DE212012000085U1

DE212012000085U1 - Schaltsystem zum Unterbrechen der Kühlmittelzirkulation für wassergekühlte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE212012000085U1
Application number: DE212012000085.2U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2022-04-13
Also published as: WO2012141667A3; TR201103681A2; WO2012141667A2

Abstract

Verwendung einer speziellen Ein-/Aus-Ventilanordnung zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs während der gemeinsamen Rotation einer Wasserpumpenrolle und eines Laufradschafts.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine schaltbare Wasserpumpe und deren hydraulisch oder pneumatisch betätigte Ventilstruktur, die eine Kühlmittelzirkulation der wassergekühlten Brennkraftmaschine selbst dann unterbrechen kann, wenn die Pumpe kontinuierlich arbeitet. Durch die Betätigung des Ventilmechanismus soll die Kühlmittelzirkulation unterbrochen werden, weil dadurch das Motorkühlmittel schnell erwärmt wird, um so die Emission schädlicher Abgase zu verhindern.
Bekannter Stand der Technik
Eine Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung sollte eine Wasserpumpe haben, um ein unter Druck stehendes Kühlmittel durch die Kühlkanäle eines Motorblocks und des Zylinderkopfs zirkulieren lassen zu können. Diese Wasserpumpe wird kontinuierlich von einer Kurbelwelle des Motors über eine Kupplung mit einer Rolle und einen Riemen angetrieben. In der Regel rotiert die Wasserpumpe immer, wenn die Kurbelwelle des Motors rotiert. Auf diese Weise erzeugt die Wasserpumpe einen Kreislauf von unter Druck stehendem Kühlmittel, um die vom Motor durch die Verbrennung von Treibstoff erzeugte Wärme aufzunehmen. Die Wasserpumpe hilft daher durch das Erzeugen eines Kühlmittelkreislaufs dabei, die Motortemperatur abzusenken.
Andererseits ist der Motor dazu ausgelegt, unter bestimmten aufgewärmten Bedingungen betrieben zu werden, unter denen im Vergleich zu Motor-Betriebsbedingungen bei geringeren Temperaturen die Abgasemissionen am geringsten und der Treibstoffverbrauch am höchsten ist. Heute ist auch die Verringerung der Gesamtemissionen von giftigen Gasen während des Betriebs des Motors ein aus Umweltschutzgründen besonders wichtiges gesetzliches Erfordernis.
Die Standards der Europäischen Kommission definieren akzeptable Grenzwerte für die Abgasemissionen von in EU-Mitgliedsstaaten verkauften Neuwagen. Die Emissionsstandards sind in einer Reihe von Richtlinien der Europäischen Union definiert, die stufenweise zunehmend strenge Standards einführen. Derzeit sind die Emissionen von Stickoxiden, Gesamt-Kohlenwasserstoffen, Nichtmethan-Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid für die meisten Fahrzeuge geregelt, auch für Autos, Lastkraftwagen, Züge, Traktoren und ähnliche Geräte.
Durch diese Emissionsrichtlinien sollte die Motortemperatur innerhalb einer kurzen Zeitspanne nach dem Start des Motors die optimale Betriebstemperatur erreichen, um so eine reduzierte Gesamtemission von giftigen Gasen erreichen zu können. Daher ist es dort sehr logisch, die Kühlmittelzirkulation des Motors zu unterbrechen oder das Drehen der Wasserpumpe zu stoppen, um so die Zeitspanne zum Aufwärmen des Motors bei einem Kaltstart des Motors zu verkürzen.
Derzeit bekannte Lösungen zum Stoppen der Wasserpumpe und deren Kreislauf beruhen auf einem Konzept mit schaltbaren Riemenrollen. Die meisten der Lösungen mit schaltbaren Rollen verwenden eine magnetische Spule zum Entkoppeln von Reibscheiben, die im Mechanismus der Riemenrolle angeordnet sind. Reibscheiben werden durch eine Federkraft in festen Eingriff miteinander gebracht und auf diese Weise rotieren die Riemenrolle und der Pumpen-Laufradschaft gemeinsam. Die Reibscheiben werden mittels einer elektrisch betätigten Magnetspule entkoppelt, wodurch der Laufradschaft gestoppt wird, während die Riemenrolle sich weiter dreht. In einigen Anwendungen wird anstelle der Reibscheiben eine Sprungfeder verwendet. Auch die Verwendung von „Reibungsrädern” ist eine wohlbekannte Lösung zum Antreiben einer Wasserpumpen-Rolle, wobei die „Reibungsräder” in Kontakt sowohl mit der Wasserpumpen-Rolle als auch mit einer Laufrad-Rolle (meistens eine Kurbelwellen-Rolle) steht. Durch eine geradlinige (zurückzieh-)Bewegung des „Reibungsrad”-Schlittens verliert die Wasserpumpen-Rolle den Kontakt mit der Laufrad-Rolle, wodurch sie gestoppt wird.
Die Derzeitigen Lösungen haben zwei Hauptnachteile. Der erste Nachteil ist, dass sie nicht kompakt sind. Derzeit bekannte Lösungen können keine zuverlässige schaltbare Rolle bereitstellen, wenn der benötigte Durchmesser der Wasserpumpen-Rolle weniger als 70 mm beträgt. Der zweite große Nachteil der Lösung mit schaltbaren Rollen liegt in aufgetretenen Problemen in einigen Motoranwendungen, wenn der gesamte Fluss und Kreislauf durch das Lösen der Kupplung unterbrochen wird. Wenn der Motor mit einem EGR-System ausgestattet ist, kann der Ausfall der Wasserpumpe und ihrer Kühlwirkung Schäden im EGR-System verursachen. Für einige Anwendungen wird daher davon abgeraten, die Arbeit der Wasserpumpe vollständig zu stoppen. Die Benötigte Lösung sollte das teilweise Unterbrechen der Kühlmittelzirkulation unterbrechen, während einige Systeme durch den Kühlmittelkreislauf kontinuierlich gekühlt werden. Unsere Innovation unterstützt auch diese Anforderung, für die bisher noch keine Lösung gefunden wurde.
Beschreibung der Figuren
Diese Erfindung wird detailliert durch die folgenden Figuren erläutert. Die Figuren sind nur Beispiele. In den Figuren zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Wasserpumpenanordnung mit einem Drehventil, welches zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs verwendet wird. Die Figur zeigt eine blockierende Position der Ventilanordnung ohne Fluss.
2 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Wasserpumpenanordnung mit einem Drehventil, welches zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs verwendet wird. Die Figur zeigt eine freigegebene Position der Ventilanordnung, die eine freie Zirkulation ermöglicht.
3 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Wasserpumpenanordnung mit einem Absperrventil, welches zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs verwendet wird. Die Figur zeigt eine blockierende Position der Ventilanordnung ohne Fluss.
Bezugszeichenliste

1: Wasserpumpen-Rolle
2: Laufradschaft
3: Wasserpumpenabdeckung
4: Laufrad
5: Wasserpumpeneinlass (Ansaugseite)
6: Wasserpumpenauslass (Druckseite)
7: Wasserpumpengehäuse
8: Drehventil-Kolben
9: Drehventil oder Kugelventil
10: Hydraulischer Druckanschluss A des Drehventils
11: Hydraulischer Druckanschluss B des Drehventils
12: Feder zum Zurückziehen des Kolbens
13: Einfachwirkender Zylinderkolben
14: Absperrventil

Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Unterbrechung der Kühlmittelzirkulation während die Pumpe kontinuierlich arbeitet. Die Kühlmittelzirkulation wird mittels einer hydraulisch oder pneumatisch betätigten ein/aus Absperrung blockiert, die am Wasserpumpeneinlass (Ansaugseite) oder Wasserpumpenauslass (Druckleitung) angeordnet ist.
Der benötigte hydraulische Druck wird von einer Schmierölpumpe des Motors oder einer hydraulischen Servolenkungspumpe abgegriffen, die bereits in Standardmotoren vorhanden sind, oder, falls dies im Fahrzeug vorhanden ist, kann auch ein Unterdruck verwendet werden.
Die beiliegenden Figuren zeigen eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Wasserpumpenanordnung, die aus einer Ventilanordnung zum Blockieren des Druckausgangs der Wasserpumpe besteht. In 1 ist eine geschlossene Position des Drehventils (9) gezeigt und diese Position erlaubt selbst dann keine Kühlmittelzirkulation, wenn die Pumpe arbeitet. In 2 ist das Drehventil in einer geöffneten Position gezeugt, in welcher es die Kühlmittelzirkulation nicht blockiert. Ein Rotationskolben (8) wird für die Drehung des Ventils (9) im Uhrzeigersinn und gegen den Urzeigersinn verwendet. Der benötigte hydraulische Druck sollte zu den Anschlüssen des Drehventils über ein Solenoidventil gelleitet werden, das von der Motorsteuerung gesteuert wird. Das Solenoidventil ist in den Figuren nicht dargestellt. Ein alternatives Ventildesign ist in 3 dargestellt; anstelle des Drehventils (9) wird ein Absperrventil (14) verwendet und anstelle des Rotationskolbens (8) wird ein einfachwirkender Zylinderkolben (13) zum betätigen des Absperrventils (14) verwendet. Zum Unterbrechen der Zirkulation können also unterschiedliche Arten von Ventil und Kolben verwendet werden.
Ein Absperrventil (9) vom Ein-/Aus-Typ ist in der Leitung des Kühlmittelkreislaufs installiert, und zwar entweder in der Druckleitung oder der Saugleitung. Dieses Absperrventil (9) wird von einem hydraulischen Kolben (8 oder 13) oder einem hydraulische aufblasbaren Gummikissen betätigt. Der Kolben kann eine geradlinige Bewegung oder eine Drehbewegung erzeugen. Der benötigte hydraulische Druck sollte von bestehende Druckleitungen der Schmierölpumpe des Motors oder einer hydraulischen Servolenkungspumpe über eine Schlauch- oder Rohrverbindung bereitgestellt werden. Die hydraulische Verbindung kann auch durch eine integrierte Verbindungsleitung zwischen dem Körper der Wasserpumpe und dem Motorblock erzeugt werden. Der hydraulische Druck von einer bestehenden Pumpenquelle sollte über ein Magnetspulen-(Solenoid)-betätigtes Mikroventil zu dem Kolben oder Kissen geleitet werden, welches auf dem Motorblock angeordnet sein kann oder in die schaltbare Wasserpumpenanordnung integriert sein kann. Dieses Solenoidventil sollte von der Motorsteuerungseinheit gesteuert werden. Die gleiche Logik ermöglicht auch die Verwendung eines Vakuumdrucks als Alternative zum hydraulischen Druck. Der Kolben (8 oder 10), der zur Ventilbetätigung verwendet wird, kann zweifachwirkend oder einfachwirkend ausgestaltet sein. Ein einfachwirkender Kolben kann eine federartige Kompressionsfeder, Torsionsfeder, Bandfeder, Zugfeder, Drahtfeder oder dergleichen zum Zurückzielen des Kolbens haben. Der Ventilaufbau ist im Wesentlichen ein Ein-/Aus-Typ Stoppventil, welches zum Steuern des Flusses von Fluiden verwendet wird, und kann die Firm eines Kugelventils, eines Kegelventils, eines Drehventils, eines Schmetterlingsventils, eines Membranventils, eines Sperrventils, eines Ringkolbenventils, eines Ventilschiebers, eines Sitzventils, eines Messerventils oder eines Wärmeausdehnungsventils haben.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Fähigkeit, einen bestimmten Teil des Kühlmittelkreislaufs des Motors zu blockieren, während ein anderer Teil frei zirkuliert. Beispielsweise sollte der Kühlmittelkreislauf eines EGR (Abgasrückführungs-)-Systems nicht blockiert werden, während der Kühlmittelkreislauf des Zylinderkopfs mit einem separaten Ein-Aus-Ventil blockiert wird. Durch diesen Ansatz können die Lebensdauern von EGR-Mechanismen oder einer Turbolader-Turbine verlängert werden, ohne dass Probleme mit Überhitzung entstehen.

Claims

Verwendung einer speziellen Ein-/Aus-Ventilanordnung zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs während der gemeinsamen Rotation einer Wasserpumpenrolle und eines Laufradschafts.
Verwendung von hyraulischem Druck, der in einem hydraulischen Servolenkungssystem eins Fahrzeugmotors (Servopumpe) oder Schmierölsystems (Ölmpumpe) des Fahrzeugs bereits existiert, zum Betätigen der Ein-/Aus-Ventilanordnung nach Anspruch 1.
Verwendung von Unterdruck, der in einem Fahrzeugbremssystem bereits existiert zum Betätigen der Ein-/Aus-Ventilanordnung nach Anspruch 1.
Konzept zur Erzeugung eines separaten, blockierbaren Kreislaufs, der mit der gemeinsamen Wasserpumpen-Druckleitung oder Saugleitung verbunden ist. Durch diesen Vorteil kann der Hauptfluss der Wasserpumpe in zwei separate Kühlkreisläufe aufgeteilt werden und jeder dieser separaten Kühlkreisläufe kann durch die Betätigung der speziellen Ein-/Aus-Ventilanordnung nach Anspruch 1 blockiert werden, während der andere fließt.
Eine ein-/Aus-Ventilanordnung zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs nach Anspruch 1 umfasst einen Kolbenaktuator, welcher die Ventilöffnungs- und Schließbewegung des Ventils antreibt. Der Kolben kann ein einfachwirkender oder zweifachwirkender linearer Zylinder oder ein Drehkolben sein. Falls ein Einfachwirkender gewählt wird, kann das Zurückstellen des Kobens durch eine Feder erfolgen, die als eine federartige Kompressionsfeder, Torsionsfeder, Bandfeder, Zugfeder, Drahtfeder oder dergleichen ausgestaltet sein kann.
Ein-/Aus-Ventilanordnung zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs nach Anspruch 1 umfasst ein Solenoidventil zum Steuern der Betätigung des Ein-/Aus-Ventils.
Ein-/Aus-Ventilanordnung zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs nach Anspruch 1 umfasst ein Ein-/Ausventil zum Unterbrechen des Kühlmittelflusses. Der Aufbau des Ein-/Aus-Ventils kann in der Form eines Kugelventils, eines Kegelventils, eines Drehventils, eines Schmetterlingsventils, eines Membranventils, eines Sperrventils, eines Ringkolbenventils, eines Ventilschiebers, eines Sitzventils, eines Messerventils oder eines Wärmeausdehnungsventils ausgestaltet sein.
Ein-/Aus-Ventilanordnung zum Unterbrechen des Kühlmittelkreislaufs nach Anspruch 1 kann in eine Wasserpumpenanordnung integriert sein oder in einem beliebigen Punkt des Kühlkreislaufs angeordnet sein.