EP1657446A2 - Regelbare Kühlmittelpumpe - Google Patents
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- EP1657446A2 EP1657446A2 EP05006343A EP05006343A EP1657446A2 EP 1657446 A2 EP1657446 A2 EP 1657446A2 EP 05006343 A EP05006343 A EP 05006343A EP 05006343 A EP05006343 A EP 05006343A EP 1657446 A2 EP1657446 A2 EP 1657446A2
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
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- F04D15/0038—Varying behaviour or the very pump by varying the effective cross-sectional area of flow through the rotor
-
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2270/62—Electrical actuators
Definitions
- the invention relates to a controlled via a pulley controllable coolant pump for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
- coolant pumps are described for internal combustion engines, which are driven by a pulley from the crankshaft of the internal combustion engine and in which the impeller is switchably driven in conjunction with a friction pair of the pump shaft.
- This control of automotive coolant pumps allows forced cooling commencing immediately upon starting the engine to be avoided, thereby significantly reducing the warm-up phase of the engine with all the inconveniences encountered during this phase such as increased friction losses, increased emissions and increased fuel consumption.
- This increased drive torque is caused by an increase in the contact pressure, which results from the fact that between the friction disc and the impeller by an inflow ring and a Ausströmring for the cooling medium builds up a pressure assisting vacuum, and at the same time the friction disc clutch during operation by means of overflow openings with the Pressure of the cooling medium is applied.
- the invention is therefore based on the object to develop a driven by a pulley, controllable coolant pump for internal combustion engines, which avoids the aforementioned disadvantages of the prior art, is characterized by high efficiency, high reliability and reliability and minimal manufacturing and assembly costs , an active control of the coolant flow rate allows on the one hand to ensure a gradual optimum heating of the engine and at the same time to influence the engine temperature in continuous operation after the heating of the engine so that the total emissions of the engine both the pollutant emission as well as the friction losses and fuel consumption significantly reduced can be replaced, the solution according to the invention even with currently already manufactured engines against previously used coolant pumps.
- This controllable coolant pump having a bearing seat (2) arranged in the pump housing (1) in which a pump shaft (4) is freely rotatably mounted, wherein a pulley (2) is non-rotatably mounted on a free end of the pump shaft (4). 5) and on the opposite free end of the pump shaft (4) non-rotatably an impeller (6) is arranged, and the impeller side on the pump shaft (4), the ball bearing (3) adjacent, a radial shaft seal (8) arranged in the pump housing ( 1) in a seal seat (7) is characterized in that in the pump housing (1) a sealing seat (7) and a bearing seat (2) annularly surrounding pump interior is arranged on the inner shell (9) has a spring sleeve (10 ) is pressed with a coperad schemeen stop (11), wherein in the region of the outer jacket (12) and in the upper region of the rear wall (13) of the pump interior of the pump housing (1) a magnetic housing (14) with e iner cylindrical iron return plate (17) is arranged in which a cable (15)
- This pressure spring (28) causes, when the solenoid coil (16) is de-energized, the valve slide (21) is returned to its initial position.
- flow openings (29) are arranged in the circular disc (19) of the valve slide (21).
- This arrangement according to the invention ensures exact guidance of the valve slide (21) in the pump housing (1) and simultaneously serves to seal between the slide chamber (the space behind the impeller (6)) and the pump spiral (33) in order to avoid leaks.
- the maximum stroke of the valve spool (21) is limited by the working travel of the magnet armature (24). From the back wall side, by the action of the compression spring (28) forced end position of the magnet armature (24), this can be so far linearly moved in power to the solenoid (16) along its tread (25) in the hub to the stop surface (26) of the armature (24) comes to rest on the system (27) of the magnet housing (14).
- the arrangement according to the invention thus enables the valve slide (21) to be displaced from the magnet armature (24) by means of the variation of the current supply to the magnet coil (16), and thereby linearly along the armature Outer edge of the impeller (6) movable outer cylinder (20) of the valve spool (21) varies the opening cross-section of the inflow opening of the impeller (6) in the pump spiral (33) or blocked.
- a sealing edge (34) is arranged at the free end of the outer cylinder (20) arranged on the circular disk (19).
- This sealing edge (34) serving for "sealing the pump spiral (33)" at the same time also reduces the magnetic force required to control or shut off the flow, acting on the valve slide (21).
- a plurality of compensation bores (36) is arranged / are. These compensating bores (36) allow the coolant volume flow (40) behind the impeller (6) via the annular gap between the outer edge of the impeller (6) and the outer cylinder (20) of the valve spool (21) behind the impeller (6) to cool the radial shaft sealing ring / the balancing bore (s) (36).
- webs (39) are arranged on the circumference of the inner cylinder (18). These webs (39) allow a linear guide of the valve slide (21) on the inner circumference of the magnet housing (14). This linear guide minimizes both the sliding friction between the inner cylinder (18) of the valve spool (21) and reduces its guide surface and at the same time causes particle contamination of the Coolant does not affect the operational safety and reliability of the valve spool (21).
- pulse width modulation of the voltage applied to the magnetic coil (16) voltage can be varied by means of the solution according to the invention, the stroke of the valve spool both in the displacement, as well as in the opening time, that by means of the inventive solution, the flow rate, the flow continuously in response to the current Need can be regulated.
- the inventive solution causes a high pump efficiency, ensures high reliability and reliability with minimal manufacturing and assembly costs and allows by active control of the coolant flow rate, a gradual optimum heating of the engine.
- it is also possible to influence the engine temperature in continuous operation even after the engine has been heated in such a way that both the pollutant emission, the friction losses and the fuel consumption can be significantly reduced in the entire operating range of the engine.
- a particularly advantageous embodiment of the solution according to the invention is characterized in that the impeller (6) rotatably on the pump shaft (4) and between a at the free end of the pump shaft (4) arranged impeller (41) and a wedge belt side the impeller (6) on the pump shaft (4) arranged adjacent Laufradhubbegrenzung (42), at the same time linearly displaceable, and that the Laufradhubbegrenzung (42) wedge belt side on the pump shaft (4) adjacent an annular disc (42), and on the rear wall (44) of the impeller ( 6) a with its inner diameter, the outer edge (45) of the annular disc (43) enclosing annular web (46) is arranged, wherein between the bottom (44) of the impeller (6) and the annular disc (43) a pressure-claimable spring (47) is arranged.
- This particularly advantageous embodiment of the solution according to the invention causes at elevated pressure, for example in "closed” Valve slide (21) and / or at high engine speeds, the impeller (6) on the pump shaft (4) against the action of the spring (47) is moved.
- the on the rear wall (44) of the impeller (6) arranged, with its inner diameter the outer edge (45) of the annular disc (43) enclosing annular web (46) serves in each working position of the impeller (6) on the pump shaft (4) of the reduction the working pressure between the annular disc (43) and the bottom of the annular disc (43) of the impeller (6), and ensures a functionally reliable displacement of the valve spool (21) in cooperation with the respective delivery pressure of the impeller (6) in dependence the spring force of the spring (47).
- the inventive arrangement causes in all working positions of the valve slide (21) via the spring force of the spring (47) adjustable maximum pressure protection in the middle and / or upper engine speed range, so that when using this solution according to the invention, for example, damage to the cooling system can be avoided resulting from pressure peaks.
- controllable coolant pump can be easily replaced by previously used coolant pumps.
- controllable coolant pump according to the invention in section in the side view with the two possible end positions of the valve spool 21 is shown.
- a ball bearing 3 is arranged in the bearing seat 2 of the pump housing 1.
- the pump shaft 4 is freely rotatably mounted.
- a pulley 5 is rotatably disposed outside of the pump housing.
- the impeller 6 is pressed within the pump housing.
- the speed of the impeller 6 is given by the speed of the pulley 5.
- Vane wheel side, a radial shaft seal 8 is disposed on the pump shaft 4, the ball bearing 3 adjacent. This is arranged in a sealing seat 7 of the pump housing.
- a sealing seat 7 and the bearing seat 2 is annularly surrounding the pump interior.
- a spring sleeve 10 is pressed with a wing-side arranged annular stop 11.
- a magnet housing 14 with a cylindrical iron return plate 17 is arranged in the pump housing 1, in which a magnetic coil 16 provided with a cable 15 serving for the power supply is arranged.
- the inner cylinder 18 of a valve spool 21 is slidably disposed in the annular gap between the spring sleeve 10 and the magnet housing 14 with the iron return plate 17 and the solenoid 16.
- This valve slide is in addition to the inner cylinder 18 and a with its inner diameter, the outer diameter of the impeller 6 slightly superior outer cylinder 20 from one of these two cylindrical assemblies interconnecting circular disk 19th
- a receiving ring 22 for receiving a magnetic armature 24, arranged with a compression spring abutment web 23.
- This arranged in the receiving ring 22 armature 24 is slidably disposed along a located on the inner surface of the iron backing plate 17 and the wedge belt side region of the magnetic coil 16 tread 25.
- the magnet armature 24 is provided with a stop surface 26 which can interact with a arranged on the magnet housing 14 system 27 in operative connection. Between the stop 11 and the Druckfederstromsteg 23 of the inner cylinder 18, a compression spring 28 is arranged.
- a Ringabilitynut 30 is arranged at the outer edge of the circular disc 19 of the valve spool 21, in the transition region to the outer cylinder 20 .
- a piston ring 31 is arranged which is displaceable in the inner wall of the pump housing 1 along a cylindrical sliding surface 32 between the diegelrad facultyen end portion of the magnet housing 14 and arranged in the pump housing 1 transition region to the pump volute 33.
- the maximum stroke of the valve spool 21 is limited by the travel of the armature 24. This can be moved so far in power supply to the solenoid coil 16 along its tread 25 in stroke from the back side, forced by the action of the compression spring 28 end position of the magnet armature 24, that the abutment surface 26 of the magnet armature 24 to the system 27 of the magnet housing 14 lie comes.
- the inventive arrangement thus makes it possible that by means of the variation of the power supply to the solenoid 16, the valve slide 21 is displaced from the armature 24, so that the linear along the outer edge of the impeller 6 movable outer cylinder 20 of the valve spool 21, the opening cross-section of the inflow opening of the impeller 6 in the Pump spiral 33 blocked.
- a sealing edge 34 is arranged.
- This sealing edge 34 allows a Abregeln and a complete shut-off of the flow with a minimum of the valve spool 21 attacking magnetic force.
- the upper half of the sectional view shows the front end position of the valve spool. In this end position of the inflow of coolant is prevented in the pump coil, and the delivery rate of the coolant pump is at this position of the valve spool 21, except for slit flows, almost "0".
- the coolant contained in the impeller 6 rotates only as "inertial mass” with the speed of the impeller.
- pulse width modulation of the voltage applied to the solenoid 16 voltage can be varied by means of the inventive solution, the stroke of the valve spool both in the displacement, as well as in the opening time, that the flow rate, the flow rate, can be controlled continuously depending on the current needs.
- FIG. 2 shows the valve spool 21 with its inner cylinder 18, the outer cylinder 20 and the circular disk 19 connecting these two components with the flow openings 29 arranged in the latter in a three-dimensional representation.
- the sealing edge 34 is arranged at the free end of the outer cylinder 20.
- the ring receiving groove 30 is arranged on the outer cylinder 20.
- the receiving web 22 is arranged outside. Inside the inner cylinder 18 is the pressure spring abutment 23rd
- FIG. 2 now shows the valve slide 21 in a three-dimensional representation.
- the outer cylinder 20 is arranged by means of a circular disk 19.
- a receiving ring 22 for receiving a magnetic armature and a compression spring abutment 23rd
- FIG. 3 shows a further design of the controllable coolant pump according to the invention with a belt pulley 5 in section in a side view.
- a further coolant outlet opening 37 is additionally arranged in the pump housing 1.
- valve spool 21 As in the figure 1, the two possible end positions of the valve spool 21 are taken into account in this figure 3 such that in the upper half the front end position of the valve spool 21 with "depleted" pump coil 33 and in the lower half of the rear end position of the valve spool 21 is shown with fully open pump coil 33.
- the solution according to the invention now makes it possible for the gap flow of the cooling water volume flow 40 between the outer edge of the impeller 6 and the outer cylinder 20 of the valve slide 21 and the sealing edge 34 arranged on the outer cylinder 20 not only, as already explained in FIG. 1, to be provided in each position of the valve slide 21.
- compensating holes 36 can serve the cooling of the radial shaft seal 8, but that at the same time a part of this vg. Crevice flow through the flow openings 29 arranged in the valve slide 21 can be used via the coolant outlet opening 37 while the engine is running to supply additional consumers.
- FIG. 4 shows a further development of the design of the controllable coolant pump according to the invention with a belt pulley 5 from FIG. 3 in a side view in section. Also in this embodiment, an additional coolant outlet opening 37 is arranged in the pump housing 1.
- valve spool 21 As in the figure 3, the two possible end positions of the valve spool 21 are taken into account in such a way that in the upper half of the drawing, the front end position of the valve spool 21 with "deported" pump coil 33 and in the lower half of the drawing Rear end position of the valve spool 21 are shown with fully open pump coil 33.
- valve flaps 38 now allows this presented in Figure 4 solution that even with engine standstill by means of strokes of the valve spool 21, in conjunction with the inevitable occurring valve clearance 4, a coolant volume flow 40 as shown in FIG. 4 can be produced, which is capable of conveying approximately 10 liters / minute at a pressure of approximately 0.1 bar even when the engine is at a standstill and, for example, in place of electric auxiliary pumps also to eliminate the afterheat of the Motors can be used.
- the embodiment of the solution according to the invention with "maximum pressure protection” shown in section is characterized in that the impeller 6 rotatably on the pump shaft 4 and between a arranged at the free end of the pump shaft 4 impeller 41 and a wedge belt side to the impeller 6 the impeller shaft 4 adjacent arranged Impeller stroke limiter 42, is arranged linearly displaceable simultaneously.
- the impeller 6 is slidably mounted on the pump shaft 4 by means of a sliding sleeve 49.
- the annular disk 42 is adjacent to the belt pulley side, the impeller stroke limiting device 42 designed as an annular disk sleeve being adjacent.
- the embodiment of the solution according to the invention shown in this embodiment is particularly advantageous because it causes at elevated pressure, for example in "closed" valve spool 21 and / or at high engine speeds that the impeller 6 is displaced on the pump shaft 4 against the action of the spring 47 ,
- the annular ridge 46 ensures in cooperation with the annular disc 43 in each working position of the impeller 6 on the pump shaft 4 a reduced working pressure between the annular disc 43 and the adjacent bottom 44 of the impeller 6, so that (for a given spring stiffness of the spring 47) one of the respective Delivery pressure of the impeller 6 dependent functionally reliable displacement of the valve spool 21 can be realized.
- This arrangement according to the invention causes in all working positions of the valve slide 21 according to the invention adjustable over the spring force of the spring 47 Maximum pressure protection in the middle and / or upper speed range, so that when using this solution according to the invention, for example, resulting from pressure peaks damage to the cooling system can be avoided.
- this particularly advantageous embodiment of the solution according to the invention in the middle and / or upper speed range of the engine in all working positions of the valve slide 21 of the invention causes In addition, a significant reduction in power consumption and thus increases the efficiency of the coolant pump.
- the maximum pressure safeguard according to the invention presented in this exemplary embodiment makes it possible to oversize the impeller, so that optimum supply of all engine assemblies is ensured even at idling speeds in conjunction with an oversized impeller.
- a plurality of coolant holes (48) are arranged in this embodiment between the diegelrad bathen end of the pump shaft (4) and the running range of the radial shaft sealing ring (8) in the pump shaft (4), which compellingly necessary for cooling the radial shaft seal Allow coolant flow through the annular gap between the outer edge of the impeller (6) and the outer cylinder (20) of the valve spool (21) towards the in the shaft (2) arranged coolant holes (48).
- FIG. 6 shows the characteristic curve of the valve spool stroke with delivery flow regulation by pulse width modulation. The voltage is switched on at time I and switched off at time II.
- the slide strokes and the slide opening times can be varied such that an active stepless control of the coolant flow rate is possible, so that the coolant flow rate, can be controlled continuously depending on the current needs, on the one hand to ensure a gradual optimum heating of the engine and at the same time to influence the engine temperature in continuous operation after the heating of the engine, that both the pollutant emission as well as the friction losses and fuel consumption can be significantly reduced in the entire operating range of the engine.
- FIG. 7 shows the power consumption of differently regulated coolant pumps as a function of the pump rotational speed in comparison to a pump according to the inventive solution with and without pressure protection.
- Curve 1 shows the power consumption of a non-regulated coolant pump.
- curve 2 is the power consumption of a non-regulated coolant pump with the external valve closed.
- the curve 3 shows the power consumption of the controllable coolant pump according to the invention with integrated valve slide.
- Curve 4 shows the power consumption of a decoupled impeller ON / OFF coolant pump.
- Curve 5 now shows the course of the power consumption of the controllable coolant pump according to the invention with integrated valve slide and additionally arranged inventive maximum pressure protection (see also FIG. 5).
- FIG. 8 shows a comparison of the pressure curve as a function of the rotational speed of the impeller in the case of different impeller designs with and without pressure protection.
- the curve I shows the course of the delivery pressure over the speed at a coolant pump with oversized impeller.
- the branching off from the curve I I.1 shows the course of the delivery pressure over the speed at a coolant pump with oversized impeller and integrated, inventive "maximum pressure protection" (see FIG. 5).
- the curve II shows the course of the delivery pressure over the speed at a coolant pump with a conventional impeller.
- the curve 11.1 branching off from this curve I shows the progression of the delivery pressure above the rotational speed in the case of a coolant pump with a conventional impeller and integrated "maximum pressure protection" according to the invention.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine über eine Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Im Stand der Technik sind Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotore vorbeschrieben, die über eine Riemenscheibe von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden und bei denen das Flügelrad schaltbar in Verbindung mit einer Reibpaarung von der Pumpenwelle angetrieben wird.
- Mit der mit solchen Kühlmittelpumpen realisierbaren Zweipunktregelung kann die Kühlleistung wie auch die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe variiert werden.
- Diese Regelung von Kühlmittelpumpen für Kraftfahrzeuge ermöglicht, daß eine sofort beim Starten des Motors einsetzende Zwangskühlung vermieden werden kann, wodurch die Warmlaufphase des Motors mit all den in dieser Phase auftretenden Nachteilen wie beispielsweise erhöhte Reibungsverluste, erhöhte Emissionswerte und einem erhöhten Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden kann.
- So wurde von der Anmelderin im Patent DE 100 57 098 C1 eine bewährte regelbare Kühlmittelpumpe vorgestellt, bei der stationär im Pumpengehäuse eine Magnetspule angeordnet ist, welche mit einer drehfest, jedoch federbelastet verschiebbar auf der Antriebswelle angeordneten, flügelradseitig mit einem Reibbelag versehenen Ankerscheibe derart in Wirkverbindung treten kann, daß bei ausgeschaltetem Magnetfeld infolge der Federanpresskraft das drehbar auf der Antriebswelle angeordnete Flügelrad von der Ankerscheibe mitgenommen wird.
- Da bei dieser Bauform das Mitnahmereibmoment durch den zur Verfügung stehenden magnetischen Bauraum stark begrenzt wird, wurde diese Lösung konsequent weiterentwickelt.
- Die auf dieser Lösung aufbauende Anmeldung DE 102 35 721 A1 beschreibt eine bauraumoptimierte regelbare Kühlmittelpumpe, mit einem von der Reibscheibe der Magnetkupplung auf das Flügelrad übertragbaren, deutlich erhöhten Antriebsdrehmoment.
- Dieses erhöhte Antriebsdrehmoment wird durch eine Erhöhung der Anpreßkraft bewirkt, welche daraus resultiert, daß zwischen der Reibscheibe und dem Flügelrad durch einen Zuströmring und einen Ausströmring für das Kühlmedium ein die Anpresskraft unterstützender Unterdruck aufgebaut, und gleichzeitig die Reibscheibe während des Betriebes mittels Überströmöffnungen kupplungsseitig mit dem Druck des Kühlmediums beaufschlagt wird.
- Um eine kurzfristige Motorerwärmung mit all den daraus resultierenden Vorteilen zu gewährleisten, werden die vorgenannten Bauformen von Kühlmittelpumpen beim Kaltstart des Motors ausgeschaltet.
- Hat nun der Motor seine Betriebstemperatur erreicht, wird die jeweilige Reibkupplung, mit ihren dieser Kupplungsbauform eigenen, funktionsbedingten Verschleißproblemen, aktiviert und die Kühlmittelpumpe angeschaltet.
- Dadurch wird eine solch große Menge kalten Kühlmittels in den auf die Betriebstemperatur erwärmten Motor gepumpt, daß sich dieser sofort stark abgekühlt.
- Dabei werden die erwünschten Vorzüge einer schnellen Erwärmung des Motors jedoch teilweise schon wieder kompensiert.
- Beim Wiedereinschalten von größeren Kühlmittelpumpen sind infolge der erforderlichen Massenbeschleunigung zudem sehr hohe Drehmomente zu überwinden, welche zwangsläufig eine hohe Bauteilbelastung zur Folge haben.
- Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen haben gezeigt, daß durch ein konsequentes Thermomanagement, also jene Maßnahmen welche zu einem energetisch und thermomechanisch optimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors führen, etwa 3 bis 5% Kraftstoff eingespart werden können.
- Daher wird eine immer präzisere Regelung des Kühlmitteldurchsatzes in Abhängigkeit von der Temperatur des durchgesetzten Kühlmittels erforderlich.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine über eine Riemenscheibe angetriebene, regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore zu entwickeln, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit sowie einen minimalen Fertigungs- und Montageaufwand auszeichnet, eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge ermöglicht um einerseits eine allmähliche optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und gleichzeitig nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, daß im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können, wobei die erfindungsgemäße Lösung selbst bei gegenwärtig bereits gefertigten Motoren gegen bisher eingesetzten Kühlmittelpumpen ausgetauscht werden soll.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruches der Erfindung gelöst.
- Diese regelbare Kühlmittelpumpe mit einem im Pumpengehäuse (1) angeordneten Lagersitz (2) in welchem ein Kugellager (3) angeordnet ist in dem frei drehbar eine Pumpenwelle (4) gelagert ist, wobei auf einem freien Ende der Pumpenwelle (4) drehfest eine Riemenscheibe (5) und auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle (4) drehfest ein Flügelrad (6) angeordnet ist, und flügelradseitig auf der Pumpenwelle (4), dem Kugellager (3) benachbart, ein Radial-Wellendichtring (8) angeordnet welcher im Pumpengehäuse (1) in einem Dichtungssitz (7) befestigt ist, zeichnet sich dadurch aus, daß im Pumpengehäuse (1) ein den Dichtungssitz (7) und ein den Lagersitz (2) kreisringförmig umgebender Pumpeninnenraum angeordnet ist auf dessen Innenmantel (9) eine Federhülse (10) mit einem flügelradseitigen Anschlag (11) aufgepresst ist, wobei im Bereich des Außenmantels (12) und im oberen Bereich der Rückwand (13) des Pumpeninnenraumes des Pumpengehäuse (1) ein Magnetgehäuse (14) mit einer zylinderförmigen Eisenrückschlussplatte (17) angeordnet ist in dem eine mit einem Kabel (15) versehene Magnetspule (16) angeordnet ist, wobei im Ringspalt zwischen der Federhülse (10) und der Magnetspule (16) bzw. den der Magnetspule (16) zuzuordnenden Baugruppen, wie dem Magnetgehäuse (14) mit Eisenrückschlussplatte (17), der Innenzylinder (18) eines Ventilschiebers (21) angeordnet ist, welcher neben dem Innenzylinder (18) und einem mit seinem Innendurchmesser den Außendurchmesser des Flügelrades (6) geringfügig überragenden Außenzylinder (20) weiterhin aus einer diese beiden Zylinder miteinander verbindende Kreisscheibe (19) besteht, wobei am freien Ende des Innenzylinders (18) ein Aufnahmering (22) mit einem Druckfederanlagesteg (23) zur Aufnahme eines Magnetankers (24) angeordnet ist, welcher entlang einer am Innenring der Eisenrückschlussplatte (17) und dem hinteren Bereich der Magnetspule (16) befindlichen Lauffläche (25) verschiebbar derart angeordnet ist, daß der Außenzylinder (20) des Ventilschiebers (21) entlang der äußeren Breite des Flügelrades (6) verschoben werden kann, wobei der Magnetanker (24) mit einer Anschlagsfläche (26) versehen ist, welche mit einer am Magnetgehäuse (14) angeordneten Anlage (27) in Wirkverbindung treten kann, wobei zwischen dem Anschlag (11) und dem Druckfederanlagesteg (23) des Innenzylinders (18) eine Druckfeder (28) angeordnet ist.
- Diese Druckfeder (28) bewirkt, daß bei stromloser Magnetspule (16) der Ventilschieber (21) in seine Ausgangslage zurückgestellt wird.
- Erfindungsgemäß sind in der Kreisscheibe (19) des Ventilschiebers (21) Durchflussöffnungen (29) angeordnet.
- Diese Durchflussöffnungen (29) gewährleisten, das beidseitig der Kreisscheibe (19) des Ventilschieber (21) die selben Druckverhältnisse vorliegen, so daß ein Verschieben des Ventilschiebers durch den an diesem angeordneten Magnetanker (24) bei Stromzufuhr zur Magnetspule (16) möglich ist.
- Kennzeichnend ist auch, daß sich am Außenrand der Kreisscheibe (19) des Ventilschiebers (21), im Übergangsbereich zum Außenzylinder (20) eine Ringaufnahmenut (30) befindet, in der ein Kolbenring (31) angeordnet ist, welcher in der Innenwandung des Pumpengehäuses (1) entlang einer zylindrischen Gleitfläche (32) zwischen dem flügelradseitigen Endbereich des Magnetgehäuses (14) und der im Pumpengehäuse (1) angeordneten Pumpenspirale (33) verschiebbar ist.
- Diese erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet einerseits eine exakte Führung des Ventilschiebers (21) im Pumpengehäuse (1) und dient gleichzeitig der Abdichtung zwischen dem Schieberraum (dem Raum hinter dem Flügelrad (6)) und der Pumpenspirale (33) um Leckagen zu vermeiden.
- Im Arbeitsweg wird der maximale Hub des Ventilschiebers (21) durch den Arbeitsweg des Magnetankers (24) begrenzt. Aus der rückwandseitigen, durch die Einwirkung der Druckfeder (28) erzwungenen Endlage des Magnetankers (24), kann dieser bei Stromzufuhr zur Magnetspule (16) entlang seiner Lauffläche (25) im Hub so weit linear verfahren werden bis die Anschlagsfläche (26) des Magnetankers (24) an der Anlage (27) des Magnetgehäuses (14) zu liegen kommt.
- Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht somit, daß mittels der Variation der Stromzufuhr zur Magnetspule (16) der Ventilschieber (21) vom Magnetanker (24) verschoben wird, und dabei der linear entlang des Außenrandes des Flügelrades (6) verfahrbare Außenzylinder (20) des Ventilschiebers (21) den Öffnungsquerschnitt der Zuströmöffnung vom Flügelrad (6) in die Pumpenspirale (33) variiert, bzw. versperrt.
- Erfindungswesentlich ist auch, daß am freien Ende des an der Kreisscheibe (19) angeordneten Außenzylinders (20) eine Dichtkante (34) angeordnet ist.
- Diese zur "Abdichtung der Pumpenspirale (33)" dienende Dichtkante (34) reduziert dabei gleichzeitig auch die zum Abregeln, bzw. Absperren des Förderstromes erforderliche, am Ventilschieber (21) angreifende Magnetkraft.
- Kennzeichnend ist auch, daß sich im Bereich des Saugmundes (35) im Flügelrad (6) eine/mehrere Ausgleichsbohrungen (36) angeordnet ist/sind. Diese Ausgleichsbohrungen (36) ermöglichen den zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes zwingend erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom (40) hinter dem Flügelrad (6) über den Ringsspalt zwischen dem Außenrand des Flügelrades (6) und dem Außenzylinder (20) des Ventilschiebers (21) hin zu der/den Ausgleichsbohrung/en (36).
- Für eine anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist es hingegen kennzeichnend, daß zwischen dem flügelradseitigen Ende der Pumpenwelle (4) und dem Laufbereich des Radialwellendichtringes (8) in der
- Pumpenwelle (4) eine/mehrere Kühlmittelbohrungen (48) angeordnet sind.
- Auch diese Kühlmittelbohrung/en (48) ermöglichen den zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes (8) zwingend erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom über den Ringsspalt zwischen dem Außenrand des Flügelrades (6) und dem Außenzylinder (20) des Ventilschiebers (21) hin zu der/den in der Welle (2) angeordneten Kühlmittelbohrungen (48).
- Erfindungswesentlich ist auch, daß am Umfang des Innenzylinders (18) Stege (39) angeordnet sind. Diese Stege (39) ermöglichen eine linienförmige Führung des Ventilschiebers (21) am Innenumfang des Magnetgehäuses (14). Diese linienförmige Führung minimiert einerseits die Gleitreibung zwischen dem Innenzylinder (18) des Ventilschiebers (21) und dessen Führungsfläche vermindert und gleichzeitig bewirkt, daß Partikelverschmutzungen des Kühlmittels die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Ventilschiebers (21) nicht beeinträchtigen.
- Durch Pulsweitenmodulation der an der Magnetspule (16) anliegenden Spannung kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung der Hub des Ventilschiebers sowohl im Verschiebeweg, wie auch in der Öffnungszeit derart variiert werden, daß mittels der erfindungsgemäßen Lösung die Durchflußmenge, der Förderstrom, kontinuierlich in Abhängigkeit vom jeweiligen aktuellen Bedarf geregelt werden kann.
- Die erfindungsgemäße Lösung bewirkt einen hohen Pumpenwirkungsgrad, gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit bei minimiertem Fertigungs- und Montageaufwand und ermöglicht durch eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge eine allmähliche optimale Erwärmung des Motors. Mit der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung ist es zudem auch nach erfolgter Erwärmung des Motors möglich die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, daß im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission, die Reibungsverluste und auch der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.
- Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß das Flügelrad (6) auf der Pumpenwelle (4) drehfest und, zwischen einer am freien Ende der Pumpenwelle (4) angeordneten Laufradanlage (41) und einer keilriemenseitig dem Flügelrad (6) auf der Pumpenwelle (4) benachbart angeordneten Laufradhubbegrenzung (42), gleichzeitig linear verschiebbar angeordnet ist, und daß der Laufradhubbegrenzung (42) keilriemenseitig auf der Pumpenwelle (4) benachbart eine Ringscheibe (42), sowie an der Rückwand (44) des Flügelrades (6) ein mit seinem Innendurchmesser den Außenrand (45) der Ringscheibe (43) umschließender Ringsteg (46) angeordnet ist, wobei zwischen dem Boden (44) des Flügelrades (6) und der Ringscheibe (43) eine auf Druck beanspruchbare Feder (47) angeordnet ist.
- Diese besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung bewirkt, daß bei erhöhtem Druck, beispielsweise bei "geschlossenem" Ventilschieber (21) und/oder bei hohen Motordrehzahlen das Flügelrad (6) auf der Pumpenwelle (4) entgegen der Wirkung der Feder (47) verschoben wird.
- Der an der Rückwand (44) des Flügelrades (6) angeordnete, mit seinem Innendurchmesser den Außenrand (45) der Ringscheibe (43) umschließende Ringsteg (46) dient hierbei in jeder Arbeitsposition des Flügelrades (6) auf der Pumpenwelle (4) der Verringerung des Arbeitsdruckes zwischen der Ringscheibe (43) und dem der Ringscheibe (43) benachbarten Boden (44) des Flügelrades (6), und gewährleistet eine funktionssichere Verschiebung des Ventilschiebers (21) in Zusammenwirken mit dem jeweiligen Förderdruck des Flügelrades (6) in Abhängigkeit von der Federkraft der Feder (47).
- Infolge der Verschiebung des Ventilschiebers (21) wird der Spalt zwischen der Druckschräge (51) und der Deckebene (52) des Flügelrades (6) vergrößert und dadurch der Förderdruck abgeregelt.
- Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt in allen Arbeitsstellungen des erfindungsgemäßen Ventilschiebers (21) eine über die Federkraft der Feder (47) einstellbare Maximaldruckabsicherung im mittleren und/oder oberen Drehzahlbereich des Motors, so daß bei Einsatz dieser erfindungsgemäßen Lösung auch beispielsweise Schäden am Kühlsystem vermieden werden können die aus Druckspitzen resultieren.
- Darüber hinaus bewirkt diese in der Figur 5 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung im mittleren und/oder oberen Drehzahlbereich des Motors gleichzeitig eine deutliche Verringerung der Leistungsaufnahme und erhöht somit nochmals den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe.
- Gleichzeitig ermöglicht eine solche erfindungsgemäße Maximaldruckabsicherung eine Überdimensionierung des Flügelrades, so daß auch bei Leerlaufdrehzahlen in Verbindung mit einem überdimensionierten Flügelrad eine optimale Versorgung aller Motorbaugruppen gewährleistet werden kann.
- Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung in all ihren Bauformen, daß selbst bei gegenwärtig bereits gefertigten Motoren die hier vorgestellte erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe problemlos gegen bisher eingesetzte Kühlmittelpumpen ausgetauscht werden kann.
- Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen zur erfindungsgemäßen Lösung.
- Nachfolgend soll daher die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit sechs Figuren näher erläutert werden.
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- Figur 1 :
- die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt in der Seitenansicht mit der Darstellung der beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 (oben: vordere Endlage des Ventilschiebers, unten: hintere Endlage des Ventilschiebers);
- Figur 2 :
- den Ventilschieber 21 in einer räumlichen Darstellung;
- Figur 3 :
- die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt mit einer weiteren Kühlmittelaustrittsöffnung 37 in der Seitenansicht, wiederum mit der Darstellung der beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 (oben: vordere Endlage des Ventilschiebers, unten: hintere Endlage des Ventilschiebers);
- Figur 4 :
- die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt mit einer weiteren Kühlmittelaustrittsöffnung 37 und Ventilklappen 38 in der Seitenansicht ebenfalls mit der Darstellung der beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21, oben: vordere Endlage des Ventilschiebers; unten: hintere Endlage des Ventilschiebers;
- Figur 5 :
- die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe in einer weiteren Bauform mit der Zusatzfunktion "Maximaldruckabsicherung" im Schnitt;
- Figur 6 :
- eine Kennlinie des Ventilschieberhubes bei Förderstromregelung durch Pulsweitenmodulation;
- Figur 7 :
- eine Gegenüberstellung der Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Drehzahl des Flügelrades bei unterschiedlichen Wasserpumpenbauformen;
- Figur 8 :
- eine Gegenüberstellung des Druckverlaufes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Flügelrades bei unterschiedlichen Flügelradbauformen mit und ohne Druckabsicherung.
- In der Figur 1 ist die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt in der Seitenansicht mit den beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 dargestellt.
- Im Lagersitz 2 des Pumpengehäuses 1 ist ein Kugellager 3 angeordnet. In diesem Kugellager 3 ist die Pumpenwelle 4 frei drehbar gelagert. Auf einem der beiden freien Enden der Pumpenwelle 4 ist außerhalb des Pumpengehäuses drehfest eine Riemenscheibe 5 angeordnet. Auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle 4 ist innerhalb des Pumpengehäuses das Flügelrad 6 aufgepresst. Somit wird von der Drehzahl der Riemenscheibe 5 die Drehzahl des Flügelrades 6 vorgegeben.
- Flügelradseitig ist auf der Pumpenwelle 4, dem Kugellager 3 benachbart, ein Radial-Wellendichtring 8 angeordnet. Diese ist in einem Dichtungssitz 7 des Pumpengehäuses angeordnet.
- Durch den Einsatz eines Radial-Wellendichtringes 8 werden die Fertigungskosten gesenkt und gleichzeitig Dampfleckagen vermieden.
- Im Pumpengehäuse 1 ist ein den Dichtungssitz 7 und den Lagersitz 2 kreisringförmig umgebender Pumpeninnenraum angeordnet. Auf dessen Innenmantel 9 ist eine Federhülse 10 mit einem flügelradseitig angeordneten ringförmigen Anschlag 11 aufgepresst.
- Im Bereich des Außenmantels 12 des Pumpeninnenraumes wie auch im oberen Bereich der Rückwand 13 ist im Pumpengehäuse 1 ein Magnetgehäuse 14 mit einer zylinderförmigen Eisenrückschlussplatte 17 angeordnet, in dem eine mit einem der Stromversorgung dienenden Kabel 15 versehene Magnetspule 16 angeordnet ist. Im Ringspalt zwischen der Federhülse 10 und dem Magnetgehäuse 14 mit der Eisenrückschlussplatte 17 bzw. der Magnetspule 16 ist verschiebbar der Innenzylinder 18 eines Ventilschiebers 21 angeordnet. Dieser Ventilschieber besteht neben dem Innenzylinder 18 und einem mit seinem Innendurchmesser den Außendurchmesser des Flügelrades 6 geringfügig überragenden Außenzylinder 20 aus einer diese beiden zylinderförmigen Baugruppen miteinander verbindende Kreisscheibe 19.
- Am freien Ende des Innenzylinders 18 ist ein Aufnahmering 22, zur Aufnahme eines Magnetankers 24, mit einem Druckfederanlagesteg 23 angeordnet. Dieser im Aufnahmering 22 angeordnete Magnetanker 24 ist entlang einer am Innenmantel der Eisenrückschlussplatte 17 und dem keilriemenseitigen Bereich der Magnetspule 16 befindlichen Lauffläche 25 verschiebbar angeordnet.
- Der Magnetanker 24 ist mit einer Anschlagsfläche 26 versehen, welche mit einer am Magnetgehäuse 14 angeordneten Anlage 27 in Wirkverbindung treten kann. Zwischen dem Anschlag 11 und dem Druckfederanlagesteg 23 des Innenzylinders 18 ist eine Druckfeder 28 angeordnet.
- Bei stromloser Magnetspule 16 gewährleistet die Druckfeder 2, daß der Ventilschieber 21 in seine Ausgangslage zurückgestellt wird.
- In der Kreisscheibe 19 des Ventilschiebers 21 sind Durchflussöffnungen 29 angeordnet.
- Diese Durchflussöffnungen 29 gewährleisten, daß beidseitig der Kreisscheibe 19 des Ventilschieber 21 die selben Druckverhältnisse vorliegen, so daß ein Verschieben des Ventilschiebers mittels des Magnetankers 24 bei Stromzufuhr zur Magnetspule 16 möglich ist.
- Am Außenrand der Kreisscheibe 19 des Ventilschiebers 21, im Übergangsbereich zum Außenzylinder 20 ist eine Ringaufnahmenut 30 angeordnet. In dieser ist ein Kolbenring 31 angeordnet welcher in der Innenwandung des Pumpengehäuses 1 entlang einer zylindrischen Gleitfläche 32 zwischen dem flügelradseitigen Endbereich des Magnetgehäuses 14 und dem im Pumpengehäuse 1 angeordneten Übergangsbereich zur Pumpenspirale 33 verschiebbar ist.
- Mittels dieser erfindungsgemäßen Anordnung des Kolbenringes 31 wird die Abdichtung zwischen dem Schieberraum und der Pumpenspirale 33 gewährleistet, dadurch werden Leckagen vermieden und zudem wird gleichzeitig eine exakte Führung des Ventilschiebers 21 im Pumpengehäuse 1 bewirkt.
- Der maximale Hub des Ventilschiebers 21 wird durch den Arbeitsweg des Magnetankers 24 begrenzt. Dieser kann bei Stromzufuhr zur Magnetspule 16 entlang seiner Lauffläche 25 im Hub aus der rückwandseitigen, durch die Einwirkung der Druckfeder 28 erzwungenen Endlage des Magnetankers 24, linear so weit verfahren werden, daß die Anschlagsfläche 26 des Magnetankers 24 an der Anlage 27 des Magnetgehäuses 14 zu liegen kommt.
- Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es somit, daß mittels der Variation der Stromzufuhr zur Magnetspule 16 der Ventilschieber 21 vom Magnetanker 24 verschoben wird, so daß der linear entlang des Außenrandes des Flügelrades 6 verfahrbare Außenzylinder 20 des Ventilschiebers 21 den Öffnungsquerschnitt der Zuströmöffnung vom Flügelrad 6 in die Pumpenspirale 33 versperrt.
- Am freien Ende des an der Kreischeibe 19 angeordneten Außenzylinders 20 ist eine Dichtkante 34 angeordnet.
- Diese Dichtkante 34 ermöglicht ein Abregeln sowie ein völliges Absperren des Förderstromes bei minimierter am Ventilschieber 21 angreifender Magnetkraft.
- Im Bereich des Saugmundes 35 befinden sich im Flügelrad 6 drei Ausgleichsbohrungen 36. Diese Ausgleichsbohrungen 36 ermöglichen den zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes zwingend erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom 40 hinter dem Flügelrad 6 über den Ringsspalt zwischen dem Außenrand des Flügelrades 6 und dem Außenzylinder 20 des Ventilschiebers 21 hin zu den im Bereich des Saugmundes 35 angeordneten Ausgleichsbohrungen 36.
- Die obere Hälfte der Schnittdarstellung zeigt die vordere Endlagenstellung des Ventilschiebers. In dieser Endlagenstellung wird der Zufluss von Kühlmittel in die Pumpenspirale unterbunden, und die Fördermenge der Kühlmittelpumpe ist bei dieser Stellung des Ventilschiebers 21, bis auf Spaltströmungen, nahezu "0". Das im Flügelrad 6 befindliche Kühlmittel rotiert lediglich als "träge Masse" mit der Drehzahl des Flügelrades.
- Wird beispielsweise der Magnetstrom abgeschaltet, so drückt die Federkraft der Druckfeder 28 den Ventilschieber 21 in die, in der unteren Hälfte der Figur 1 dargestellte, hintere Endlagenstellung.
- In dieser Stellung ist der Zufluß vom Flügelrad 6 in die Pumpenspirale 33 vollständig geöffnet. Dieser Betriebszustand wird auch durch die erfindungsgemäße Lösung stets dann eingestellt, wenn beispielsweise Störungen bei der Stromversorgung der Magnetspule 16 eintreten.
- Durch Pulsweitenmodulation der an der Magnetspule 16 anliegenden Spannung kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung der Hub des Ventilschiebers sowohl im Verschiebeweg, wie auch in der Öffnungszeit derart variiert werden, daß die Durchflußmenge, der Förderstrom, kontinuierlich in Abhängigkeit vom jeweiligen aktuellen Bedarf geregelt werden kann.
- Auf das an sich bekannte Verfahren der Pulsweitenmodulation wird nachfolgend in Verbindung mit Figur 6 näher eingegangen.
- Die Figur 2 zeigt den Ventilschieber 21 mit seinem Innenzylinder 18 den Außenzylinder 20 und der diese beiden Bauteile miteinander verbindenden Kreisscheibe 19 mit den in dieser angeordneten Durchflussöffnungen 29 in einer räumlichen Darstellung. Am freien Ende des Außenzylinders 20 ist die Dichtkante 34 angeordnet. Im Bereich der Kreisscheibe 19 ist am Außenzylinder 20 die Ringaufnahmenut 30 angeordnet.
- Am freien Ende des Innenzylinders 18 ist außen der Aufnahmesteg 22 angeordnet. Im Innern des Innenzylinder 18 befindet sich der Druckfederanlagesteg 23.
- Die Figur 2 zeigt nun den Ventilschieber 21 in einer räumlichen Darstellung.
- Am Innenzylinder 18 ist mittels einer Kreisscheibe 19 der Außenzylinder 20 angeordnet.
- Am freien Ende des Innenzylinders 18 ist ein Aufnahmering 22 zur Aufnahme eines Magnetankers und ein Druckfederanlagesteg 23.
- In der Kreisscheibe 19 des Ventilschiebers 21 sind Durchflussöffnungen 29 angeordnet. Am Außenrand der Kreisscheibe 19 befindet sich im Außenzylinder 20 eine Ringaufnahmenut 30 zur Anordnung eines Kolbenringes Am freien Ende des Außenzylinders 20 ist eine Dichtkante 34 angeordnet. Der Umfang des Innenzylinders ist mit Stegen 39 versehen. Diese Stege 39 dienen einer linienförmige Führung des Ventilschiebers 21 am Innenumfang des Magnetgehäuses um einerseits die Gleitreibung zwischen dem Innenzylinder 18 des Ventilschiebers 21 an dessen Führungsfläche zu minimieren und um gleichzeitig die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Ventilschiebers 21 dadurch zu erhöhen, daß Partikelverschmutzungen des Kühlmittels die Verschiebung des Ventilschieber 21 nicht beeinträchtigen können.
- In der Figur 3 ist eine weitere Bauform der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer Riemenscheibe 5 im Schnitt in der Seitenansicht dargestellt. In dieser Ausführungsform ist im Pumpengehäuse 1 zusätzlich eine weitere Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordnet.
- Ebenso wie in der Figur 1 sind auch in dieser Figur 3 die beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 derart berücksichtigt, daß in der oberen Hälfte die vordere Endlage des Ventilschiebers 21 mit "abgeschieberter" Pumpenspirale 33 und in der unteren Hälfte die hintere Endlage des Ventilschiebers 21 mit vollständig geöffneter Pumpenspirale 33 dargestellt ist.
- Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht nun, daß in jeder Stellung des Ventilschiebers 21 die Spaltsströmung des Kühlwasservolumenstromes 40 zwischen dem Außenrand des Flügelrades 6 und dem Außenzylinder 20 des Ventilschiebers 21 und der am Außenzylinder 20 angeordneten Dichtkante 34 nicht nur, wie bereits in der Figur 1 erläutert, in Verbindung mit dem in der Nähe des Saugmundes 35 angeordneten Ausgleichsbohrungen 36 der Kühlung des Radial- Wellendichtringes 8 dienen kann, sondern daß gleichzeitig ein Teil dieser vg. Spaltsströmung durch die im Ventilschieber 21 angeordneten Durchflussöffnungen 29 hindurch über die Kühlmittelaustrittöffnung 37 bei laufendem Motor zur Versorgung weiterer Verbraucher genutzt werden kann.
- Somit kann mittels dieser in der Figur 3 vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung beispielsweise der Einsatz von zusätzlichen elektrischen Hilfspumpen im Kühlkreislauf entfallen, welche mit einer geringen Leistung von etwa 10 Liter/Minute und einem Druck von ca. 0,1 bar beispielsweise die Versorgung des Heizungskreislaufes übernehmen können.
- In der Figur 4 ist eine Weiterentwicklung der Bauform der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe mit einer Riemenscheibe 5 aus der Figur 3 in der Seitenansicht im Schnitt dargestellt. Auch in dieser Ausführungsform ist im Pumpengehäuse 1 eine zusätzliche Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordnet.
- Ebenso wie in der Figur 3 sind auch in dieser Darstellung die beiden möglichen Endlagen des Ventilschiebers 21 derart berücksichtigt, daß in der oberen Hälfte der zeichnerischen Darstellung die vordere Endlage des Ventilschiebers 21 mit "abgeschieberter" Pumpenspirale 33 und in der unteren Hälfte der zeichnerischen Darstellung die hintere Endlage des Ventilschiebers 21 mit vollständig geöffneter Pumpenspirale 33 dargestellt sind.
- Die erfindungsgemäße Lösung mit den an den Durchflussöffnungen 29 der Kreisscheibe 19 wie auch am Zufluss zur Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordneten Ventilklappen 38 ermöglicht nun, daß wie bereits in Verbindung mit Figur 1 erläutert, in jeder Stellung des Ventilschiebers 21 die Spaltsströmung des Kühlwasservolumenstromes 40, zwischen dem Außenrand des Flügelrades 6 und dem Außenzylinder 20 des Ventilschieber 21 und den in der Nähe des Saugmundes 35 angeordneten Ausgleichsbohrungen 36, zur Kühlung des Radial- Wellendichtringes 8 genutzt werden kann.
- Gleichzeitig ermöglicht diese Lösung, gemäß der Figur 4, ebenso wie bereits in Verbindung mit Figur 3 erläutert, daß ein Teil dieser vg. Spaltsströmung durch die im Ventilschieber 21 angeordneten Durchflussöffnungen 29 hindurch über die Kühlmittelaustrittöffnung 37 bei laufendem Motor zur Versorgung weiterer Verbraucher verwendet werden kann.
- Infolge der erfindungsgemäßen Anordnung der an den Durchflussöffnungen 29 der Kreisscheibe 19 wie auch am Zufluss zur Kühlmittelaustrittsöffnung 37 angeordneten Ventilklappen 38 ermöglicht nun diese in der Figur 4 vorgestellte Lösung, daß selbst bei Motorstillstand mittels Hubbewegungen des Ventilschiebers 21, in Verbindung mit dem dabei zwangsläufig auftretenden Ventilspiel, ein wie in der Figur 4 dargestellter Kühlmittelvolumenstrom 40 erzeugt werden kann, welcher selbst bei Motorstillstand etwa 10 Liter/Minute bei einem Druck von ca. 0,1 bar zu Fördern vermag, und beispielsweise an Stelle von elektrischen Hilfspumpen auch zur Beseitigung der Nachhitze des Motors eingesetzt werden kann.
- Die in der Figur 5 im Schnitt dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung mit "Maximaldruckabsicherung" zeichnet sich dadurch aus, daß das Flügelrad 6 auf der Pumpenwelle 4 drehfest und, zwischen einer am freien Ende der Pumpenwelle 4 angeordneten Laufradanlage 41 und einer keilriemenseitig dem Flügelrad 6 auf der Pumpenwelle 4 benachbart angeordneten Laufradhubbegrenzung 42, gleichzeitig linear verschiebbar angeordnet ist.
- Um eine optimale Verschiebbarkeit des Flügelrades zu gewährleisten, ist das Flügelrad 6 auf der Pumpenwelle 4 mittels einer Gleithülse 49 verschiebbar gelagert.
- Auf der Pumpenwelle 4 ist keilriemenseitig, der als Ringscheibenhülse ausgeführten Laufradhubbegrenzung 42 benachbart, die Ringscheibe 42 angeordnet.
- Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist besonders vorteilhaft, da sie bei erhöhtem Druck, beispielsweise bei "geschlossenem" Ventilschieber 21 und/oder bei hohen Motordrehzahlen bewirkt, daß das Flügelrad 6 auf der Pumpenwelle 4 entgegen der Wirkung der Feder 47 verschoben wird.
- Um diese Funktion zu gewährleisten ist an der Rückwand 44 des Flügelrades 6 ein mit seinem Innendurchmesser den Außenrand 45 der Ringscheibe 43 umschließende Ringsteg 46 und zwischen dem Boden 44 des Flügelrades 6 und der Ringscheibe 43 eine auf Druck beanspruchbare Feder 47, im vorliegenden Ausführungsbeispiel z.B. eine Sternfeder angeordnet.
- Der Ringsteg 46 gewährleistet im Zusammenwirken mit der Ringscheibe 43 in jeder Arbeitsposition des Flügelrades 6 auf der Pumpenwelle 4 einen reduzierten Arbeitsdruck zwischen der Ringscheibe 43 und dem benachbarten Boden 44 des Flügelrades 6, so daß (bei vorgegebener Federhärte der Feder 47) eine allein vom jeweiligen Förderdruck des Flügelrades 6 abhängige funktionssichere Verschiebung des Ventilschiebers 21 realisiert werden kann.
- Infolge dieser Verschiebung des Ventilschiebers 21 wird der Spalt zwischen der Druckschräge 51 und der Deckebene 52 des Flügelrades 6 vergrößert und dadurch der maximale Förderdruck der Kühlmittelpumpe abgeregelt.
- Diese erfindungsgemäße Anordnung bewirkt in allen Arbeitsstellungen des erfindungsgemäßen Ventilschiebers 21 eine über die Federkraft der Feder 47 einstellbare Maximaldruckabsicherung im mittleren und/oder oberen Drehzahlbereich, so daß bei Einsatz dieser erfindungsgemäßen Lösung auch beispielsweise solche, aus Druckspitzen resultierende Schäden am Kühlsystem vermieden werden können.
- Darüber hinaus bewirkt diese besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung im mittleren und/oder oberen Drehzahlbereich des Motors in allen Arbeitsstellungen des erfindungsgemäßen Ventilschiebers 21 zudem eine deutliche Verringerung der Leistungsaufnahme und erhöht somit auch den Wirkungsgrad der Kühlmittelpumpe.
- Gleichzeitig ermöglicht die in diesem Ausführungsbeispiel vorgestellte erfindungsgemäße Maximaldruckabsicherung eine Überdimensionierung des Flügelrades, so daß auch bei Leerlaufdrehzahlen in Verbindung mit einem überdimensionierten Flügelrad eine optimale Versorgung aller Motorbaugruppen gewährleistet ist.
- Zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes sind in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem flügelradseitigen Ende der Pumpenwelle (4) und dem Laufbereich des Radialwellendichtringes (8) in der Pumpenwelle (4) mehrere Kühlmittelbohrungen (48) angeordnet, welche den zur Kühlung des Radial-Wellendichtringes zwingend erforderlichen Kühlmittelvolumenstrom über den Ringsspalt zwischen dem Außenrand des Flügelrades (6) und dem Außenzylinder (20) des Ventilschiebers (21) hin zu den in der Welle (2) angeordneten Kühlmittelbohrungen (48) ermöglichen.
- Die erfindungsgemäßen, in den Figuren 1, 3, 4 und 5 vorgestellten Bauformen der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe zeichnen sich darüber hinaus durch einen minimalen Fertigungs- und Montageaufwand aus und ermöglichten auf Grund ihres geringen Bauvolumens selbst bei gegenwärtig bereits gefertigten Motoren den Austausch gegen bisher eingesetzte beispielsweise nicht regelbare Kühlmittelpumpen.
- Die Figur 6 zeigt die Kennlinie des Ventilschieberhubes bei Förderstromregelung durch Pulsweitenmodulation. Die Spannung wird zum Zeitpunkt I ein- und zum Zeitpunkt II ausgeschaltet.
- Nach dem Einschalten der Spannung beginnt nach einer Todzeit "A" der Ventilschieber seinen Verfahrweg.
- Auch nach dem Ausschalten der Spannung bedarf es einer Verharrzeit B bis der Ventilschieber infolge der auf diesen einwirkenden Kraft der Druckfeder wieder zurückfährt.
- Somit können bei konstanter Pulsfrequenz durch die Variation der Pulsbreite die Schieberhübe und die Schieberöffnungszeiten derart variiert werden, daß eine aktive stufenlose Steuerung der Kühlmittelfördermenge möglich ist, so daß der Kühlmittelförderstrom, kontinuierlich in Abhängigkeit vom jeweiligen aktuellen Bedarf geregelt werden kann, um einerseits eine allmähliche optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und gleichzeitig nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, daß im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.
- In der Figur 7 ist die Leistungsaufnahme unterschiedlich geregelter Kühlmittelpumpen in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl im Vergleich zu einer Pumpe nach der erfindungsgemäßen Lösung mit und ohne Druckabsicherung dargestellt.
- Die Kurve 1 zeigt die Leistungsaufnahme einer nicht geregelten Kühlmittelpumpe.
- In der Kurve 2 ist die Leistungsaufnahme einer nicht geregelten Kühlmittelpumpe bei geschlossenem externen Ventil.
- Die Kurve 3 zeigt die Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe mit integriertem Ventilschieber.
- In der Kurve 4 ist die Leistungsaufnahme einer ON/OFF-Kühlmittelpumpe mit entkoppelten Flügelrad dargestellt.
- Die Kurve 5 zeigt nun den Verlauf der Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe mit integriertem Ventilschieber und zusätzlich angeordneter erfindungsgemäßer Maximaldruckabsicherung (siehe hierzu auch Figur 5).
- Die Gegenüberstellung der einzelnen Verläufe der Antriebsleistung in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl zeigt deutlich, daß mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine wesentliche Reduzierung der Antriebsleistung und damit eine deutliche Steigerung des Pumpenwirkungsgrades erreicht werden kann. Mittels der zusätzlichen Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur "Maximaldruckabsicherung" (siehe hierzu Figur 5) können im oberen Drehzahlbereich die vorteilhaften erfindungsgemäßen Wirkung nochmals deutlich verbessert werden.
- Die Figur 8 zeigt eine Gegenüberstellung des Druckverlaufes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Flügelrades bei unterschiedlichen Flügelradbauformen mit und ohne Druckabsicherung.
- Die Kurve I zeigt dabei den Verlauf des Förderdruckes über der Drehzahl bei einer Kühlmittelpumpe mit überdimensioniertem Flügelrad.
- Der aus der Kurve I abzweigende Verlauf I.1 zeigt den Verlauf des Förderdruckes über der Drehzahl bei einer Kühlmittelpumpe mit überdimensioniertem Flügelrad und integrierter, erfindungsgemäßer "Maximaldruckabsicherung" (vergleiche hierzu Figur 5).
- Die Kurve II zeigt den Verlauf des Förderdruckes über der Drehzahl bei einer Kühlmittelpumpe mit konventionellem Flügelrad.
- Der aus dieser Kurve I abzweigende Verlauf 11.1 zeigt den Verlauf des Förderdruckes über der Drehzahl bei einer Kühlmittelpumpe mit konventionellem Flügelrad und integrierter, erfindungsgemäßer "Maximaldruckabsicherung".
- Diese Gegenüberstellung der unterschiedlichen Kurvenverläufe in Figur 8 zeigt, daß durch die Integration einer erfindungsgemäßen Maximaldruckabsicherung (siehe hierzu Figur 5) eine Überdimensionierung des Flügelrades möglich wird, so daß in Verbindung mit einem entsprechend überdimensionierten Flügelrad, selbst bei Leerlaufdrehzahlen, durch die erfindungsgemäße Maximaldruckabsicherung die Kühlmittelversorgung der Motorbaugruppen optimal gewährleistet werden kann.
-
- 1
- Pumpengehäuse
- 2
- Lagersitz
- 3
- Kugellager
- 4
- Pumpenwelle
- 5
- Riemenscheibe
- 6
- Flügelrad
- 7
- Dichtungssitz
- 8
- Radial-Wellendichtring
- 9
- Innenmantel
- 10
- Federhülse
- 11
- Anschlag
- 12
- Außenmantel
- 13
- Rückwand
- 14
- Magnetgehäuse
- 15
- Kabel
- 16
- Magnetspule
- 17
- Eisenrückschlußplatte
- 18
- Innenzylinder
- 19
- Kreisscheibe
- 20
- Außenzylinder
- 21
- Ventilschieber
- 22
- Aufnahmesteg
- 23
- Druckfederanlagesteg
- 24
- Magnetanker
- 25
- Lauffläche
- 26
- Anschlagsfläche
- 27
- Anlage
- 28
- Druckfeder
- 29
- Durchflussöffnung
- 30
- Ringaufnahmenut
- 31
- Kolbenring
- 32
- Gleitfläche
- 33
- Pumpenspirale
- 34
- Dichtkante
- 35
- Saugmund
- 36
- Ausgleichsbohrung
- 37
- Kühlmittelaustrittsöffnung
- 38
- Ventilklappe
- 39
- Stege
- 40
- Kühlmittelvolumenstrom
- 41
- Laufradanlage
- 42
- Laufradhubbegrenzung
- 43
- Ringscheibe
- 44
- Boden
- 45
- Außenrand
- 46
- Ringsteg
- 47
- Feder
- 48
- Kühlmittelbohrung
- 49
- Gleithülse
- 50
- Motorgehäuse
- 51
- Druckschräge
- 52
- Deckebene
Claims (9)
- Regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1) und einem im Pumpengehäuse (1) angeordneten Lagersitz (2) in welchem ein Kugellager (3) angeordnet ist in dem frei drehbar eine Pumpenwelle (4) gelagert ist, wobei auf einem freien Ende der Pumpenwelle (4) drehfest eine Riemenscheibe (5) und auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle (4) drehfest ein Flügelrad (6) angeordnet ist, und auf der Pumpenwelle (4) flügelradseitig dem Kugellager (3) benachbart ein Radial-Wellendichtring (8) angeordnet ist welcher im Pumpengehäuse (1) in einem Dichtungssitz (7) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Pumpengehäuse (1) ein den Dichtungssitz (8) und ein den Lagersitz (2) kreisringförmig umgebender Pumpeninnenraum angeordnet ist auf dessen Innenmantel (9) eine Federhülse (10) mit einem flügelradseitigen Anschlag (11) aufgepresst ist, im Bereich des Außenmantels (12) und im Bereich der oberen Rückwand (13) des kreisringförmigen Pumpeninnenraumes des Pumpengehäuse (1) ist ein Magnetgehäuse (14) mit einer zylinderförmigen Eisenrückschlussplatte (17) und einer in dieser angeordneten, mit einem Kabel (15) versehenen Magnetspule (16) angeordnet, im Ringspalt zwischen der Federhülse (10) und der Magnetspule (16) bzw. den dieser zugeordneten Baugruppen wie Magnetgehäuse (14) und Eisenrückschlussplatte (17) ist der Innenzylinder (18) eines Ventilschieber (21) angeordnet, welcher neben dem Innenzylinder (18) aus einem, mit seinem Innendurchmesser den Außendurchmesser des Flügelrades (6) geringfügig überragenden Außenzylinder (20) und einer diese beiden Bauteile miteinander verbindenden Kreisscheibe (19) besteht, am freien Ende des Innenzylinders (18) ist ein Aufnahmering (22) mit einem Druckfederanlagesteg (23) zur Aufnahme eines Magnetankers (24) angeordnet, welcher entlang einer am Innenring der Eisenrückschlussplatte (17) und dem hinteren Bereich der Magnetspule (16) angeordneten Lauffläche (25) verschiebbar derart angeordnet ist, daß der Außenzylinder (20) des Ventilschiebers (21) entlang der äußeren Breite des Flügelrades (6) verschoben werden kann, wobei der Magnetanker (24) ist mit einer Anschlagsfläche (26) versehen ist, welche mit einer an Magnetgehäuse (14) angeordneten Anlage (27) in Wirkverbindung treten kann, zwischen dem Anschlag (11) und dem Druckfederanlagesteg (23) des Innenzylinders (18) des Ventilschiebers (21) ist eine Druckfeder (28) angeordnet, in der Kreisscheibe (19) des Ventilschiebers (21) sind Durchflussöffnungen (29) angeordnet, am Außenrand der Kreisscheibe (19) befindet sich eine Ringaufnahmenut (30), in welcher ein Kolbenring (31) angeordnet ist, der entlang einer zylindrischen Gleitfläche (32) zwischen dem flügelradseitigen Endbereich der Magnetgehäuse (14) und der im Pumpengehäuse (1) angeordneten Pumpenspirale (33) entlang der Innenwandung des Pumpengehäuses (1) verschiebbar ist, am freien Ende des an der Kreischeibe (19) angeordneten Außenzylinders (20) ist eine Dichtkante (34) angeordnet.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (6) auf der Pumpenwelle (4) drehfest und, zwischen einer am freien Ende der Pumpenwelle (4) angeordneten Laufradanlage (41) und einer keilriemenseitig dem Flügelrad (6) auf der Pumpenwelle (4) benachbart angeordneten Laufradhubbegrenzung (42), gleichzeitig linear verschiebbar angeordnet ist, und daß der Laufradhubbegrenzung (42) keilriemenseitig auf der Pumpenwelle (4) benachbart eine Ringscheibe (42), sowie an der Rückwand (44) des Flügelrades (6) ein mit seinem Innendurchmesser den Außenrand (45) der Ringscheibe (43) umschließender Ringsteg (46) angeordnet ist, wobei zwischen dem Boden (44) des Flügelrades (6) und der Ringscheibe (43) eine auf Druck beanspruchbare Feder (47) angeordnet ist.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Saugmundes (35) am Flügelrad (6) ein oder mehrere Ausgleichsbohrungen (36) angeordnet sind.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem flügelradseitigen Ende der Pumpenwelle (4) und dem Laufbereich des Radialwellendichtringes (8) in der Pumpenwelle (4) eine/mehrere Kühlmittelbohrungen (48) angeordnet sind.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (6) auf der Pumpenwelle (4) mittels einer Gleithülse (49) verschiebbar gelagert ist.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Innenzylinders (18) des Ventilschiebers (21) Stege (39) angeordnet sind.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Ventilschiebers (21) durch Pulsweitenmodulation der an der Magnetspule (16) anliegenden Spannung gesteuert wird.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnetankerseitig neben der Gleitfläche (31) eine zusätzliche Kühlmittelaustrittsöffnung (37) am Pumpengehäuse (1) angeordnet ist.
- Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Durchflussöffnungen (29) der Kreisscheibe (19) wie auch am Zufluß zur Kühlmittelaustrittsöffnung (37) Ventilklappen (38) angeordnet sind.
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Kind code of ref document: A3 Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR |
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AX | Request for extension of the european patent |
Extension state: AL BA HR LV MK YU |
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RIC1 | Information provided on ipc code assigned before grant |
Ipc: F04D 15/00 20060101AFI20130326BHEP |
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17P | Request for examination filed |
Effective date: 20130524 |
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17Q | First examination report despatched |
Effective date: 20130717 |
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AKX | Designation fees paid |
Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR |
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GRAP | Despatch of communication of intention to grant a patent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1 |
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INTG | Intention to grant announced |
Effective date: 20160527 |
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STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN |
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18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 20161007 |