung des Spülluftmoduls zu gewährleisten. Dazu weist das Gehäuse Montageanschlüsse auf, mittels derer das Spülluftmodul vorzugsweise lösbar zumindest am Montageschild des Grundluftmoduls befestigt werden kann.
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Das auf der zweiten Nebenantriebswelle angeordnete Spülluftmodul-Antriebsrad ist vorzugsweise permanent drehfest angeordnet, so dass ein Antriebsmoment, welches von außerhalb des Spülluftmoduls an das Spülluftmodul-Antriebsrad übertragen wird, auf die zweite Nebenantriebswelle übertragen wird. Diese wiederum überträgt das Drehmoment auf die Spülluftpumpe, die entweder vollständig innerhalb des Gehäuses des Spülluftmoduls angeordnet, also komplett von diesem umgeben ist, oder eine gemeinsame Außenwand mit dem Spülluftmodul aufweist, vorzugsweise weil ein Teil des Spülluft-Pumpengehäuses einen Teil des Spülluft-Modulgehäuses ist.
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Die erfindungsgemäße modulare Pumpenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb des Gehäuses des Grundluftmoduls angeordneter und von dem Montageschild nach außen abgegrenzter Getrieberaum vorgesehen ist, wobei in dem Getrieberaum das Abtriebsrad, das Sekundärluftmodul-Antriebsrad und das Spülluftmodul-Antriebsrad angeordnet sind, wobei das Sekundärluftmodul-Antriebsrad und das Spülluftmodul-Antriebsrad direkt kämmend oder über eine Übersetzungsstufe mit dem Abtriebsrad vorzugsweise permanent in Verbindung steht und wobei das Montageschild je eine Durchführung für die erste und zweite Nebenantriebswelle, welche parallel zu der Antriebswelle angeordnet sind, aufweist.
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Der Getrieberaum wird von dem Montageschild, welches vorzugsweise ein Teil des Gehäuses des Grundluftmoduls ist, begrenzt. Damit ist der Getrieberaum innerhalb des Grundluftmoduls positioniert. Direkt kämmend bedeutet, dass die beiden Antriebsräder des Sekundär- und des Spülluftmoduls beispielsweise als Zahnräder ausgeführt jeweils in unmittelbarem Eingriff mit dem Abtriebsrad des Grundluftmoduls stehen. Neben der Ausführung als Zahnrad sind reibschlüssige Drehmomentübertragungen denkbar, beispielsweise über Riemenscheiben und entsprechende Riemen. Das Drehzahl- und Drehmomentübersetzungsverhältnis zwischen Abtriebsrad und Antriebsrad wird dabei durch die Anzahl der Zähne der einzelnen Zahnräder oder durch den Durchmesser der jeweiligen Räder bestimmt.
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Demgegenüber bedeutet eine Verbindung über eine Übersetzungsstufe, dass die beiden Antriebsräder des Sekundär- und des Spülluftmoduls jeweils in mittelbarem Eingriff mit dem Abtriebsrad des Grundluftmoduls stehen, also unter Zwischenschaltung weiterer Drehmomentübertragungselemente wie beispielsweise weiteren Zahnrädern. Dies hat den Vorteil, neben einer genaueren Drehzahl- und Drehmomentübersetzung auch die Drehrichtung verändern zu können, falls dies aufgrund der modularen Anordnung der Pumpen notwendig ist. Die An- und Abtriebsräder stehen dabei vorzugsweise permanent in Verbindung, weisen also keine Schaltvorrichtung zum Verbinden oder Trennen des Eingriffs auf.
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Die erfindungsgemäße modulare Pumpenanordnung weist dabei mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Die kompakte Anordnung spart nicht nur Bauraum, sie verringert darüber hinaus Verluste bei der Übertragung des Drehmoments aufgrund kurzer Übertragungswege. Durch die Anordnung dreier verschiedener Pumpenaggregate kann jedes individuell entsprechend des Verwendungszwecks entsprechend der konkreten Anforderung bezüglich des Druck- und Massen- bzw. Volumenstromniveaus sowie der Lebens- und Betriebsdaueranforderungen ausgewählt werden und damit hocheffizient sämtliche Unterdruck- und Druckluftanwendungen in verschiedenen Kraftfahrzeugen bedienen.
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In Kenntnis der vorliegenden Lehre wird der Fachmann erkennen, dass eine derartige kompakte und modulare Pumpenanordnung auch für die Anordnung alternativer Pumpen, wie hydraulische Pumpen für Schmier- oder Kühlmittel, geeignet sind. Außerdem können die jeweiligen Abtriebe ohne weiteres als Nebenabtrieb, beispielsweise in Form einer Zapfwelle, ausgebildet sein, so dass Zusatzaggregate wie riementriebe, weitere Hydraulikpumpen oder Seilwinden angeschlossen und betrieben werden können. Schließlich können unter Kenntnis vorliegender Lehre auch einzelne Pumpenmodule direkt durch diese Zusatzaggregate ersetzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Gehäuse des Sekundärluftmoduls und das Gehäuse des Spülluftmoduls an das Gehäuse des Grundluftmoduls anbindbar, wobei das Gehäuse des Sekundärluftmoduls wenigstens teilweise um das Gehäuse des Spülluftmoduls herum angeordnet ist. Teilweise um das Gehäuse des Spülluftmoduls herum angeordnet bedeutet, dass das Gehäuse des Sekundärluftmoduls und/oder das Gehäuse der Sekundärluftpumpe als Teil des Sekundärluft-Modulgehäuses das Spülluftmodul teilweise räumlich umfasst bzw. umgibt. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass eine besonders kompakte und damit platzsparende Anordnung zur Verfügung gestellt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse des Sekundärluftmoduls zusätzlich an dem Gehäuse des Spülluftmoduls anbindbar. Dies bietet den Vorteil, eine zusätzliche Stabilität der modularen Pumpenanordnung zu gewährleisten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebswelle einen Abschnitt auf, der auf der der Antriebseinheit zugewandten Seite der Grundluftpumpe angeordnet ist und einen Abschnitt auf, der auf der der Antriebseinheit abgewandten Seite der Grundluftpumpe angeordnet ist, wobei das Abtriebsrad vorzugsweise drehfest auf dem Abschnitt der Antriebswelle angeordnet ist, welcher auf der der Antriebsseite abgewandten Seite der Grundluftpumpe angeordnet ist. Damit reicht die Antriebswelle durch die Grundluftpumpe hindurch, und das Abtriebsrad ist auf der gegenüberliegenden Seite von der Antriebseinheit angeordnet. Dies bringt neben der kompakten Anordnung konstruktive Vorteile hinsichtlich der Dauerbeanspruchung und verringert Schwingungen und Vibrationen in der gesamten Pumpenanordnung. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Antriebswelle nur auf einer Seite der Antriebseinheit hinausreicht, um die andere Seite durch das Gehäuse abdichten und schützen zu können. Gleichzeitig entstehen Effizienzgewinne bei einer Wartung oder Reparatur. Allerdings kann es zur modularen Anordnung auch vorteilhaft sein, die Antriebswelle auf beiden Seiten der Antriebseinheit vorzusehen, wobei dann auf beiden Seiten der Antriebseinheit Pumpen und/oder Abtriebe vorgesehen sein können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Grundluftmodul einen Unterdruckspeicher auf, welcher axial in Bezug auf die Antriebswelle zwischen der Grundluftpumpe und dem Getrieberaum angeordnet ist. Der Unterdruckspeicher ist bevorzugt innerhalb des Gehäuses angeordnet, so dass das Grundluftmodulgehäuse gleichzeitig das Volumen des Unterdruckspeichers begrenzt bzw. dessen Außenwand bildet. Der Unterdruckspeicher, der von der Grundluftpumpe evakuiert wird, kann in einigen Ausführungsformen verwendet werden, um die Grundluftpumpe nicht durchgängig laufen zu lassen, sondern nur bei Bedarf. Da aber die benötigten Schaltzeiten der Unterdruckaktoren sehr kurz sind, wäre die Anlaufphase der Grundluftmodulpumpe nicht kurz genug, um die benötigten Schaltzeiten realisieren zu können. Daher wird vorteilhafter Weise der Druckspeicher verwendet. Die konkrete Anordnung des Druckspeichers erzielt den Vorteil, dass der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt wird und der Druckspeicher ohne separate Leitungen direkt von der Grundluftpumpe mit Unterdruck beaufschlagt werden kann, was wiederum zu einer hocheffizienten Ausführung der modularen Pumpenanordnung führt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Grundluftpumpe als Flügelzellenpumpe und/oder die Sekundärluftpumpe als Seitenkanalpumpe und/oder die Spülluftpumpe als Seitenkanalpumpe ausgebildet. Die Grundversorgung der klassischen Unterdruckverbraucher verlangt einen hohen Unterdruck (geringer Absolutdruck), wobei die Förderleistung gering sein kann, da üblicherweise ein Unterdruckspeicher vorgesehen ist. Daher ist die Ausbildung der Grundluftpumpe als Flügelzellenpumpe optimal. Die Ausbildung der Sekundär- und der Spülluftpumpe als Seitenkanalpumpe ermöglicht einen etwas geringeren Unter- bzw. Überdruck, je nach Anwendung als Sekundärluftpumpe (geringer Überdruck) oder Spülluftpumpe (geringer Unterdruck). Die Förderleistung, also das Massen- bzw. Volumenstromniveau kann an die konkrete Ausgestaltung oder Größe der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
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Es ist auch denkbar, an Stelle einer einzelnen Pumpe eine Pumpenstufe aus mehreren hintereinander geschalteten Pumpen vorzusehen. Vor allem bei Seitenkanalpumpen ist dies anzutreffen. Derartige Pumpenstufen können als serielle Pumpen ausgeführt sein, von denen eine beispielsweise eine Ladepumpe und eine eine Druckpumpe sein können, oder die Pumpen arbeiten parallel und unabhängig voneinander. In letzterem Fall können beide Pumpen vorteilhafterweise eine gemeinsame Saugseite aufweisen mit einem gemeinsamen Luftfilter und/oder gemeinsamen Luftmassenmesser, z. B. in Form eines Heißfilm-Luftmassenmessers.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Grundluftpumpe über eine erste Kupplung, vorzugsweise eine pneumatisch betätigbare erste Kupplung drehfest form- oder kraftschlüssig mit der Antriebswelle verbindbar und/oder die Sekundärluftpumpe ist über eine zweite Kupplung, vorzugsweise eine pneumatisch betätigbare zweite Kupplung drehfest form- oder kraftschlüssig mit der ersten Nebenantriebswelle verbindbar und/oder die Spülluftpumpe ist über eine dritte Kupplung, vorzugsweise eine pneumatisch betätigbare dritte Kupplung drehfest form- oder kraftschlüssig mit der zweiten Nebenantriebswelle verbindbar. Bei der ersten, der zweiten und der dritten Kupplung handelt es sich vorzugsweise um kraftschlüssige Reibungskupplungen, bei denen die eine äußere Kupplungsscheibe drehfest mit der Antriebswelle bzw. der ersten oder der zweiten Nebenantriebswelle verbunden ist und die andere äußere Kupplungsscheibe drehfest mit der jeweiligen Pumpe verbunden ist, wobei eine der beiden Kupplungsscheiben bzw. Kupplungshälften axial verschiebbar auf der jeweiligen Antriebswelle angeordnet ist. Vorzugsweise ist die eine Kupplungsscheibe bzw. Kupplungshälfte direkt mit dem jeweiligen Pumpenrotor verbunden oder direkt durch den Pumpenrotor gebildet, wobei die dem Pumpenrotor zugeordnete Kupplungsscheibe axial nicht verschiebbar auf der jeweiligen Welle angeordnet ist. Das gleiche Prinzip lässt sich mit einer formschlüssigen Kupplung, beispielsweise einer Klauenkupplung, umsetzen. Der Begriff der Kupplung ist dabei nicht eng auf die Kupplungsscheiben beschränkt, sondern beinhaltet auch die notwendigen Lager bzw. Ausrücklager, auf denen die Kupplungsscheiben axial verschiebbar und drehbar angeordnet sind sowie gegebenenfalls notwendige Stellaktoren, und ist damit als funktionale Einheit zu verstehen. Der damit erzielte Vorteil ist die einfache bedarfsgerechte Zuschaltung der jeweiligen Pumpe, so dass diese bei Nichtgebrauch deaktiviert werden und damit nicht nur Energie sparen, sondern auch eine verlängerte Haltbarkeit aufweisen kann.
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Es handelt sich bei der ersten, zweiten und dritten Kupplung vorzugsweise um pneumatisch bestätigbare Kupplungen. Diese können selbstverständlich auch elektrisch oder hydraulisch oder mechanisch betätigt werden, wobei die pneumatische Bestätigung in Zusammenhang mit der Erzeugung von Unterdruck besonders vorteilhaft ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Kupplung auf der ersten Nebenantriebswelle zwischen dem Sekundärluftmodul-Antriebsrad und der Sekundärluftpumpe angeordnet und reicht die zweite Nebenantriebswelle durch die Spülluftpumpe hindurch, wobei die dritte Kupplung auf der zweiten Nebenantriebswelle auf der dem Spülluftmodul-Antriebsrad abgewandten Seite der Spülluftpumpe angeordnet ist. Dadurch, dass die beiden Pumpen quasi spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, wird eine besonders vorteilhafte und platzsparende Anordnung ermöglicht. Die Spülluftpumpe kann somit näher an der Sekundärluftpumpe angebracht werden, da der radiale Platzbedarf der jeweiligen Pumpe größer ist als der radiale Platzbedarf der jeweiligen Kupplung. Radial betrachtet überdecken sich somit das Sekundär- und das Spülluftmodul, was zu geringeren Außenabmaßen der gesamten Pumpenanordnung und zu besserer Raumausnutzung führt.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung steht der Unterdruckspeicher mit der Saugseite der Grundluftpumpe in Verbindung und ist dem Grundluftmodul wenigstens ein elektrisch betätigbares Wegeventil zugeordnet, wobei in einer Stellung des Wegeventils eine Verbindung einer ersten, zweiten oder dritten Unterdruckleitung mit dem Unterdruckspeicher herstellbar und in einer anderen Stellung des Wegeventils die Verbindung der ersten, zweiten oder dritten Unterdruckleitung von dem Unterdruckspeicher trennbar ist, wobei die erste, zweite oder dritte Unterdruckleitung mit einem ersten, zweiten oder dritten Steuerraum einer der pneumatisch betätigbaren ersten, zweiten oder dritten Kupplungen in Verbindung steht.
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Der Unterdruckspeicher wird von der Grundluftpumpe mit Unterdruck beaufschlagt (evakuiert), so dass permanent Unterdruck zum Schalten von Aktoren zur Verfügung steht. Um die Aktuatoren anzusteuern, werden beispielsweise die Wegeventile verwendet, von denen dem Grundluftmodul vorzugsweise drei Stück zugeordnet, zum Beispiel angeschraubt sind, eines für jedes Pumpenmodul. Jedes Wegeventil, bei dem es sich vorzugsweise um ein 3-2-Wegeventil handelt, hat eine Sperrstellung, in der kein Unterdruck aus den Unterdruckspeicher entnommen wird, und eine Durchflussstellung, in der Unterdruck aus dem Unterdruckspeicher über je eine der ersten, zweiten oder dritten Unterdruckleitung entnommen wird. Die Unterdruckleitungen sind einerseits mit dem Arbeitsleitungsanschluss des 3-2-Wegeventils und andererseits mit einem Unterdruckanschluss der pneumatisch betätigbaren Kupplungen verbunden, wobei der Unterdruckanschluss in den Steuerraum mündet. Somit kann der von der modularen Pumpenanordnung erzeugte Unterdruck zum bedarfsgemäßen Zu- und/oder Abschalten der einzelnen Pumpenmodule verwendet werden. Dies erfolgt eben über den jeweiligen Steuerraum der Kupplung, welcher in an sich bekannter Weise durch Beaufschlagung mit Unterdruck die pneumatisch betätigbaren Kupplungen in oder außer Eingriff bringt. Das ist besonders vorteilhaft, weil die Leitungen durch die räumliche Nähe von Unterdruckspeicher, Wegeventilen und Kupplungen kurz gehalten werden können und damit Verluste minimiert werden. Dies erhöht weiterhin die Effizienz des gesamten Systems.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Unterdruckspeicher wenigstens teilweise radial zur Antriebswellenachse um die erste Kupplung herum angeordnet. Die erste Kupplung, welche, wie oben beschrieben, nicht nur die Kupplungsscheiben (bei reibschlüssiger Verbindung) oder die Klauen (bei formschlüssiger Verbindung), sondern auch Lager und Aktoren umfasst, wird dabei als gesamtes Modul bzw. komplette Funktionseinheit von dem Unterdruckspeicher umgeben. Dadurch wird bei gleichzeitiger modularisierter Bauweise besonders vorteilhaft der zur Verfügung stehende Bauraum ausgenutzt und durch damit einhergehende noch kürzere Unterdruck-Verteilungswege Unterdruckverluste weiter minimiert.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im ersten Steuerraum der ersten Kupplung eine erste Feder angeordnet, deren Federkraft in Schließrichtung der ersten Kupplung wirkt und/oder im zweiten Steuerraum der zweiten Kupplung ist eine zweite Feder angeordnet, deren Druckkraft in Öffnungsrichtung der zweiten Kupplung wirkt und/oder im dritten Steuerraum der dritten Kupplung ist eine dritte Feder angeordnet, deren Druckkraft in Schließrichtung der dritten Kupplung wirkt, wobei der erste, der zweite oder der dritte Steuerraum über je eine Unterdruckleitung mit Unterdruck beaufschlagbar ist, welcher gegen die Federkraft der ersten, zweiten oder dritten Feder wirkt. Eine Kupplung ist geschlossen, wenn sie eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zweier relativ zueinander beweglichen Elemente herstellt, so dass keine Relativbewegung stattfinden kann. Im Umkehrschluss ist eine Kupplung geöffnet, wenn diese Relativbewegung, welche hier eine Drehbewegung ist, ermöglicht ist. Ist eine Kupplung mit einer Feder versehen, so kann diese mit ihrer Federkraft in Öffnungs- oder in Schließrichtung wirken und die Kupplung damit in Öffnungs- oder Schließstellung halten. Im vorliegenden Fall handelt es sich vorzugsweise um Schraubenfedern, die verwendungsgemäß eine Druckkraft aufbringen, wenn sie unter Vorspannung gesetzt werden. Es bedarf dann einer entsprechend großen Gegenkraft, um die Kupplung in die jeweils andere Stellung zu überführen. Diese Gegenkraft wird durch den Unterdruck im Steuerraum erzeugt.
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In der genannten Weiterbildung ist die bevorzugte Variante hinsichtlich der Wirkrichtungen der Federn je Kupplung aufgezeigt. Die Grundluftmodul- und Spülluftpumpe ist dadurch, dass die zugeordnete erste und dritte Kupplung passiv (Federkraft) geschlossen sind und aktiv (Unterdruck) geöffnet werden müssen, ausfallsicher ausgeführt. Wenn der Unterdruck im Druckspeicher unter ein bestimmtes Niveau abfällt, der Absolutdruck also ansteigt, ist die Federkraft größer als die Gegenkraft, wodurch die Grundluftmodulpumpe Luft aus dem Unterdruckspeicher fördert und damit der Unterdruck wieder ansteigt. Das Druckniveau kann über die Federkennlinie und damit über die Federkraft angepasst werden. Die Grundluftpumpe ist damit vorteilhafterweise selbstgeregelt immer dann in Betrieb, wenn Unterdruck benötigt wird. Für die Spülluftpumpe gilt dies analog. Sollte die Grundluftpumpe ausfallen und/oder der Unterdruckspeicher nicht genügend Unterdruck zur Verfügung stellen, ist die Spülluftpumpe aktiv und erzeugt Unterdruck für die Kurbelgehäuseentlüftung oder die Kraftstofftank- bzw. Aktivkohlefilterspülung. Diese „Verbraucher“ können nicht mit zu viel Unterdruck beaufschlagt werden, dafür aber bei fehlendem Unterdruck durchbrechen und somit schädliche Stoffe in die Umwelt freisetzen.
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Die Sekundärluftpumpe ist demgegenüber nicht ausfallsicher ausgeführt, was bedeutet, dass sie aktiv gegen den Öffnungsdruck der Federkraft zugeschaltet werden muss. Bei Anwendungen, wie dem Aufheizen oder Regenerieren des Katalysators ist dies vorteilhaft, da zwar bei fehlendem Aufheizen ebenfalls schädliche Stoffe in die Umwelt abgegeben werden können, jedoch bei dauerhafter Zufuhr von Sekundärluft der Katalysator überhitzen kann und damit zerstört werden würde.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine elektronische Steuereinheit und wenigstens drei Wegeventile an dem Grundluftmodul angeordnet, wobei die elektronische Steuereinheit unmittelbar zwischen dem Grundluftmodul und den wenigstens drei, vorzugsweise zu einem kompakten Paket verbundenen Wegeventilen oder radial unmittelbar benachbart zu den wenigstens drei Wegeventilen (170, 270, 370) auf dem Grundluftmodul (1) angeordnet ist. Damit ist nicht nur die elektronische Steuereinheit (ECU) sehr nah an den zu steuernden Komponenten, nämlich den Wegeventilen und der Antriebseinheit, wodurch kurze elektronische Steuerleitungen ermöglicht werden, es wird auch ein kompaktes, den Bauraum optimal ausnutzendes, einfach einzubauendes bzw. auszutauschendes Pumpenpaket geschaffen, welches nur einen zentralen Anschluss an die elektronische Steuereinheit zur Lieferung von elektrischer Energie und zur Kommunikation über ein Bussystem aufweist und keine weitere Steuerleitung benötigt. Ein separater Kabelbaum für die Ansteuerung der Wegeventile kann somit entfallen.
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Die Anordnung der Wegeventile, vorzugsweise als ein Ventilblock, direkt über dem Grundluftmodul hat außerdem den Vorteil, dass der Unterdruck für den Quellenanschluss der Wegeventile nicht über separate Unterdruckleitungen geführt werden muss, sondern direkt aus dem Unterdruckspeicher über entsprechende Bohrungen im Gehäuse des Grundluftmoduls bzw. des Druckspeichers abgegriffen werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebseinheit ein Lüfterrad zugeordnet und das Gehäuse weist wenigstens eine von Umgebungsluft durchströmbare Öffnung auf, wobei das Lüfterrad von der Antriebseinheit antreibbar ist und wobei durch das Lüfterrad ein Luftstrom durch das Gehäuse erzeugbar ist. Das Lüfterrad weist eine an sich bekannte Schaufelgeometrie auf, welche geeignet ist, Luft möglichst effektiv zu fördern. Das Lüfterrad ist vorzugsweise direkt mit der Antriebseinheit verbunden, so dass das Lüfterrad immer dann läuft, wenn die Antriebsmaschine läuft. Das Lüfterrad ist vorzugsweise koaxial zur Antriebseinheit angeordnet. Die Öffnung, die vorzugsweise mit einem Filter, z. B. mit einem austauschbaren Flies, versehen sein kann, kann ebenfalls koaxial zur Antriebseinheit an der Stirnseite oder an irgend einer anderen strömungstechnisch sinnvollen Stelle des Gehäuses angeordnet sein. Damit wird vorteilhafterweise eine bedarfsgerechte Kühlung ermöglicht, weil sie nur läuft, wenn die Antriebseinheit läuft und nur wenn die Antriebseinheit läuft, laufen die Pumpen und nur dann wird Kühlung benötigt. Es ist bevorzugt, wenn innerhalb des Gehäuses ein Kanal gebildet ist, der die vom Lüfterrad bewegte Luft durch das Gehäuse, wenigstens an der Grundluftpumpe vorbei und durch eine zweite Öffnung führt, so dass die Luft Wärme aufnehmen und aus dem Gehäuse abgeführt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Abtriebsrad und/oder das Sekundärluftmodul-Antriebsrad und/oder das Spülluftmodul-Antriebsrad aus Kunststoff, vorzugsweise aus Thermoplast oder Duroplast. Vorteilhafterweise kann dadurch auf Schmiermittel im Getrieberaum verzichtet werden. Damit wird nicht nur das Schmiermittelsystem eingespart, sondern die modulare Pumpenanordnung ist noch flexibler einsetzbar. Außerdem kann der Getrieberaum vorteilhafterweise mit dem Gehäuse in einer Luftaustauschverbindung stehen, so dass bei verwendetem Lüfterrad eine Luftkühlung des Getrieberaums ermöglicht wird.
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Im Ergebnis leistet die Erfindung einen Beitrag zum Stand der Technik, der nur mit fachmännischem Handeln nicht bewirkt worden wäre. Durch die kompakte Bauweise, mit kurzen Signal- und Unterdruckleitungen, die günstig für die Herstellungskosten und Verlustminimierung sind, sowie die erfinderische Modularisierung sämtlicher Komponenten, die wiederum eine optimale Anpassung an bestehende Anforderungen erlaubt und eine erhebliche Verbesserung von Montage- und Wartungstätigkeiten bewirkt, bildet die Erfindung eine umfassende Lösung für das eingangs genannte Problem.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematisch dargestellten Zeichnungen. Diese dienen lediglich zum Verständnis der Erfindung und haben keinerlei limitierende Wirkung auf den Erfindungsgegenstand, wie er in den Schutzansprüchen dargelegt ist.
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Hierbei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße modulare Pumpenanordnung;
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2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Grundluftmodul;
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3 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sekundärluftmodul;
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4 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Spülluftmodul; und
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5 eine isometrische Darstellung der erfindungsgemäßen modularen Pumpenanordnung.
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Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Es ist lediglich eine Ausführungsform dargestellt, die durch die verschiedenen in den Figuren dargestellten Perspektiven aus unterschiedlichen Blickwinkeln erläutert werden soll. Das Ausführungsbeispiel ergibt sich in Zusammenschau sämtlicher Figuren.
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Die modulare Pumpenanordnung entsprechend der Erfindung, wie sie in 5 am besten im Ganzen zu erkennen ist, besteht aus drei Modulen, dem Grundluftmodul 1, dem Sekundärluftmodul 2 und dem Spülluftmodul 3. Jedes Modul kann entsprechend der Anforderungen an Unterdruck und Druckluft, die sich in modernen Verbrennungskraftmaschinen wesentlich voneinander unterscheiden, angepasst werden. Das Grundluftmodul 1 ist in der vorliegenden Ausführungsform mit einer Flügelzellenpumpe 130 ausgestattet. Diese kann einen hohen Unterdruck, also einen sehr geringen Absolutdruck erzeugen. Dieser wird für Anwendungen benötigt, bei denen hohe Kräfte erzeugt werden müssen, beispielsweise bei Bremskraftverstärkern.
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Das Sekundärluftmodul 2 ist mit einer Seitenkanalpumpe 230 ausgestattet, die bei einem relativ geringen erzeugten Überdruck einen relativ hohen Massenstrom ermöglicht. Eine derartige Pumpe wird beispielsweise zur Förderung von Sekundärluft in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine für die Katalysatoraufheizung oder für die Katalysatorregeneration benötigt.
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Das Spülluftmodul 3 ist mit einer Seitenkanalpumpe 330 ausgestattet, die einen relativ geringen Unterdruck und einen mittleren Volumenstrom erzeugt. Dieses Unterdruck-Volumenstrom-Verhältnis wird bei Spülvorgängen, wie der Kurbelgehäuseentlüftung oder der Spülung eines Kraftstoffdampf-Aktivkohlefilters benötigt. Ein noch geringerer Unterdruck ist bei Leckage-Diagnosen ausreichend.
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Die erfindungsgemäße modulare Pumpenanordnung ist als kompakte Einheit ausgeführt, die als Ganzes montiert und demontiert werden kann. Außerdem ist sie modular aufgebaut, wodurch einzelne Module, also das Grundluftmodul 1, das Sekundärluftmodul 2 oder das Spülluftmodul 3, leicht ausgetauscht aber auch durch andere Modultypen ersetzt werden können. Vorteilhafterweise weist die modulare Pumpenanordnung dazu nur einen zentralen Anschluss zur Lieferung von elektrischer Energie und zur Kommunikation über ein Bussystem des Kraftfahrzeugs auf. Außerdem sind vorzugsweise leicht zugängliche Befestigungspunkte 150, die vorzugsweise schwingungsentkoppelt, z. B. über Gummilager, sind, nur zur Befestigung des Gehäuses 101 des Grundluftmoduls 1 an dem Kraftfahrzeug vorgesehen. Sekundärluftmodul 2 und Spülluftmodul 3 sind lediglich über das Grundluftmodul 1 an dem Kraftfahrzeug, z. B. der Karosserie, festgelegt. Dies erleichtert die Montage oder Wartung.
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Die modulare Pumpenanordnung weist lediglich eine Antriebseinheit in Form einer E-Maschine 120 auf, das im Gehäuse 121 der E-Maschine 120 angeordnet ist, wobei das Gehäuse 121 vorzugsweise als ein Teil des Gehäuses 101 des Grundluftmoduls 1 ausgebildet ist. Diese treibt über eine Antriebswelle 191 die Flügelzellenpumpe 130 (Grundluftmodulpumpe) an, die den Unterdruckspeicher evakuiert und die evakuierte Luft über den Auslass 131 an die Umgebung entlässt. Auf der Antriebswelle 191 ist ein Abtriebsrad 190 vorzugsweise drehfest angeordnet, und zwar auf der der E-Maschine 120 gegenüberliegenden Seite der Flügelzellenpumpe 130. Die im Sekundärluftmodul 2 angeordnete Sekundärluftpumpe 230 (Seitenkanalpumpe) wird von der ersten Nebenantriebswelle 291 angetrieben, auf der wiederum das Sekundärluftmodul-Antriebsrad 290 vorzugsweise drehfest angeordnet ist. Analog wird die im Spülluftmodul 3 angeordnete Spülluftpumpe 330 von der zweiten Nebenantriebswelle 391 angetrieben, auf der das Spülluftmodul-Antriebsrad 390 vorzugsweise drehfest angeordnet ist.
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Das Antriebsdrehmoment der E-Maschine 120 wird von dem Abtriebsrad 190, welches gleichzeitig in kämmendem Eingriff mit dem Sekundärluftmodul-Antriebsrad 290 und dem Spülluftmodul-Antriebsrad 390 steht, auf die beiden Nebenantriebswellen 291, 391 und damit auf die Sekundärluftpumpe 230 sowie die Spülluftpumpe 330 übertragen.
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Zur bedarfsgerechten Verwendung der Pumpenanordnung ist jede Pumpe 130, 230, 330 mithilfe von Kupplungen 180, 280, 380, bei denen es sich vorzugsweise um Reibungskupplungen handelt, separat zu- und abschaltbar, deren Funktionsweise anhand der ersten Kupplung 180 zur Zu- und Abschaltung der Flügelzellenpumpe 130 erläutert wird. Die Kupplung 180 ist pneumatisch gesteuert. Dazu wird im Steuerraum 184 ein Unterdruck zugeschaltet, welcher eine Gegenkraft zur Federkraft einer in der Kupplung angeordneten Feder 183 bewirkt, sodass die Kupplung 180 bzw. eigentlich der durch das Ausrücklager 182 axial verschiebbare Teil der Kupplung 180 entgegen der Wirkrichtung der Federkraft axial verschoben wird. Die Kupplung 180 ist ausfallsicher ausgeführt, was bedeutet, dass bei fehlendem Unterdruck die Federkraft in Richtung geschlossene Kupplung wirkt. Dies gilt ebenfalls für die Kupplung 380 des Spülluftmoduls 3. Die Kupplung 280 des Sekundärluftmoduls 2 hingegen ist als nicht ausfallsicher ausgeführt. Diese schließt also erst unter Einwirkung des Unterdrucks.
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Der Unterdruck für die Steuerung der Kupplungen 180, 280, 380 wird über je eine Unterdruckleitung 141, 241, 341 an jeweils einen Steuerraum 184, 284, 384 geliefert und entstammt dem Unterdruckspeicher 140, der von der Flügelzellenpumpe 130 mit Unterdruck beaufschlagt wird. Die Zu- und Abschaltung des Unterdrucks wird dabei von je einem zwischen dem Unterdruckspeicher 140 und den Unterdruckleitungen 141, 241, 341 angeordneten Wegeventil 170, 270, 370 ermöglicht. Diese werden wiederum von der elektronischen Steuereinheit 110 angesteuert. Der Quellanschluss für den Unterdruck an den Wegeventilen 170, 270, 370 ist über je eine Verbindung 142, 242, 342 mit dem Unterdruckspeicher 140 ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundluftmodul
- 2
- Sekundärluftmodul
- 3
- Spülluftmodul
- 4
- Montageschild
- 5
- Anbindung Sekundärluftmodul an Spülluftmodul
- 101
- Gehäuse Grundluftmodul
- 110
- ECU
- 120
- E-Motor
- 121
- E-Motor-Gehäuse
- 130
- Flügelzellenpumpe
- 131
- Auslass Flügelzelle
- 140
- Unterdruckspeicher
- 141
- erste Unterdruckleitung
- 142
- Verbindung Unterdruckspeicher – erstes Wegeventil
- 150
- Befestigungspunkte
- 160
- Getrieberaum
- 170
- elektrisch betätigbares erstes Wegeventil
- 180
- erste pneumatische Kupplung
- 181
- erster Unterdruckanschluss
- 182
- erstes Ausrücklager
- 183
- erste Feder
- 184
- erster Steuerraum
- 190
- Abtriebsrad
- 191
- Antriebswelle
- 201
- Gehäuse Sekundärluftmodul
- 202
- Seitenkanaldeckel Sekundärluftpumpe
- 203
- Rotor Sekundärluftpumpe
- 204
- Rotorlager Sekundärluftpumpe
- 205
- Lager erste Nebenantriebswelle
- 206
- Lager erste Nebenantriebswelle
- 207
- Dichtung Sekundärluftpumpe
- 230
- Sekundärluftpumpe (Seitenkanalpumpe)
- 231
- Auslass Sekundärluft-Seitenkanalpumpe
- 232
- Einlass Sekundärluft-Seitenkanalpumpe
- 241
- zweite Unterdruckleitung
- 242
- Verbindung Unterdruckspeicher – zweites Wegeventil
- 270
- zweites Wegeventil
- 280
- zweite pneumatische Kupplung
- 281
- zweiter Unterdruckanschluss
- 282
- zweites Ausrücklager
- 283
- zweite Feder
- 284
- zweiter Steuerraum
- 290
- Sekundärluftmodul-Antriebsrad
- 291
- erste Nebenantriebswelle
- 301
- Gehäuse Spülluftmodul
- 302
- Seitenkanaldeckel Spülluftmodul
- 303
- Rotor Spülluftpumpe
- 304
- Rotorlager Spülluftpumpe
- 305
- Lager zweite Nebenantriebswelle
- 307
- Dichtung Spülluftpumpe
- 330
- Spülluftpumpe (Seitenkanalpumpe)
- 331
- Auslass Spülluft-Seitenkanalpumpe
- 332
- Einlass Spülluft-Seitenkanalpumpe
- 341
- dritte Unterdruckleitung
- 342
- Verbindung Unterdruckspeicher – drittes Wegeventil
- 370
- drittes Wegeventil
- 380
- dritte pneumatische Kupplung
- 381
- dritter Unterdruckanschluss
- 382
- zweites Ausrücklager
- 383
- dritte Feder
- 384
- dritter Steuerraum
- 390
- Spülluftmodul-Antriebsrad
- 391
- zweite Nebenantriebswelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19821794 A1 [0002]
- DE 102014105498 A1 [0003]
- DE 3324583 A1 [0004]
