EP3017196B1

EP3017196B1 - Regelbare kühlmittelpumpe

Info

Publication number: EP3017196B1
Application number: EP14755323.4A
Authority: EP
Inventors: Franz Pawellek; Toni Steiner
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: DE102013011209B3; EP3017196A1; WO2015000456A1

Description

Die Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe, insbesondere für den Einsatz in großen Verbrennungsmotoren, z.B. LKW-Motoren.
Im Rahmen der stetigen Optimierung der Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emission und Kraftstoffverbrauch ist es wichtig den Motor nach dem Kaltstart möglichst schnell auf die Betriebstemperatur zu bringen.
Dadurch werden die Reibungsverluste minimiert, die Emissionswerte reduziert und auch der Kraftstoffverbrauch deutlich verringert.
Von der Anmelderin wurde in der DE 10 2005 062 200 B3 eine zwischenzeitlich bei Kühlmittelpumpen für PKW-Motoren bewährte Lösung vorgestellt, welche eine aktive Steuerung der Kühlmittelfördermenge ermöglicht, um einerseits durch "Null-Leckage" eine optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und 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 zugleich auch der Kraftstoffverbrauch, deutlich reduziert werden.
Bei dieser Lösung ist im Pumpengehäuse ein in Richtung der Wellenachse der Pumpenwelle verschiebbar gelagerter, ringförmig ausgebildeter Ventilschieber mit einem den Ausströmbereich des Flügelrades variabel überdeckenden Außenzylinder angeordnet, welcher mittels eines pneumatisch oder hydraulisch betätigten Aktuators (welcher hydraulisch auf mehrere am Ventilschieber starr angeordnete, im Pumpengehäuse geführte Kolbenstangen einwirkt) linear verschoben werden kann. Die Rückholung des Ventilschiebers in Richtung der Ausgangslage, d.h. entgegen dem pneumatischen oder hydraulischen Steuerdruck, erfolgt mittels gleichmäßig über den Umfang in Federkammern angeordneten Druckfedern.
Diese Anordnung eines vom Arbeitsdruck abhängig, linear verschiebbaren, den Ausströmbereich des Flügelrades dabei variabel überdeckenden, Ventilschiebers ist eine sehr kompakte und einfache Lösung.
Bei zunehmender Pumpenleistung, d.h. mit zunehmenden Stellkräften, erfordern sowohl die hydraulischen, wie auch die pneumatischen Aktuatoren und deren Anschlussleitungen einen immer größer werdenden Bauraum, wobei der pneumatischen Lösung mit zunehmenden Stellkräften, auch auf Grund einer zwingend erforderlichen leckagefreien Abdichtung der Pneumatikräume gegenüber dem Kühlmittel technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt sind. Weitere von der Anmelderin in der DE 10 2007 022 189 A1 , wie auch in der DE 10 2007 042 866 A1 offenbarte Lösungen sind ebenfalls wiederum für den Einsatz bei Kühlmittelpumpen in PKW's geeignet, d.h. nur für kleinere Stellkräfte ausgelegt.
Bei diesen Bauformen kann, bei größer werdenden Stellkräften, d.h. in Verbindung mit Arbeitsdrücken von über 5 bar (z.B. im Zusammenhang mit dem Einsatz dieser Kühlmittelpumpen in Nutzkraftfahrzeugen (u.a. in LKW's)) auch die zentrale, um die Pumpenwelle herum angeordnete, am Ventilschieber anliegende, auch sehr bauraumintensive Rückstellfeder keinesfalls mehr die unter der vollen Pumpenarbeitslast bei LKW-Motoren zur Verstellung des Ventilschiebers erforderlichen Rückstellkräfte aufbringen, da auf Grund der an den Dichtstellen bei LKW-Kühlmittelpumpen anliegenden Arbeitsdrücke von zumeist über 5 bar eine leckagefreie Abdichtung aller Dichtstellen bei diesen Bauformen mit vertretbarem technischen Aufwand nicht mehr realisiert werden kann.
Von der Anmelderin wurde in der WO 2009/143832 A2 eine weitere Kühlmittelpumpe mit einem Ventilschieber vorgestellt, bei der der Ventilschieber wiederum von einem, um die Pumpenwelle herum angeordneten zentralen Arbeitskolben verstellt wird, an dem wiederum eine um die Pumpenwelle herum angeordnete, den Ventilschieber in seine "voll geöffnete" Ausgangslage zurück stellende bauraumintensive Rückholfeder anliegt.
Der Arbeitsdruck zur Betätigung des zentralen um die Pumpenwelle herum angeordneten, bauraumintensiven Arbeitskolbens, wird bei dieser Lösung von einer im Pumpengehäuse angeordneten Axialkolbenpumpe mit einem an einer Schrägscheibe, die am Umfang des Laufrades angeordnet und mit einer Saugnut versehenen, gleitenden Laufschuh erzeugt, und mittels eines am Pumpengehäuse angeordneten Regelventils bedarfsabhängig geregelt.
Diese regelbare Kühlmittelpumpe ist für den Einsatz in PKW-Motoren konzipiert, und eignet sich nicht für den Einsatz in Kühlmittelpumpen mit höheren Pumpenleistungen, wie beispielsweise für Kühlmittelpumpen bei LKW-Motoren, mit großen Flügelrädern, wesentlich höheren hydraulischen Leistungen, hohen erforderlichen Stellkräften, bei gleichzeitig hoher Dynamik in der Verstellung, und einer bei LKW-Einsatz geforderten, um das 5-fache höheren Lebensdauer gegenüber den für PKW-Motoren konzipierten Kühlmittelpumpen.
Die in der WO 2009/143832 A2 vorbeschriebene Kühlmittelpumpe ist für den Einsatz in größeren Motoren, wie z.B. für LKW-Motoren u.a. auch daher nicht geeignet, da auch bei dieser Bauform ein zuverlässiger, die exakte Lage des Steuerschiebers auch über längere Einsatzzeiten zuverlässig bestimmender Messsensor fehlte.
Die zumeist am Steuerschieber direkt angeordneten Dauermagneten der Hall-Sensoren haben den Nachteil, dass an diesen Dauermagneten die vom Kühlmittel mitgespülten Metallpartikel (Späne, Abrieb, u.s.w) haften bleiben, und über längere Einsatzzeiten den Sensor-Dauermagneten "verklumpen", so dass dieser mit der Zeit ungenau arbeitet und später hin ganz unbrauchbar wird.
Je größer nun die Motoren sind, um so größer wird auch die Menge der vom Kühlmittel mitgeführten Metallpartikel, so dass bei Einsatz von Regelschiebern in Kühlmittelpumpen für große Motore, z.B. in LKW's, der Sensorik zur Bestimmung der Lage des Regelschiebers, im Hinblick auf die Langzeitzuverlässigkeit eine sehr große Bedeutung zukommt.
Die DE 10 2011 113 040 B3 offenbart eine regelbare Kühlmittelpumpe, welche über einen Sensor verfügt, der den Weg eines Ventilschiebers zur Steuerdruckregelung erfasst.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine über ein Antriebsrad, z.B. auch eine Riemenscheibe, angetriebene, stufenlos regelbare Kühlmittelpumpe (mit Regelschieber) für den Einsatz bei LKW-Motoren zu entwickeln, welche all die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, dabei eine optimale Erwärmung des Motors durch "Null-Leckage" gewährleistet und auch nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb stufenlos, dabei hoch dynamisch, und sehr zuverlässig über sehr lange Einsatzzeiten so exakt zu beeinflussen vermag, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden, wobei diese bei LKW-Motoren eingesetzte Kühlmittelpumpe, einerseits eine sehr hohe Dynamik in der Verstellung, selbst unter hohen Stellkräften gewährleisten soll, und dabei gleichzeitig eine sehr geringe, optimal den im Motorraum vorhandenen Bauraum ausnutzende Baugröße aufweisen soll, und zudem gleichzeitig noch eine sehr präzise, zuverlässige Steuerung des Ventilschiebers bei einer um das 5-fache höhere Lebensdauer gegenüber Kühlmittelpumpen für PKW-Motoren gewährleisten muss, wobei die zu entwickelnde Kühlmittelpumpe zudem noch fertigungs- und montagetechnisch einfach, und kostengünstig herstellbar, und zudem auch einfach und kostengünstig ins Motormanagement einbindbar sein soll, und dabei über die gesamte Lebensdauer stets bei hoher Betriebssicherheit und hoher Zuverlässigkeit bei hohem volumetrischen Wirkungsgrad gewährleisten soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine über eine Riemenscheibe angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 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 drei Darstellungen zur erfindungsgemäßen Lösung.
Es zeigen die:

Figur 1 :: die erfindungsgemäße regelbare Kühlmittelpumpe in einer ersten Ausführungsform in der Seitenansicht ohne Antriebsrad und ohne Pumpendeckel;
Figur 2 :: die erfindungsgemäße regelbare Kühlmittelpumpe im Schnitt bei A-A gemäß Figur 1, jedoch mit Antriebsrad 3 und Pumpendeckel 38;
Figur 3 :: die erfindungsgemäße regelbare Kühlmittelpumpe in einem Teilschnitt bei B-B gemäß Figur 1;

Die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse 1, zeigt in der Figur 2 die im Pumpengehäuse 1 in einem Pumpenlager 2 gelagerte, von einen Antriebsrad 3 angetriebene Pumpenwelle 4, mit einem auf dem freien, strömungsseitigen Ende dieser Pumpenwelle 4 drehfest angeordneten Flügelrad 5, einer zwischen dem Pumpenlager 2 und dem Flügelrad 5 im Pumpengehäuse 1 auf der Welle angeordneten Wellendichtung 6, einem druckbetätigten, im Pumpeninnenraum 7 angeordneten Regelschieber 8 mit einer Rückwand 10 und einem den Ausströmbereich des Flügelrades 5 variabel überdeckenden Außenzylinder 9 sowie mehreren an der ringförmig ausgebildeten Rückwand 10 des Regelschiebers 8 angeordneten Führungsstangen, und im Pumpengehäuse 1 parallel zur Pumpenwelle 4 gleichmäßig über den Umfang des Regelschiebers 8, den am Regelschieber 8 angeordneten Führungsstangen zugeordnet, verteilten Stangenführungsbohrungen in denen die am Regelschieber 8 angeordneten Führungsstangen axial verschiebbar gelagert sind.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte, erfindungsgemäße regelbare Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass an der Rückwand 10 des Regelschiebers 8 auf einem Ringkreis, um 120° zueinander versetzt als Führungsstangen Kolbenstangen 11 angeordnet sind, und diese in als Stangenführungsbohrungen dienenden Kolbenstangenführungsbohrungen 12 axial gleitend gelagert sind, und sich diese dadurch auszeichnen, dass allen Kolbenstangenführungsbohrungen 12, antriebsradseitig im Pumpengehäuse 1 benachbart, jeweils ein eine Rückstellfeder 27 aufnehmender Hydraulikraum 13 angeordnet ist.
Die Beaufschlagung des Hydraulikraumes 13 mit einem definierten Arbeitsdruck bewirkt aufgrund der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung nun eine definierte Verschiebung der einzelnen Kolbenstangen 11 in deren Kolbenstangenführungsbohrungen 12, wobei die erfindungsgemäße, um 120° versetzte Anordnung der Kolbenstangen 11 an der Rückwand 10 des Regelschiebers 8 in der Gesamtheit eine sichere und definierte Verschiebung des Regelschiebers 8 im Pumpeninnenraum 7 gewährleistet. Infolge dieser Verschiebung wird mittels des Außenzylinders 9 des Regelschiebers 8 dann der Ausströmbereich des Flügelrades 5 variabel einstellbar überdeckt.
Erfindungswesentlich ist dabei auch, dass im Bereich des flügelradseitigen Endes der Kolbenstangenführungsbohrungen 12 im Pumpengehäuse 1 Abstreiferaufnahmebohrungen 20 angeordnet sind, in denen dort an den Kolbenstangen 11 anliegende Abstreifer 21 angeordnet sind, wobei zudem hydraulikraumseitig im Pumpengehäuse 1 in den Kolbenstangenführungsbohrungen 12 Kolbendichtungsaufnahmebohrungen 22 angeordnet sind, in denen dort an den Kolbenstangen 11 anliegende Kolbendichtungen 23 angeordnet sind.
Die an den Kolbenstangen 11 flügelradseitig angeordneten Abstreifer 21 gewährleisten, dass die im Pumpeninnenraum 7 vom mit "Schmutzfracht" beladenem Kühlmittel kontaminierten Bereiche der Kolbenstangen 11 vor ihrem Wiedereintritt in die Kolbenstangenführungsbohrungen 12 von im Kühlmittel mitgeführten Giessand, Abrieb, Späne u.s.w. gereinigt werden, so dass die Kolbenstangenführungsbohrungen 12 selbst nach längerer Einsatzzeit und längeren Stillstandszeitenein optimales Gleiten der Kolbenstangen 11, und damit ein sicheres Verfahren des Regelschiebers 8, gewährleisten.
Dabei ist weiterhin erfindungswesentlich, dass im Bereich der offenen Enden der Hydraulikräume 13 im Pumpengehäuse 1 eine Ringnut 14 angeordnet ist, welche alle Hydraulikräume 13 miteinander verbindet.
Mittels dieser Anordnung wird gewährleistet, dass alle drei am Regelschieber 8 angeordneten, jeweils in separate Hydraulikräume 13 "eintauchenden" Kolbenstangen 11 mit dem identischen Arbeitsdruck beaufschlagt werden, und bei einheitlicher Dimensionierung stets von derselben axial anliegenden, die Kolbenstangen 11 verfahrenden Druckkraft beaufschlagt werden, so dass alle drei Kolbenstangen 11 mit derselben an jeder der Kolbenstangen 11 angreifenden Axialkraft verschoben werden.
Wesentlich ist in diesem Zusammenhang aber auch, dass im Hydraulikraum 13, der Kolbendichtung 23 beabstandet benachbart, eine Federtelleranlage 24 mit einem mit einer Kolbenstangendurchtrittsbohrung versehenen Federanlageteller 25 anliegt, dem zugeordnet am freien, antriebsradseitigen Ende der Kolbenstange 11 ein Federspannteller 26 lagesicher angeordnet ist, wobei zwischen dem Federanlageteller 25 und dem Federspannteller 26 die Rückstellfeder 27 im Hydraulikraum 13 angeordnet ist.
Diese erfindungsgemäße Anordnung der Rückstellfeder 27 bewirkt, dass nach Verringerung des Arbeitsdruckers in den Hydraulikräumen 13 die Kolbenstangen 11 und damit auch der an diesen angeordnete Regelschieber 8 wieder in Richtung der Ausgangslage zurück, d.h. in die geöffnete Stellung des Regelschiebers 8, verfährt.
Aufgrund des jeweils in den Hydraulikräumen anliegenden Arbeitsdruckes, und der damit auf jede der Kolbenstangen 11 einwirkenden Axialkraft, verharrt der Regelschiebers immer in der Lage/Position in der sich ein Kräftegleichgewicht zwischen der Federkraft der Rückstellfeder 27 und den, aus dem aktuellen Arbeitsdruck in den Hydraulikräumen 13 resultierenden, auf die Kolbenstangen einwirkenden Axialkraft einstellt.
Um jedoch die gewünschte hohe Dynamik in der Verstellung zu gewährleisten ist es erfindungswesentlich, dass zwischen den im Pumpengehäuse 1 angeordneten, in die Hydraulikräume 13 mündende Kolbenführungsbohrungen 12 mit den in diesen axial verschiebbar gelagerten Kolbenstangen 11, ebenfalls drei gleichmäßig über die Ringnut 14 verteilte, und in die Ringnut 14 mündende Pumpenkanäle 15 angeordnet sind, in deren flügelradseitigen Pumpenkanalenden 16 jeweils flüssigkeitsdicht eine mit einem am federbelasteten Arbeitskolben mit einem Gleitschuh 17 versehene Axialkolbenpumpe 18 angeordnet ist, wobei dieser Gleitschuh 17 an einer mit einer Saugnut versehenen ringförmigen Schrägscheibe 19 anliegt, welche pumpenlagerseitig, im Bereich der Axialkolbenpumpen 18, pumpengehäuseseitig starr an der Rückwand 10 des Flügelrades 5 angeordnet ist.
Diese am Flügelrad 5 pumpengehäuseseitig starr angeordnete Schrägscheibe 19 besitzt einen ebenflächigen "Steigbereich", dem ein "Sinkbereich" gegenüberliegt, in welchem eine Saugnut eingebracht ist, wobei zwischen dem "Steigbereich" und dem "Sinkbereich" jeweils ebenflächige Übergangsbereiche angeordnet sind.
Die zwischen den Kolbenstangenführungsbohrungen 12, über den Umfang der Ringnut 14, gleichmäßig im Pumpengehäuse 1 verteilt angeordneten drei Axialkolbenpumpen 18 gewährleisten erfindungsgemäß eine sehr schnelle, gleichmäßige und zuverlässige, Befüllung aller dem Axialkolbenpumpen 18 im Pumpengehäuse 1 angeordneten Hydraulikräume 13.
Dadurch ist es möglich gegenüber herkömmlichen Bauformen von regelbaren Kühlmittelpumpen mit Regelschiebern 8 wesentlich "härtere" Rückstellfedern 27 (mit kleinem Windungsdurchmesser) einzusetzen, so dass gegenüber herkömmlichen, im Stand der Technik erwähnten, Bauformen mittels der erfindungsgemäßen Lösung erstmals eine sehr hohe Dynamik in der Regelung auf kleinstem Bauraum mit geringem Kostenaufwand realisiert werden kann. Wird nun bei der erfindungsgemäßen Anordnung über die Antriebsscheibe 3 das auf der Pumpenwelle drehfest angeordnete Flügelrad 5 in Rotation versetzt, so werden alle drei, um jeweils 120° am Umfang der Ringnut 14 zueinander versetzt angeordneten, die mit ihren Gleitschuhen 17 an der Schrägscheibe 19 (Taumelscheibe) anliegenden Arbeitskolben der Axialkolbenpumpen 18 in Hubbewegungen versetzt.
Im vorliegenden Ausführungsspiel liegt der Hub der Axialkolben 18 pro Umdrehung bei jeweils ca. einem Millimeter, so dass die Summe der Fördermenge aller drei axial "hintereinander geschalteten" Axialkolbenpumpen 18 optimal für eine, hoch dynamischen Betätigung/Verschiebung des Regelschiebers ausreicht.
Die erfindungsgemäße Anordnung bei der der Gleitschuh 17, wie in der Figur 2 dargestellt, beidseitig der Saugnut an der Schrägscheibe 19 anliegt, bewirkt bei Rotation des Flügelrades 5, dass sich der erfindungsgemäß an die Schrägscheibe angepresste Gleitschuh 17 während des "Saughubes" entlang des "Sinkbereiches" der Schrägscheibe 19 bewegt, und durch eine im Gleitschuh 17 angeordnete Durchströmbohrung hindurch wird ein definiertes Einströmen des Kühlmittels aus der Saugnut in den Gleitschuh 17 bewirkt. Verlässt der vom Arbeitskolben mittels einer Arbeitsfeder an die Schrägscheibe 19 angepresste Gleitschuh 17 während seiner Bewegung entlang der Schrägscheibe 19 den mit der Saugnut versehenen "Sinkbereich", so ist der Einströmvorgang beendet.
Während seiner nachfolgenden Bewegung entlang des "Steigbereichs" der Schrägscheibe 19 presst dann der Gleitschuh 17 den Arbeitskolben in den Kolbenraum. Dabei wird das zuvor in den Kolbenraum angesaugte Kühlmittel über den Pumpenkanal 15 und die Ringnut 14 in die Hydraulikräumen 13 gepresst.
Die in der Schrägscheibe 19 eingearbeitete Saugnut dient in Verbindung mit dem Gleitschuh 17 erfindungsgemäß zugleich auch als Spaltfilter, so dass während des Einströmvorganges eine Filterung des Kühlmittels, d.h. eine Reinigung des Kühlmittels insbesondere von mitgeführten metallischen Partikeln (wie z. B. Späne oder Abrieb) wie auch sonstigen Bestandteilen (wie z.B. Sandkörner) erfolgt.
Daher ist die erfindungsgemäße Anordnung auch gegen vom Kühlmittel mitgeführte Partikel (wie z. B. Späne oder Sandkörner) resistent und gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit bei langer Lebensdauer.
Kennzeichnend ist in diesem Zusammenhang weiterhin, dass am Pumpengehäuse 1 ein, mit einem der Pumpenkanäle 15 über einen Steuerkanal 28 und dem Pumpeninnenraum 7 über einen Rückführkanal 29 verbundener Gehäuseanschluss 30 angeordnet ist, in dem sich ein zwischen dem Steuerkanal 28 und dem Rückführkanal 29 angeordnetes Regelventil 31 befindet. Dieses Regelventil 13 ist stromlos offen.
Die Arbeitskolben der Axalkolbenpumpen 18 fördern bei "offenem" Regelventil 31 die gereinigte Kühlflüssigkeit drucklos aus dem Pumpenkanal 15 über den Steuerkanal 28 des Regelventil 31 in den Rückführkanal 29 und über diesen wieder zurück in den Pumpeninnenraum 7.
Daher verbleibt der Regelschieber 8 bei stromlos offenem Regelventil 31 in seiner hinteren Endlage und gewährleistet dabei gleichzeitig die Fail-Safe-Funktion.
Bei Bedarf jedoch kann mittels des Regelventils 31 der Druck im Pumpenkanal 15, in der Ringnut 14 und in dem mit dem Ringnut 14 verbundenen Hydraulikraum 13 nun stufenlos erhöht werden.
Dabei wird die von den drei Axialkolbenpumpen 18 geförderte und gereinigte Kühlflüssigkeit in den Hydraulikraum 13 gepresst.
Dort bewirkt die eingepresste Kühlflüssigkeit eine definierte (über das Regelventils 31) einstellbare Druckbeaufschlagung der Kolbenstangen 11 in den Kolbenstangenführungsbohrungen 12, wodurch im Wechselspiel mit den Rückstellfedern 27 der Regelschieber 8 exakt translatorisch im Pumpeninnenraum 7 verfahren werden kann.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung wird so nicht nur eine hoch dynamische, sondern zugleich auch sehr exakt definierte Verschiebung des Außenzylinders 9 des Regelschiebers 8 und damit eine exakte und zuverlässige Regelung des geförderten Kühlmittelvolumenstromes bewirkt.
Nach der Erwärmungsphase des Motors (mit geschlossenem Ventilschieber) kann mittels des Regelventils 31 der Druck in den Hydraulikräumen 13 exakt geregelt und damit ein definiertes Verfahren des Außenzylinders 9 des Regelschiebers 8 entlang des Außenrandes des Flügelrades 5 realisiert werden, wodurch wiederum die Motortemperatur selbst von LKW-Motoren im Dauerbetrieb mit minimalem Aufwand exakt beeinflusst werden kann, so dass im gesamten Arbeitsbereich dieser LKW-Motoren sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.
Erfindungswesentlich ist in diesem Zusammenhang aber auch, dass am Pumpengehäuse 1 einem der Hydraulikräume 13 benachbart, ein Sensorgehäuseanschluss 32 angeordnet ist, in dem ein auch eine Magnetspule 33 enthaltendes Wegmesssensorgehäuse 34 integriert ist, wobei im Hydraulikraum 13, der Magnetspule 33 benachbart, eine Magnetarbeitskammer 35 angeordnet ist, in der ein starr, im Bereich des antriebsradseitigen freien Endes der Kolbenstange 11 angeordneter Permanentmagnet 36 linear mit der Kolbentange verfahren wird, und mit der Magnetspule 33 als Wegmesssensor in Wirkverbindung tritt.
Da der Permanentmagnet 36 erfindungsgemäß, ausschließlich von gereinigtem Kühlmittel umgeben ist, können an diesem Permanentmagneten 36 auch keine vom Kühlmittel mitgespülte Metallpartikel (wie Späne, Abrieb, u.s.w) anhaften, so dass bei der erfindungemäßen Anordnung, selbst über sehr Lange Einsatzzeiten, die Dauermagneten nicht mehr "verklumpen", so dass über die gesamte Einsatzzeit auch bei großen Motoren mit hoher Schmutzfracht im Kühlmittel eine zuverlässige und exakte Bestimmung der jeweiligen Lage des Regelschiebers 8 gewährleistet ist. Möglich ist auch, dass an der antriebsseitigen Außenwand des Pumpengehäuses 1 eine/mehrere Dichtungen 37 angeordnet ist/sind an der/denen ein Pumpendeckel 38 anliegt, der mittels im Pumpengehäuse 1 angeordneter Befestigungsschrauben 39 gegen das Pumpengehäuse 1 flüssigkeitsdicht verspannt wird. Diese Anordnung gewährleistet eine einfache, kostengünstige, fertigungs- und montagegünstige, sichere und zuverlässige Abdichtung aller im Pumpengehäuse 1 angeordneten Pumpenkanäle 15, der Ringnut 14, wie auch aller im Pumpengehäuse 1 angeordneten Hydraulikräume 13. Weiterhin ist es möglich, dass die am Flügelrad 5 angeordnete Schrägscheibe 19 als biegestabilisierte Metallscheibe ausgeführt ist. Dadurch ist eine hohe Stabilität der Schrägscheiben 19 gewährleistet, so dass selbst bei einer elastischen Verformungen des Flügelrades unter extremen Betriebsbedingungen stets eine sichere und zuverlässige Betätigung der Axialkolbenpumpen 18 gewährleistet ist.
Vorteilhaft ist aber auch, wenn die Saugnut bis 5,00 mm tief in die Schrägscheibe 19 eingearbeitet ist, und dabei zudem zwischen der Schrägscheibe 19 und dem Gleitschuh 17 ein die Saugnut überdeckender, mit etwa 4000 Laserbohrungen im Bereich der Saugnut versehener Fliehkraftabscheider in Form einer Filterscheibe angeordnet ist.
Dieser erfindungsgemäße Fliehkraftabscheider bewirkt dabei zunächst eine Filterung des in die Saugnut einströmenden Kühlmittels, einerseits als "Fliehkraft-Separator", da die auf unerwünschte, vom Kühlmedium mitgeführte Fremdkörper (wie z. B. Späne, Sandkörner, o.ä.) einwirkende Fliehkraft aus der Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades 5 (mit der der Fliehkraftabscheider umläuft) im Bereich der Laserbohrungen wesentlich größer gegenüber der aus der Einströmgeschwindigkeit in die Laserbohrungen auf die Fremdkörper einwirkende "Saugkraft" ist.
Gleichzeitig wirkt der Fliehkraftabscheider als "Prall-Separator", da alle nicht exakt die Laserbohrung treffende Fremdkörper von dem zwischen den Laserbohrungen angeordneten "Grundmaterial des Fliehkraftabscheiders" abprallen und dann zusätzlich durch den Fliehkrafteffekt abgewiesen werden.
Infolge der erfindungsgemäßen kegeligen Gestaltung der Laserbohrungen dienen diese als Konfusor und bewirken unter anderem eine Minimierung des Druckverlustes in der Ansaugphase.
Zudem hat der bei jeder Umdrehung den mit Laserbohrungen versehen Bereich des Fliehkraftabscheiders "überfahrende" Gleitschuh 17 der Axialkolbenpumpe 18 eine "Abstreiferwirkung" und führt so zu einem zusätzlichen Selbstreinigungseffekt.
Dieser Selbstreinigungseffekt wird zudem noch dadurch unterstützt, dass jede Laserbohrung bei jeder Umdrehung des Flügelrades 5 zweimal (einmal in die Saugnut hinein und dann über den Gleitschuh 17 wieder aus der Saugnut heraus) durchströmt und dabei zusätzlich freigespült wird.
Im Verdrängerraum der Axialkolbenpumpe werden hohe Druckgradienten erzeugt, die den Selbstreinigungseffekt weiter verstärken, sodass auch nach sehr hohen Laufzeiten keine einzige Laserbohrung verstopft.
Selbst bei längeren Stillstandszeiten des Fahrzeuges, bei denen in Folge von Kristallisationseffekten die Laserbohrungen mit Gelees oder Partikeln "zugesetzt" sein könnten, bewirkt die erfindungsgemäße Anordnung (bei einer Motordrehzahl von beispielsweise 3000 U/min bei der der Laserbohrungsbereich des Fliehkraftabscheiders fünfzig mal pro Sekunde mit all den vorgenannten Wirkungen und einem infolge der verschlossenen Laserbohrungen sehr hohem Ansaugdruck überfahren wird) einen einer Ultraschallreinigung sehr nahe kommenden Reinigungseffekt, wodurch sich der erfindungsgemäße Fliehkraftabscheider auch unter extremen Bedingungen selbst reinigt und auch bereits gebildete Kristalle wieder in Lösung gehen.
Diese erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht gegenüber der im ersten Ausführungsbeispiel vorgestellten Ausführungsform einen deutlich höheren "Einstömvolumenstrom", ist dabei gegen die vom Kühlmittel mitgeführte Partikel resistent und gewährleistet zudem eine sehr hohe Lebensdauer bei höchster Zuverlässigkeit.
Verlässt der an die Schrägscheibe 19 angepresste Gleitschuh 17 während seiner Bewegung entlang des an der Schrägscheibe 19 angeordneten Fliehkraftabscheiders den die Saugnut mittels Laserbohrungen abdeckenden Bereich, so ist der Einströmvorgang beendet.
Diese mit Laserbohrungen versehene Filterscheibe erhöht die Filterwirkung des oben beschriebenen Spaltfilters selbst unter sehr extremen Einsatzbedingungen und erhöht bei mit extremer Schmutzfracht beladenem Kühlmittel nochmals die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen regelbaren Kühlmittelpumpe.
Wesentlich ist weiterhin, dass im Pumpengehäuse 1, flügelradseitig in der Wandung des Pumpeninnenraumes 7 ein am Außenzylinder 9 des Regelschiebers 8 anliegender Kolbendichtring 40 angeordnet ist. Diese Kolbendichtung 40 vermeidet Fehl- bzw. Leckageströme in den Pumpeninnenraum 7 hinein, und erhöht so den Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen regelbaren Kühlmittelpumpe.
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es gelungen, eine über ein Antriebsrad, z.B. auch eine Riemenscheibe, angetriebene, stufenlos regelbare Kühlmittelpumpe (mit Regelschieber) für den Einsatz bei LKW-Motoren zu entwickeln, welche eine optimale Erwärmung des Motors durch "Null-Leckage" gewährleistet und auch nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb stufenlos, dabei hoch dynamisch und sehr zuverlässig über sehr lange Einsatzzeiten so exakt zu beeinflussen vermag, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden, wobei diese bei LKW-Motoren eingesetzten erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe, einerseits eine sehr hohe Dynamik in der Verstellung, selbst unter hohen Stellkräften gewährleistet, und dabei gleichzeitig eine sehr geringe, optimal den im Motorraum vorhandenen Bauraum ausnutzende Baugröße aufweist, und zudem gleichzeitig noch eine sehr präzise, zuverlässige Steuerung des Ventilschiebers bei einer um das 5-fache höhere Lebensdauer gegenüber Kühlmittelpumpen für PKW-Motoren gewährleistet, wobei die zu entwickelnde Kühlmittelpumpe zudem noch fertigungs- und montagetechnisch einfach, und kostengünstig herstellbar ist, zudem auch einfach und kostengünstig ins Motormanagement eingebunden werden kann, und über die gesamte Lebensdauer stets bei hoher Betriebssicherheit und hoher Zuverlässigkeit bei hohem volumetrischen Wirkungsgrad gewährleistet.

Bezugszeichenzusammenstellung

1: Pumpengehäuse
2: Pumpenlager
3: Antriebsrad
4: Pumpenwelle
5: Flügelrad
6: Wellendichtung
7: Pumpeninnenraum
8: Regelschieber
9: Außenzylinder
10: Rückwand
11: Kolbenstangen
12: Kolbenstangenführungsbohrung
13: Hydraulikraum
14: Ringnut
15: Pumpenkanal
16: Pumpenkanalende
17: Gleitschuh
18: Axialkolbenpumpe
19: Schrägscheibe
20: Abstreiferaufnahmebohrung
21: Abstreifer
22: Kolbendichtungsaufnahmebohrung
23: Kolbendichtung
24: Federtelleranlage
25: Federanlageteller
26: Federspannteller
27: Rückstellfeder
28: Steuerkanal
29: Rückführkanal
30: Gehäuseanschluss
31: Regelventil
32: Sensorgehäuseanschluss
33: Magnetspule
34: Wegmesssensorgehäuse
35: Magnetarbeitskammer
36: Permanentmagnet
37: Dichtung
38: Pumpendeckel
39: Befestigungsschraube
40: Kolbendichtring

Claims

Regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1), einer im/am Pumpengehäuse (1) in einem Pumpenlager (2) gelagerten, von einem Antriebsrad (3) rangetriebenen Pumpenwelle (4), mit einem auf dem freien, strömungsseitigen Ende dieser Pumpenwelle (4) drehfest angeordneten Flügelrad (5), einer zwischen dem Pumpenlager (2) und dem Flügelrad (5) im Pumpengehäuse (1) auf der Welle angeordneten Wellendichtung (6), einem druckbetätigten, im Pumpeninnenraum (7) angeordneten Regelschieber (8) mit einer Rückwand (10) und einem den Ausströmbereich des Flügelrades (5) variabel überdeckenden Außenzylinder (9) sowie mehreren an der ringförmig ausgebildeten Rückwand (10) des Regelschiebers (8) angeordneten Führungsstangen, und im Pumpengehäuse (1) parallel zur Pumpenwelle (4) gleichmäßig über den Umfang des Regelschiebers (8), den am Regelschieber (8) angeordneten Führungsstangen zugeordnet, verteilten Stangenführungsbohrungen in denen die am Regelschieber (8) angeordneten Führungsstangen axial verschiebbar gelagert sind, wobei
- an der Rückwand (10) des Regelschiebers (8) auf einem Ringkreis, um 120° zueinander versetzt als Führungsstangen drei Kolbenstangen (11) angeordnet sind, und diese in als Stangenführungsbohrungen dienenden Kolbenstangenführungsbohrungen (12) axial gleitend gelagert sind, und

- allen Kolbenstangenführungsbohrungen (12) antriebsradseitig im Pumpengehäuse (1) benachbart jeweils ein eine Rückstellfeder (27) aufnehmender Hydraulikraum (13) angeordnet ist, und

- im Bereich der offenen Enden der Hydraulikräume (13) im Pumpengehäuse (1) eine Ringnut (14) angeordnet ist, welche alle Hydraulikräume (13) untereinander verbindet, und

- im Bereich des flügelradseitigen Endes der Kolbenstangenführungsbohrungen (12) im Pumpengehäuse (1) Abstreiferaufnahmebohrungen (20) angeordnet sind, in denen dort an den Kolbenstangen (11) anliegende Abstreifer (21) angeordnet sind, und

- hydraulikraumseitig im Pumpengehäuse (1) in den Kolbenstangenführungsbohrungen (12) Kolbendichtungsaufnahmebohrungen (22) angeordnet sind, in denen an den Kolbenstangen (11) anliegende Kolbendichtungen (23) angeordnet sind, und

- im Hydraulikraum (13), der Kolbendichtung (23) beabstandet benachbart, eine Federtelleranlage (24) mit einem mit einer Kolbenstangendurchtrittsbohrung versehenen Federanlageteller (25) eingelegt ist, und zugeordnet am freien, antriebsradseitigen Ende der Kolbenstange (11) ein Federspannteller (26) lagesicher angeordnet ist, wobei zwischen dem Federanlageteller (25) und dem Federspannteller (26) die Rückstellfeder (27) im Hydraulikraum (13) angeordnet ist, und

- zwischen den im Pumpengehäuse (1) angeordneten, in Hydraulikräume (13) mündende Kolbenstangenführungsbohrungen (12) mit den in diesen axial verschiebbar angeordneten Kolbenstangen (11), über die Ringnut (14) gleichmäßig verteilt, ebenfalls in die Ringnut (14) mündende Pumpenkanäle (15) angeordnet sind, in deren flügelradseitigen Pumpenkanalenden (16) jeweils flüssigkeitsdicht eine mit einem am federbelasteten Arbeitskolben mit einem Gleitschuh (17) versehene Axialkolbenpumpe (18) angeordnet ist, wobei dieser Gleitschuh (17) an einer mit einer Saugnut versehenen ringförmigen Schrägscheibe (19) anliegt, welche pumpenlagerseitig, im Bereich der Axialkolbenpumpen (18), pumpengehäuseseitig starr an der Rückwand (10) des Flügelrades (5) angeordnet ist, und

- am Pumpengehäuse (1) ein, mit einem der Pumpenkanäle (15) über einen Steuerkanal (28) und dem Pumpeninnenraum (7) über einen Rückführkanal (29) verbundener Gehäuseanschluss (30) angeordnet ist, in dem zwischen dem Steuerkanal (28) und dem Rückführkanal (29) ein Regelventil (31) angeordnet ist, und

- am Pumpengehäuse (1) einem der Hydraulikräume (13) benachbart, ein Sensorgehäuseanschluss (32) angeordnet ist, in dem ein eine Magnetspule (33) enthaltendes Wegmesssensorgehäuse (34) integriert ist, wobei der Magnetspule (33) im Hydraulikraum (13) benachbart, eine Magnetarbeitskammer (35) angeordnet ist, in der ein starr, im Bereich des antriebsradseitigen freien Endes der Kolbenstange (11) angeordneter Permanentmagnet (36) linear mit der Kolbentange (11) verfahren wird, und mit der Magnetspule (33) als Wegmesssensor in Wirkverbindung tritt.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der antriebsseitigen Außenwand des Pumpengehäuses (1) eine/mehrere Dichtungen (37) angeordnet ist/sind an der/denen ein Pumpendeckel (38) anliegt, der mittels im Pumpengehäuse (1) angeordneter Befestigungsschrauben (39) gegen das Pumpengehäuse (1) flüssigkeitsdicht verspannt wird.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugnut 0,03 mm bis 0,1 mm tief in die Schrägscheibe (19) eingearbeitet ist und in Verbindung mit dem Gleitschuh (17) als Spaltfilter dient.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die am Flügelrad (5) angeordnete Schrägscheibe (19) als biegestabilisierte Metallscheibe ausgeführt ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugnut 0,03 mm bis 5,00 mm tief in die Schrägscheibe (19) eingearbeitet ist und zwischen der Schrägscheibe (19) und dem Gleitschuh (17) ein die Saugnut überdeckender Fliehkraftabscheider in Form einer Filterscheibe angeordnet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpengehäuse (1), flügelradseitig in der Wandung des Pumpeninnenraumes (7) ein am Außenzylinder (9) des Regelschiebers (8) anliegender Kolbendichtring (40) angeordnet ist.