EP2274519B1

EP2274519B1 - Regelbare kühlmittelpumpe und verfahren zu deren regelung

Info

Publication number: EP2274519B1
Application number: EP09745442.5A
Authority: EP
Inventors: Eugen Schmidt; Franz Pawellek
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2008-05-10
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2029-05-07
Also published as: JP5582653B2; BRPI0911953A2; EP2274519A1; CN102027239A; US20110188987A1; DE102008022354B4; JP2011520061A; CN102027239B; DE102008022354A1; US8628295B2; WO2009138058A1

Description

Die Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe und ein Verfahren zur Regelung dieser über eine Riemenscheibe angetrieben regelbaren Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore.
Im Zuge der stetigen Optimierung von Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emission und Kraftstoffverbrauch ist es wichtig den Motor nach dem Kaltstart möglichst schnell auf die Betriebstemperatur zu bringen.
Dadurch werden sowohl die Reibungsverluste minimiert (mit zunehmender Öltemperatur sinkt Viskosität des Motoröls und damit die Reibung an allen ölgeschmierten Bauteilen), zugleich die Emissionswerte reduziert (da erst nach der sogenannten "Anspringtemperatur" die Katalysatoren wirksam werden, beeinflusst der Zeitraum bis zum Erreichen dieser Temperatur wesentlich die Abgasemission) und auch der Kraftstoffverbrauch deutlich verringert. Versuchsreihen in der Motorentwicklung haben gezeigt, dass eine sehr wirksame Maßnahme zur Motorerwärmung das "stehende Wasser" oder die "Null-Leckage" während der Kaltstartphase ist.
Dabei sollte, um die Abgastemperatur so schnell wie möglich auf das gewünschte Niveau zu bringen, während der Kaltstartphase der Zylinderkopf keinesfalls von Kühlmittel durchströmt werden.
Von Fahrzeugherstellern werden in diesem Zusammenhang Leckageströme von weniger als 0,5 l/h ("Null-Leckage") gewünscht.
Die Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen haben zudem 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.
Im Stand der Technik werden daher auch von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors über Riemenscheiben angetrieben regelbare Kühlmittelpumpen vorbeschrieben bei denen das Flügelrad schaltbar (beispielsweise über eine Reibpaarung) von Pumpenwelle angetrieben wird. Mit derartigen Kühlmittelpumpen kann eine einfache Zweipunktregelung realisiert werden mittels der die Kühlleistung der Kühlmittelpumpen variiert werden kann.
Um zunächst eine kurzfristigere Motorerwärmung zu ermöglichen, wird mittels dieser Bauformen der Antrieb der Kühlmittelpumpe beim Kaltstart des Motors ausgekuppelt.
Hat dann der Motor seine Betriebstemperatur erreicht, wird die jeweilige Reibkupplung (mit den dieser Kupplungsbauform eigenen funktionsbedingten Verschleißproblemen) aktiviert, d.h. der Antrieb der Kühlmittelpumpe eingeschaltet.
Dadurch werden sofort große Mengen des noch kalten Kühlmittels in den auf die Betriebstemperatur erwärmten Motor gepumpt, so dass sich dieser zwangsläufig wieder sofort stark abgekühlt.
Dadurch werden die erwünschten Vorzüge einer schnellen Erwärmung des Motors jedoch schon teilweise wieder kompensiert.
Zudem sind infolge der erforderlichen Massenbeschleunigung beim Wiedereinschalten, insbesondere bei größeren Kühlmittelpumpen sehr hohe Drehmomente zu überwinden, welche zwangsläufig eine hohe Bauteilbelastung zur Folge haben.
Von der Anmelderin wurden daher sowohl in der DE 10 2005 004 315 B4 wie auch in der DE 10 2005 062 200 B3 zwei zwischenzeitlich bewährte Lösungen vorgestellt, welche eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge ermöglichen, um einerseits durch "Null-Leckage" eine optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und um andererseits nach der Erwärmung des Motors (d.h. im "Dauerbetrieb") die Motortemperatur so zu beeinflussen, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und zudem gleichzeitig auch der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.
Bei diesen Lösungen ist im Pumpengehäuse ein jeweils in Richtung der Wellenachse der Pumpenwelle verschiebbar gelagerter, ringförmig ausgebildeter Ventilschieber mit einem den Ausströmbereich des Flügelrades variabel überdeckenden Außenzylinder angeordnet, welcher entgegen der Federkraft von Rückholfedern entweder wie in der Lösung nach der DE 10 2005 004 315 B4 vorgeschlagen, elektromagnetisch, d.h. mit Hilfe einer im Pumpengehäuse angeordneten Magnetspule, welche auf einen mit dem Ventilschieber starr verbundenen Magnetanker einwirkt, oder wie in der DE 10 2005 062 200 B3 vorgeschlagen, mittels eines pneumatisch oder hydraulisch betätigten Aktuators (welcher hydraulisch auf am Ventilschieber starr angeordnete, im Pumpengehäuse geführte Kolbenstangen einwirkt) linear verschoben werden kann.
Diese Anordnung eines geführten, linear verschiebbaren, den Ausströmbereich des Flügelrades variabel überdeckenden Ventilschiebers ist eine sehr kompakte, einfache und robuste Lösung, welche eine hohe Betriebssicherheit und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.
Der Nachteil dieser Lösungen resultiert jedoch (in Verbindung mit dem oftmals stark begrenzten Einbauraum für die Kühlmittelpumpen im Motorraum der Kraftfahrzeuge) aus dem zwingend erforderlichen, relativ großen "Bauraum" entweder für die Magnetspule bzw. die hydraulischen bzw. pneumatischen Aktuatoren und deren Anschlussleitungen.
In der DE 10 2006 034 960 B4 wurde zudem eine Kühlmittelpumpe mit einem (analog zur DE 10 2005 004 315 B4 ) elektromagnetisch, oder auch einem über Getriebeglieder mittels Stellmotor verstellbaren Ventilschieber vorgestellt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Bauform besteht darin, dass mit dieser in der DE10 2006 034 960 B4 vorgestellten Lösung eine der "Null-Leckage" bzw. "Null-Förderung" nicht realisiert werden kann, da die einerseits vorgeschlagenen kleinen Spaltdichtungen dennoch Leckagen ermöglichen und die andererseits in Verbindung mit Figur 4 beschriebene Abdichtung über "mitlaufende" O-Ringe nicht zuverlässig ist, da die hohe Relativgeschwindigkeit zwischen rotierendem O-Ring und stehendem Gehäuse unweigerlich zur Zerstörung des O-Ringes im Betriebseinsatz führt.
Auch erfordern beide vg. Bauformen der DE 10 2006 034 960 B4 , wie bereits erläutert, wiederum einerseits in der elektromagnetischen Variante für die Magnetspule, aber auch andererseits in der "getriebetechnischen" Variante für den Stellmotor einen relativ großen "Bauraum".
Da die elektromagnetische Variante das Pumpengehäuse mit in den Magnetkreis einbezieht, muss die Konstruktion zwangsläufig für jede Bauform und Baugröße, d.h. für jede Motorapplikation neu überarbeitet und konstruktiv angepasst werden.
Ein weiterer Nachteil des in der DE 10 2006 034 960 B4 vorgeschlagenen elektromagnetischen Direktantriebes für der Ventilschieber besteht darin, dass dieser aufgrund Bauraumrestriktionen in Verbindung mit dem / bzw. in Folge des großen Anfangsluftspaltes nur bedingt, d.h mit eingeschränkter Zuverlässigkeit genügend Kraft / Hub für eine sichere Betätigung des Ventilschiebers aufbringen kann.
Darüber hinaus sind die Fertigung und die Montage der in der DE 10 2005 004 315 B4 , der DE 10 2005 062 200 B3 wie auch der in der DE 10 2006 034 960 B4 vorgestellten Bauformen sehr kostenintensiv und nicht standardisierbar, da wie bereits erläutert, die meisten Funktionsbaugruppen der vg. Lösungen für jede Pumpenbaugröße nach unterschiedlichen Konstruktionszeichnungen separat angefertigt werden müssen.
Dabei erfordert die in der DE 10 2005 062 200 B3 vorgestellte Lösung zudem eine werkseitige luftfreie Befüllung.
Eine weitere Bauform einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe wurde in der DE 197 09 484 A1 vorgestellt. Bei dieser Lösung wird ein Bypass durch Vergrößerung des Spaltes zwischen offenem Flügelrad und Gehäuse erzeugt. Dieser Spalt kann mittels eines Elektromagneten bei der Lösung in der DE 197 09 484 A1 vorgeschlagenen Lösung variiert werden, wobei zugehörige die Ansteuerung des Elektromagneten mittels einer impulsbreitenmodulierten Spannung erfolgt.
Auch diese Lösung weist wiederum wesentliche Nachteile auf, welche unter anderem darin bestehen, dass mit der in der DE 197 09 484 A1 vorgeschlagenen Lösung keinesfalls eine "Null-Leckage" d.h. eine Null - Fördermenge realisiert werden kann und dass zudem selbst bei geöffneten Bypass die Leistungsaufnahme der Pumpe nicht nennenswert zurückgeht (bei offenem Bypass sinkt zwar der Gegendruck der Pumpe - doch der Volumenstrom nimmt zu), d.h. dass mit dieser Lösung nur ein schlechter Wirkungsgrad realisiert werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine regelbare Kühlmittelpumpe und ein Verfahren zur Regelung dieser über eine Riemenscheibe angetrieben regelbaren Kühlmittelpumpe (mit Ventilschieber) für Verbrennungsmotore zu entwickeln, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt, dabei einerseits durch "Null-Leckage" eine optimale Erwärmung des Motors gewährleistet und zudem andererseits nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb so exakt zu beeinflussen vermag, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können, und die zudem selbst bei sehr stark begrenzten Einbauraum für die Kühlmittelpumpe im Motorraum und bei sehr geringer Antriebsleistung dennoch eine zuverlässige Betätigung des Ventilschiebers ermöglicht, sowie selbst bei Ausfall der Regelung ein Weiterfunktionieren der Kühlmittelpumpe (Fail-safe) gewährleistet, sich darüber hinaus durch eine fertigungs- und montagetechnisch sehr einfache, kostengünstige, für unterschiedliche Pumpenbaugrößen "standardisierbare" optimal den im Motorraum vorhandenen Bauraum ausnutzende Bauform auszeichnet, dabei keine werkseitige luftfreie Befüllung erfordert, zudem stets eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit bei hohem Wirkungsgrad gewährleistet und darüber hinaus eine einfache und kostengünstige Einbindung ins Motormanagement ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung einer über eine Riemenscheibe angetrieben Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche der Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit einer Zeichnung zur erfindungsgemäßen Lösung.
In der Figur 1 ist die erfindungsgemäßen, regelbaren Kühlmittelpumpe in der Seitenansicht im Schnitt, mit der Stellung des Ventilschiebers in seiner hinteren Endlage (d.h. in der Arbeitsstellung "OFFEN") dargestellt.
Bei dieser Bauform ist an einem Pumpengehäuse 1, in einem Pumpenlager 2 eine von einer Riemenscheibe 3 angetriebene Pumpenwelle 4 mit einem auf einem freien, strömungsseitigen Ende dieser Pumpenwelle 4 drehfest angeordneten Flügelrad 5 angeordnet.
Zudem ist im Pumpeninnenraum 8 ein druckbetätigter, durch eine Rückstellfeder 6 federbelasteter Ventilschieber mit einer Rückwand 7 und einem den Ausströmbereich des Flügelrades 5 variabel überdeckenden Außenzylinder 9 angeordnet.
Im Pumpengehäuse 1 ist zwischen dem Flügelrad 5 und dem Pumpenlager 2 in einer Dichtungsaufnahme 10 ein Wellendichtring 11 angeordnet.
Erfindungsgemäß ist am Pumpengehäuse 1 ein Arbeitsgehäuse 12 und an diesem das Gehäuse eines elektromagnetischen Aktuators 13 angeordnet, wobei im Arbeitsgehäuse 12 eine Arbeitshülse 14 angeordnet ist. Dieser ist pumpenwellenseitig im Arbeitsgehäuse 12 eine Druckkammer 15 benachbart die über einem Druckkanal 16 in einen Ringkanal 17 mündet, welcher in einer der Dichtungsaufnahme 10 flügelradseitig gegenüberliegend im Pumpengehäuse 1 angeordneten Hülsenaufnahme 18, rotationssymmetrisch zur Drehachse der Pumpenwelle 4, eingearbeitet ist.
Vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, wenn das Gehäuse des Aktuators 13 und die Arbeitshülse 14 aus einem Stück gefertigt sind.
Erfindungswesentlich ist auch, dass in der Hülsenaufnahme 18 eine Ringkolbenarbeitshülse 19 mit einem Dichtsteg 20 und einem Boden 21 angeordnet ist in welcher die Pumpenwelle 4 frei dreht.
In der Außenwandung 22 der Ringkolbenarbeitshülse 19 sind nahe dem Boden 21 Durchströmöffnungen 23 zum Ringkanal 18 angeordnet.
Am flügelradseitigem Ende der Ringkolbenarbeitshülse 19 ist auf der die Außenwandung 22 der Ringkolbenarbeitshülse 19 deutlich überragenden Innenwandung 24 der Ringkolbenarbeitshülse 19 eine Lagesicherungshülse 25 mit einer starr an dieser angeordneten Wandscheibe 26 kraftschlüssig befestigt.
Kennzeichnend ist auch, dass vom Boden 21 der Ringkolbenarbeitshülse 19 etwa um den Durchmesser der Durchströmöffnungen 23 beabstandet, verschiebbar in der Ringkolbenarbeitshülse 19, ein Profildichtring 27 angeordnet ist. Dieser ist flügelradseitig formschlüssig mit einem mit einer Steganlage 28 versehenen Ringkolben 29 verbunden. Am Ringkolben 29 ist in dessen flügelradseitigem Endbereich formschlüssig die Rückwand 7 des Ventilschiebers angeordnet.
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn der Profildichtring 27 in eine zugeordnete und am Ringkolben 29 angeordnete Mitnahmenut eingeknüpft ist. Vorteilhaft ist aber auch, wenn zwischen dem Dichtsteg 20 und dem Pumpengehäuse 1 ein Dichtring angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist die Rückstellfeder 6 zwischen der Wandscheibe 26 und der am Ringkolben 29 anliegenden Rückwand 7 des Ventilschiebers angeordnet.
Kennzeichnend ist weiterhin, dass am Außenrand der Wandscheibe 26 eine Bypassdichtung 30 mit einer Elastomerdichtlippe angeordnet ist, welche bei "geschlossenem" Ventilschieber einen Druckaufbau zwischen der Wandscheibe 26 und der Rückwand 7 des Ventilschiebers mit den daraus resultierende Bypassleckagen verhindert.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Bypassdichtung 30 mit der Elastomerdichtlippe bewirkt gleichzeitig einen Toleranzausgleich.
Die Primärabdichtung wird zwischen der Stirnfläche des Außenzylinders 9 und der zugeordneten Gegenfläche im Spiralgehäuse gewährleistet.
Im Zusammenwirken der beiden vg. Dichtstellen mit dem Ventilschieber kann eine wesentliche Anforderung an die erfindungsgemäße Lösung, die Funktion der "Null-Leckage" (Nullförderung) bei minimaler Leistungsaufnahme optimal realisiert werden, um im Bedarfsfall funktionssicher und zuverlässig den Kühlmittelvolumenstrom während der Warmlaufphase des Motors vollständig still zu setzen.
Diese erfindungsgemäße Anordnung eines zylinderförmigen, in einer Ringkolbenarbeitshülse 19 geführten, federbeaufschlagten Ringkolbens 29 ermöglicht nun über eine definierte Druckbeaufschlagung der Profildichtung 27 eine zuverlässige, weggenaue Verschiebung des Ventilschiebers 9 und stellt gleichzeitig eine bauraumoptimierte, kompakte, fertigungs- und montagetechnisch einfache, wie auch kostengünstige und zudem sehr robuste Lösung dar, die stets eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet.
Erfindungswesentlich ist auch, dass in der Arbeitshülse 14 ein der Druckkammer 15 benachbarter Arbeitsraum 31 angeordnet ist, wobei zwischen dem Arbeitsraum 31 und der Druckkammer 15 eine mit einer Lochblende versehene Auslassventilmembran 32 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist im Arbeitsraum 31 ein an einer Kolbenstange 33 angeordneter Arbeitskolben 34 linear verschiebbar angeordnet. An diesem Arbeitskolben 34 ist arbeitsraumseitig eine Ringnut 35 mit Durchgangsbohrungen 36 angeordnet. Der Ringnut 35 benachbart ist am Arbeitskolben 34 zudem arbeitsraumseitig eine am Arbeitskolben 34 angeordnete, mit einer Lochblende versehene Einlassventilmembran 37 befestigt.
Kennzeichnend ist auch, dass an der Arbeitshülse 14, dem Arbeitsraum 31 gegenüberliegend, eine Druckfederanlage 38 angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Arbeitsraum 31 und der Druckfederanlage 38 eine die Kolbenstange 33 umschließende Stangendichtung 39 angeordnet. Erfindungswesentlich ist, dass zwischen dem Arbeitraum 31 und der Stangendichtung 39 in der Arbeitshülse 14 ein Einströmraum 40 angeordnet ist in dessen Wandung Zuströmöffnungen 41 angeordnet sind, die in einen zwischen dem Arbeitsgehäuse 12 und der Arbeitshülse 14 angeordneten Ringraum 43 führen, der mit dem Pumpeninnenraum 8 über eine oder mehrere Einlassbohrung 42 verbundenen ist.
Kennzeichnend ist auch, dass zwischen dem Ringraum 43 und den Zuströmöffnungen 41 ein Filterelement 44 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist an dem dem Arbeitskolben 34 gegenüberliegenden Ende der Kolbenstange 33 ein Magnetanker 45 angeordnet welcher im Magnetfeld einer in einer Spulenaufnahme im Gehäuse des Aktuators 13 angeordneten Magnetspule 46 linear verschiebbar im Aktuator 13 geführt wird. Kennzeichnend ist auch, dass zwischen der an der Arbeitshülse 14 angeordneten Druckfederanlage 38 und einer am Magnetanker 45 angeordneten Federaufnahme 47, in einer Federkammer 48, eine Druckfeder 49 angeordnet ist.
Vorteilhaft ist, wenn im Aktuator 13 dem Magnetanker 45 benachbart ein Ankeranschlag 50 vorzugsweise mit Dämpfungselement/en angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist im Gehäuse des Aktuators 13 eine in den Bereich der Federkammer 48 führende Zuströmöffnung 51 und im Magnetanker 45, im Ankeranschlag 50 und im Gehäuse des Aktuators 13 sind jeweils einander benachbarte / ineinander übergehende Ausströmöffnungen 52 angeordnet.
Da die Stangendichtung 39 den Kühlmittel führenden Bereich der Betätigungseinrichtung von einem ("trockenen") mit Luft befüllten Bereich trennt, ermöglichen die Zuströmöffnung 51 und Ausströmöffnungen 52 einen freien Gasaustausch mit der Umgebung, so dass dadurch eine reibungsarme der translatorischen Bewegung des Magnetankers 45 im Bereich der Magnetspule 46 gewährleistet ist.
Dabei reduziert ein relativ geringer Durchmesser der Kolbenstange nochmals die Reibungsverluste an der Kolbenstange im Bereich der Stangendichtung 39.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beeinflussung der Fördermenge der in der beschriebenen, in der Figur 1 dargestellten regelbare Kühlmittelpumpe zeichnet sich nun dadurch aus, daß durch Variation der Stromstärke und/oder der Zeitdauer der an der Magnetspule anliegenden Stromimpulse die im Magnetfeld 46 auf den Magnetanker 45 einwirkenden Kraft variiert wird, so dass in Verbindung mit der Einwirkung der Druckfeder 49 auf den Magnetanker 45 die Frequenz und/oder der Hub (die Amplitude) der Schwingungen des Arbeitskolbens definiert variiert wird/werden, so dass der Arbeitskolben 34 mittels des am gegenüberliegenden Ende der Kolbenstange 33 im Magnetfeld der Magnetspule 46 angeordneten Magnetankers 45 wiederholt (periodisch) verschoben, und in definierte translatorische Schwingungen versetzt wird. Diese Magnetbetätigung bewirkt in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine in viele kleine "Teilhübe" untersetzte "Pumpenförderung", welche dann infolge der speziellen erfindungsgemäßen Anordnung eine Verschiebung des Ventilschiebers mit seinem Außenzylinder 9 und den an diesen angeordneten Baugruppen zur Folge hat.
Das erfindungsgemäße Funktionsprinzip gewährleistet somit erstmals bei minimalem Bauraum, sehr geringem Gewicht, einem optimalem Luftspalt und einem optimiertem Kraft - Hub Verhältnis mittels der speziellen erfindungsgemäßen Anordnung das Erzielen beliebig großer Betätigungskräfte und Arbeitshübe am Ventilschieber mit seiner Profildichtung 27, seinem Ringkolben 29, seiner Rückwand 7, seinem Außenzylinder 9 und all den an diesen Bauteilen angeordneten erfindungsgemäßen Baugruppen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel schwingt nun der Arbeitskolben 34 beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz, wobei die jeweilige Schwingungsamplitude (und damit der Hub des Arbeitskolbens 34) mit der in der Figur 1 dargestellten Anordnung mittels einer an der Magnetspule 46 impulsartig anliegenden Stroms definiert variiert werden kann.
Die Regelung der Fördermenge der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, dass einerseits arbeitsraumseitig am Arbeitskolben 34 eine Ringnut 35 mit Durchgangsbohrungen 36 angeordnet ist, und dass zudem arbeitsraumseitig, wie in Figur 1 dargestellt, am Arbeitskolben 34 eine mit einer Lochblende versehene Einlassventilmembran 37 angeordnet ist.
Zugleich ist andererseits zwischen dem Arbeitsraum 31 und der Druckkammer 15 eine mit einer Lochblende versehene Auslassventilmembran 32 angeordnet. Wird nun der Arbeitskolben 34 (wie oben beschrieben) in Schwingungen versetzt, so wird aus dem über die Einlassbohrung 42 mit dem Pumpeninnenraum 8 verbundenen Ringraum 43 Kühlmittel durch das Filterelement 44 hindurch über die Zuströmöffnungen 41 in den Einströmraum 40 hinein angesaugt, und zugleich durch die Durchgangsbohrungen 36 des Arbeitskolben 34 in die am Arbeitskolben angeordnete Ringnut 35 und von dort über die mit einer Lochblende versehene Einlassventilmembran 37 in den Arbeitsraum 31 gepresst, und dann von dort über die mit einer Lochblende versehene Auslassventilmembran 32 in die Druckkammer 15 eingeleitet. Dieses in die Druckkammer 15 eingeleitet Kühlmittel wird über den Druckkanal 16 in den Ringkanal 17 und von dort über die Durchströmöffnungen (23) in die Ringkolbenarbeitshülse 19 geleitet und bewirkt dort eine definierte Druckbeaufschlagung der Profildichtung 27 und damit eine Druckbeaufschlagung des federbelasteten Ringkolbens 29, welcher dadurch translatorisch verfahren wird und auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung eine Verschiebung des Ventilschiebers 9 bewirkt.
Infolge der erfindungsgemäßen Anordnung von Lochblenden sowohl in der Einlassventilmembran 37 des Arbeitskolbens 34 wie auch in der Auslassventilmembran 32 (d.h. zwischen dem Arbeitsraum 31) und der Druckkammer 15 stellt sich neben dem soeben beschriebenen, vom Arbeitskolben 34 erfindungsgemäß "gepumpten Volumenstrom" zeitgleich ein zwar geringerer, jedoch stets in entgegengesetzter Richtung fließender erfindungsgemäßer "Leckagevolumenstrom" zwischen der Ringkolbenarbeitshülse 19 über den Arbeitsraum 31 in den Pumpeninnenraum ein.
Das überlagerte "Wechselspiel" dieser beiden erfindungsgemäßen Volumenströme, welches über die Amplitude oder über die Amplitude und/oder die Frequenz der Schwingungen des Arbeitskolben 34 mittels der erfindungsgemäßen Lösung variiert werden kann, bewirkt infolge des jeweils in der Druckkammer 15 aufgebauten Arbeitsdruckes eine zuverlässige, weggenaue Verschiebung des erfindungsgemäß in der Ringkolbenarbeitshülse 19 angeordneten, federbelasteten Ringkolbens 29 und damit eine zuverlässige, weggenaue Verschiebung des am Ringkolben 29 angeordneten Ventilschiebers 9 der dann wiederum eine exakte Variation der Fördermenge der erfindungsgemäßen regelbare Kühlmittelpumpe bewirkt.
Infolge der erfindungsgemäßen Anordnung können dabei beliebig große Betätigungskräfte- und Hübe am Ringkolben 29 des Ventilschiebers erzeugt werden.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Betätigungseinheit ist es zudem möglich, selbst bei sehr stark begrenzten Einbauraum mit minimalem Energieeinsatz eine für die Betätigung des Ventilschiebers ausreichende Kolbenkraft bereitzustellen.
Dies hängt auch damit zusammen, dass es im Kühlkreislauf einige Sekunden dauern darf bis der Ventilschieber die einzunehmende Stellung angefahren hat.
Auf Grund dessen gewährleistet die erfindungsgemäße, gut standardisierbare, kostengünstig herstellbare Lösung bei minimalem Energieeinsatz (welcher unter 5 W liegt) einen hohen Pumpen- und Motorwirkungsgrad.
Die erfindungsgemäße, "neutrale" Bauweise ermöglicht, dass der erfindungsgemäße Aktuator 13 als standardisiertes Bauteil in verschiedenen Wasserpumpen eingesetzt werden.
Damit setzt ein Stückzahleffekt ein der die Wirtschaftlichkeit und Variabilität in der Anwendung für unterschiedliche Kraftfahrzeuge (Motorbaureihen) auf verschiedenste Einbauräume entscheidend verbessert.
Die erfindungsgemäße Betätigungseinheit, welche aufgrund der Überlagerung einer "gepumpten Strömung" mit einer "Leckageströmung" eine bauraumoptimierte, kompakte, fertigungs- und montagetechnisch einfache wie auch insgesamt sehr kostengünstige und sehr robuste Lösung darstellt, ermöglicht so eine zuverlässige Betätigung des Ventilschiebers selbst bei sehr stark begrenzten Einbauraum (für die Betätigungseinrichtung der Kühlmittelpumpe).
Bei Ausfall der Regelung wird auch mittels der erfindungsgemäßen Lösung ein Weiterfunktionieren der Kühlmittelpumpe ("Fail-safe") gewährleistet.
In diesem Fall verschiebt die Druckfeder 6 in Verbindung mit der "Leckageströmung" den Ventilschieber in die Arbeitsstellung "OFFEN".
Beim federbelasteten "Zurückfahren" des Ringkolbens 29 in die "Fail-safe-Stellung" wird das Kühlmittel aus der Ringkolbenarbeitshülse 19 über die Lochblenden der Auslassventilmembran 32 (d.h. zwischen dem Arbeitsraum 31 und der Druckkammer 15) und die Lochblenden der Einlassventilmembran 37 des Arbeitskolbens zurück in den Pumpeninnenraum gepresst, wobei der Ventilschieber in die Arbeitsstellung "OFFEN", die "Fail-safe-Stellung" verfährt.
Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Lösung zudem eine werkseitige luftfreie Befüllung der Betätigungseinrichtung des Ventilschiebers entfallen, da dass zum Verfahren des Ventilschiebers benötigte Arbeitsmedium, die Kühlflüssigkeit direkt aus dem Pumpeninnenraum angesaugt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht zudem darin, dass das Filterelement 44 während der gesamten Lebensdauer nicht getauscht werden muss, da stets nur sehr geringe Volumenströme (und diese zudem stets nur "hin" und dann wieder "zurück") über das Filterelement 44 ausgetauscht werden.

Bezugszeichenzusammenstellung

1: Pumpengehäuse
2: Pumpenlager
3: Riemenscheibe
4: Pumpewelle
5: Flügelrad
6: Rückstellfeder
7: Rückwand
8: Pumpeninnenraum
9: Außenzylinder
10: Dichtungsaufnahme
11: Wellendichtring
12: Arbeitsgehäuse
13: Aktuator
14: Arbeitshülse
15: Druckkammer
16: Druckkanal
17: Ringkanal
18: Hülsenaufnahme
19: Ringkolbenarbeitshülse
20: Dichtsteg
21: Boden
22: Außenwandung
23: Durchströmöffnung
24: Innenwandung
25: Lagesicherungshülse
26: Wandscheibe
27: Profildichtung
28: Steganlage
29: Ringkolben
30: Bypassdichtung
31: Arbeitsraum
32: Auslassventilmembran
33: Kolbenstange
34: Arbeitskolben
35: Ringnut
36: Durchgangsbohrung
37: Einlassventilmembran
38: Druckfederanlage
39: Stangendichtung
40: Einströmraum
41: Zuströmöffnungen
42: Einlassbohrung
43: Ringraum
44: Filterelement
45: Magnetanker
46: Magnetspule
47: Federaufnahme
48: Federkammer
49: Druckfeder
50: Ankeranschlag
51: Zuströmöffnung
52: Ausströmöffnung

Claims

Regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1), einer im/am Pumpengehäuse (1) in einem Pumpenlager (2) gelagerten, von einer Riemenscheibe (3) angetriebenen Pumpenwelle (4), einem auf einem freien, strömungsseitigen Ende dieser Pumpenwelle (4) drehfest angeordneten Flügelrad (5), einem druckbetätigten, durch eine Rückstellfeder (6) federbelasteten, mit einer Rückwand (7) und einem den Ausströmbereich des Flügelrades (5) variabel überdeckenden Außenzylinder (9) versehenen, im Pumpeninnenraum (8) angeordneten Ventilschieber sowie einem im Pumpengehäuse (1) zwischen dem Flügelrad (5) und dem Pumpenlager (2) in einer Dichtungsaufnahme (10) angeordneten Wellendichtring (11), dadurch gekennzeichnet,
- dass am Pumpengehäuse (1) ein Arbeitsgehäuse (12) und an diesem das Gehäuse eines elektromagnetischen Aktuators (13) angeordnet ist, wobei im Arbeitsgehäuse (12) eine Arbeitshülse (14) angeordnet ist der im Arbeitsgehäuse (12) pumpenwellenseitig eine Druckkammer (15) benachbart ist die über einem Druckkanal (16) in einen Ringkanal (17) mündet welcher in einer der Dichtungsaufnahme (10) flügelradseitig gegenüberliegend im Pumpengehäuse (1) angeordneten Hülsenaufnahme (18) rotationssymmetrisch zur Drehachse der Pumpenwelle (4) eingearbeitet ist,

- dass in der Hülsenaufnahme (18) eine Ringkolbenarbeitshülse (19) mit einem Dichtsteg (20) und einem Boden (21) angeordnet ist in welcher die Pumpenwelle (4) frei dreht und in deren Außenwandung (22) nahe dem Boden (21) Durchströmöffnungen (23) zum Ringkanal (17) angeordnet sind, wobei am flügelradseitigem Ende auf der die Außenwandung (22) deutlich überragenden Innenwandung (24) der Ringkolbenarbeitshülse (19) eine Lagesicherungshülse (25) mit einer starr an dieser angeordneten Wandscheibe (26) form- und/oder kraftschlüssig angeordnet ist,

- dass vom Boden (21) der Ringkolbenarbeitshülse (19), etwa um den Durchmesser der Durchströmöffnungen (23) beabstandet, in der Ringkolbenarbeitshülse (19) verschiebbar ein Profildichtring (27) angeordnet ist der flügelradseitig formschlüssig mit einem mit einer Steganlage (28) versehenen Ringkolben (29) verbunden ist in dessen flügelradseitigem Endbereich form- oder kraftschlüssig die Rückwand (7) des Ventilschiebers angeordnet ist,

- dass die Rückstellfeder (6) zwischen der Wandscheibe (26) und dem Ringkolben (29), oder der Wandscheibe (26) und der am Ringkolben (29) anliegenden Rückwand (7) des Ventilschiebers angeordnet ist,

- dass am Außenrand der Wandscheibe (26) eine Bypassdichtung (30) angeordnet ist,

- dass in der Arbeitshülse (14) ein der Druckkammer (15) benachbarter Arbeitsraum (31) angeordnet ist, wobei zwischen dem Arbeitsraum (31) und der Druckkammer (15) eine mit einer Lochblende versehene Auslassventilmembran (32) angeordnet ist,

- dass im Arbeitsraum (31) ein an einer Kolbenstange (33) angeordneter Arbeitskolben (34) linear verschiebbar angeordnet ist, wobei an diesem Arbeitskolben (34) arbeitsraumseitig eine Ringnut (35) mit Durchgangsbohrungen (36) angeordnet ist, und zudem arbeitsraumseitig am Arbeitskolben (34) eine mit einer Lochblende versehene Einlassventilmembran (37) befestigt ist,

- dass an der Arbeitshülse (14), dem Arbeitsraum (31) gegenüberliegend, eine Druckfederanlage (38) angeordnet ist,

- dass zwischen dem Arbeitsraum (31) und der Druckfederanlage (38) eine die Kolbenstange (33) umschließende Stangendichtung (39) angeordnet ist,

- dass zwischen dem Arbeitraum (31) und der Stangendichtung (39) in der Arbeitshülse (14) ein Einströmraum (40) angeordnet ist in dessen Wandung Zuströmöffnungen (41) angeordnet sind die in einen zwischen dem Arbeitsgehäuse (12) und der Arbeitshülse (14) angeordneten Ringraum (43) münden, der mit dem Pumpeninnenraum (8) über eine oder mehrere Einlassbohrung (42) verbundenen ist, wobei zwischen dem Ringraum (43) und den Zuströmöffnungen (41) ein Filterelement (44) angeordnet ist,

- dass an dem dem Arbeitskolben (34) gegenüberliegenden Ende der Kolbenstange (33) ein Magnetanker (45) angeordnet ist, der im Magnetfeld einer in einer Spulenaufnahme im Gehäuse des Aktuators (13) angeordneten Magnetspule (46) linear verschiebbar im Aktuator (13) geführt wird,

- dass zwischen der an der Arbeitshülse (14) angeordneten Druckfederanlage (38) und einer am Magnetanker (45) angeordneten Federaufnahme (47) in einer Federkammer (48) eine Druckfeder (49) angeordnet ist,

- dass im Aktuator (13), dem Magnetanker (45) benachbart, ein Ankeranschlag (50) angeordnet ist, und

- dass im Gehäuse des Aktuators (13) eine/mehrere in den Bereich der Federkammer (48) führende Zuströmöffnung/en (51), sowie im Magnetanker (45), im Ankeranschlag (50) und im Gehäuse des Aktuators (13) einander benachbarte Ausströmöffnungen (52) angeordnet sind.
Verfahren zur Regelung einer Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge der Kühlmittelpumpe durch die Verschiebung des Ventilschiebers mittels Variation der Amplitude und/oder der Frequenz der Schwingungen des Arbeitskolben (34) definiert geregelt wird.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Aktuators (13) und die Arbeitshülse (14) gemeinsam aus einem Stück gefertigt sind.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Profildichtring (27) in eine zugeordnete am Ringkolben (29) angeordnete Mitnahmenut eingeknüpft ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dichtsteg (20) und dem Pumpengehäuse (1) ein Dichtring angeordnet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse des Aktuators (13) eine/mehrere in den Bereich der Federkammer (48) führende Zuströmöffnung/en (51), sowie im Magnetanker (45), im Ankeranschlag (50) und im Gehäuse des Aktuators (13) einander benachbarte Ausströmöffnungen (52) angeordnet sind.
Verfahren zur Regelung einer Kühlmittelpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation der Stromstärke und/oder der Zeitdauer von an der Magnetspule (46) angelegten Stromimpulsen die im Magnetfeld auf den Magnetanker (45) einwirkenden Kraft variiert wird, so dass in Verbindung mit der Einwirkung der Druckfeder (49) auf den Magnetanker (45) die Frequenz und/oder der Hub (die Amplitude) der Schwingungen des Arbeitskolbens (34) definiert variiert werden, so dass der Arbeitskolben (34) mittels des am gegenüberliegenden Ende der Kolbenstange (33) im Magnetfeld der Magnetspule (46) angeordneten Magnetankers (45) (wiederholt/periodisch) verschoben und in definierte translatorische Schwingungen versetzt wird.