EP3371465A1 - Kühlmittelpumpe für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Kühlmittelpumpe für eine verbrennungskraftmaschine

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EP3371465A1
EP3371465A1 EP16787374.4A EP16787374A EP3371465A1 EP 3371465 A1 EP3371465 A1 EP 3371465A1 EP 16787374 A EP16787374 A EP 16787374A EP 3371465 A1 EP3371465 A1 EP 3371465A1
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EP
European Patent Office
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coolant
control
coolant pump
channel
pump
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EP16787374.4A
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English (en)
French (fr)
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EP3371465B1 (de
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Stephan Zielberg
Michael-Thomas Benra
Andreas Burger
Martin Nowak
Stefan Rothgang
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Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Publication date
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Publication of EP3371465A1 publication Critical patent/EP3371465A1/de
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Publication of EP3371465B1 publication Critical patent/EP3371465B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0027—Varying behaviour or the very pump
    • F04D15/0038—Varying behaviour or the very pump by varying the effective cross-sectional area of flow through the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/12—Combinations of two or more pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F01P2005/105—Using two or more pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/60—Control system actuates means
    • F05D2270/64—Hydraulic actuators

Definitions

  • the invention relates to a coolant pump for an internal combustion engine having a drive shaft, a coolant pump impeller which is at least rotationally fixed on the drive shaft and via which coolant is conveyed, an adjustable control slide, via a free cross-section of an annular gap between an outlet of the coolant pump impeller and the surrounding conveyor channel is controllable, a control pump with a Regelpumpenlaufrad, which is at least rotationally fixed on the drive shaft, a flow channel of the control pump in which by rotation of the Regelpumpenlaufrades a pressure can be generated, a pressure channel through which an outlet of the flow channel with a first pressure chamber of the control slide fluidly is connectable, which is formed on the side facing away from the coolant pump impeller axial side of the control slide, and a valve, via which a flow cross-section of the pressure channel closable and releasable i st.
  • Such coolant pumps are used in internal combustion engines to control the amount of subsidized coolant in order to prevent overheating of the internal combustion engine.
  • the drive of these pumps is usually via a belt or chain drive, so that thedeffenpumpenrad is driven by the speed of the crankshaft or a fixed ratio to the speed of the crankshaft.
  • the pumped coolant quantity is to be adapted to the coolant requirement of the internal combustion engine or of the motor vehicle.
  • the cold running phase should of the engine are shortened. This is done, inter alia, by throttling or completely shutting off the coolant flow during this phase.
  • mechanically controllable coolant pumps have become known, on whose drive shaft a second delivery wheel is arranged, via which the Pressure for adjusting the slider is provided.
  • These pumps are designed, for example, as side channel pumps or servo pumps.
  • Such a coolant device with a lateral pump acting as a secondary pump is known from DE 10 2012 207 387 AI.
  • a pressure side of the secondary pump is closed by a 3/2-way valve in a first position and a suction side of the pump connected to the cooling circuit and the slider and connected in a second position, the pressure side with the slide and the suction side with the cooling circuit.
  • a spring which may possibly be waived by a reset of the pump should be made by the resulting negative pressure on the suction port.
  • a detailed channel and flow guidance is not disclosed.
  • the flow guides shown schematically are technically feasible in modern internal combustion engines only with increased effort and space requirements. In addition, it is doubtful whether the force acting on the slider by the negative pressure is sufficiently great to overcome the frictional forces acting during the adjustment.
  • the flow channel is fluidly connected via a connecting channel with a second pressure chamber of the control slide, which is formed on the pointing to the coolant pump impeller axial side of the control slide, in case of failure of the valve and thus closed connection to the first pressure chamber on the opposite side of the control slide
  • a second pressure chamber of the control slide which is formed on the pointing to the coolant pump impeller axial side of the control slide, in case of failure of the valve and thus closed connection to the first pressure chamber on the opposite side of the control slide
  • the valve is a 3/2-way solenoid valve, which is easy to control and has a small footprint, so that integration into the housing of the coolant pump is possible. By controlling the valve this can be moved to intermediate positions, which also lead according to the shared cross-section to a complete position control of the control slide.
  • control pump impeller is formed integrally with the coolant pump impeller. Accordingly, both wheels can be manufactured and assembled in one manufacturing step. In addition, the required axial space is reduced.
  • the flow channel of the control pump is arranged in a first fixed housing part, on the axially opposite to the flow channel side of the second pressure chamber is formed.
  • This housing part is used accordingly at the same time as the axial boundary of the second pressure chamber and flow housing of the control pump.
  • this housing part can serve as a sliding surface and thus guide for the control slide.
  • the connecting channel is formed in the fixed, the flow channel having housing part. This can be done by forming a simple bore, so that no additional lines between the flow channel and the second pressure chamber must be mounted. The manufacture and assembly of the coolant pump and their space requirements are reduced accordingly.
  • a reliable function in the control of the slide results when the connecting channel extends from a region of an inlet of the control pump in the second pressure chamber.
  • the control pump impeller is preferably arranged on the rear side of the coolant pump impeller axially between the second pressure chamber and the coolant pump impeller. In addition to the axially short design, which is made possible by this arrangement, this also short flow paths for connecting the pressure chambers with the delivery channel or the impeller of the control pump are created.
  • control pump is a side channel pump, so that the delivery channel can be arranged axially opposite to the impeller.
  • the pressure channel extends from the outlet of the control pump through the first housing part and a second housing part to the second pressure chamber, wherein in the first housing part of the controlled by the valve flow area is formed.
  • the pressure channel in the first housing part is formed radially inside the control slide and the first housing part bounds the two pressure chambers radially inward.
  • the first housing part can thus simultaneously serve as the inner guide of the control slide.
  • the channels can be made very short, whereby the reaction time of the control is reduced.
  • coolant pump for an internal combustion engine in which the control slide is purely hydraulic, both in normal operation and in the case of the emergency operation, so that no additional components, such as springs and the like are required, sufficient promotion of coolant to prevent overheating to provide the internal combustion engine. Furthermore, only a very small space is required for this pump.
  • the coolant pump according to the invention is also easy and inexpensive to manufacture and assemble.
  • Figure 1 shows a side view of a coolant pump according to the invention in a sectional view.
  • Figure 2 shows a rotated to Figure 1 side view of the coolant pump according to the invention in a sectional view.
  • the coolant pump consists of an outer housing 10 in which a spiral conveying channel 12 is formed, in which a coolant is sucked in via an axial pump inlet 14 which is likewise formed in the outer housing 10, which coolant flows via the delivery channel 12 to a tangential pump outlet 16 and formed in the outer housing 10 is conveyed into a cooling circuit of the internal combustion engine.
  • a coolant pump impeller 20 is fixed radially inside the conveying channel 12 on a drive shaft 18, which is designed as a Radialpumpenrad, by the rotation of the promotion of the coolant takes place in the conveying channel 12.
  • a control pump impeller 22 is formed, which is rotated in accordance with the coolant pump impeller 20.
  • This control pump impeller 22 has blades 23 which are arranged axially opposite to a flow channel 24 formed as a side channel, which is formed in a first inner housing part 26.
  • an inlet and an outlet 30 are formed, so that the control pump impeller 22 forms a control pump 32 with the flow channel 24, via which the pressure of the coolant from the inlet to the outlet 30 is increased.
  • the pulley 36 is mounted on a double-row ball bearing 38, the outer ring 40 is pressed on the pulley 36 and the inner ring 42 on a second inner housing part 44.
  • the second housing part 44 has an inner axial passage opening 46 into which an annular projection 48 of the first housing part 26 protrudes, via which the first housing part 26 is attached to the second housing part 44.
  • the second housing part 44 is fastened to the outer housing 10 with the interposition of a seal 50.
  • the outer housing 10 at its pump inlet 14 opposite axial end has a receiving opening 52 into which an annular projection 54 of the second housing part 44 protrudes, on the peripheral wall of a groove 56 is formed, in which the seal 50 is arranged.
  • This projection 54 also serves as a rear stop for a control slide 58, the cylindrical peripheral wall 60 can be pushed over the coolant pump impeller 20 so that a free cross section of an annular gap 62 between an outlet 64 of the coolant pump impeller 20 and the delivery channel 12 is controlled. In accordance with the position of this control slide 58, the coolant flow conveyed through the coolant circuit is thus regulated.
  • the control slide 58 has, in addition to the peripheral wall 60, a bottom plate 66 with an inner opening 68, from the outer periphery of which the peripheral wall 60 extends axially through an annular gap 70 between the first housing part 26 and the outer housing 10 in the direction of the axially adjoining annular gap 62 , At the inner circumference and at the outer periphery of the bottom plate 66, a radial groove 72, 74 is formed in each of which a piston ring 76, 78 is arranged, via which the control slide 58 in the radially inner region on the first housing part 26 and in the radially outer region in the receiving opening 52 of the outer housing 10 is slidably mounted.
  • a first pressure chamber 80 located on the side remote from the coolant pump impeller 20 side of the control slide 58, a first pressure chamber 80, axially through the second housing part 44 and the bottom plate 66 of the control slide 58 and radially outwardly through the outer housing 10th or the annular projection 54 of the second housing part 44 and is bounded radially inwardly by the first housing part 26.
  • a second pressure chamber 82 is formed, which is axially bounded by the bottom plate 66 and the first housing part 26, radially outwardly through the peripheral wall 60 of the control slide 58 and radially inwardly through the first housing part 26 , Depending on the pressure difference applied to the bottom plate 66 of the control slide 58 in the two pressure chambers 80, 82, the peripheral wall 60 of the control slide 58 is correspondingly pushed into or out of the annular gap 62 into the annular gap 62.
  • the pressure difference required for this purpose is generated by the control pump 32 and supplied to the respective pressure chamber 80, 82 by means of a valve 84, which is designed as a 3/2-way solenoid valve.
  • a receiving opening 86 for the valve 84 is formed in the second housing part 44, via which, depending on the position of its closing body 88, a flow cross-section 90 of a pressure channel 92 is regulated.
  • This pressure channel 92 extends from the outlet 30 of the flow channel 24 of the control pump 32 initially into a radially inner region of the first housing part 26 and from there axially into the second housing part 44, in which the controllable flow cross-section 90 of the pressure channel 92 is formed by the closing body 88 of the solenoid valve 84 can be closed and released. From this controllable flow cross-section 90, the pressure channel 92 extends further into the first pressure chamber 80.
  • the second pressure chamber 82 is connected via a connecting channel 94, which is formed in the first housing part 26, with the flow channel 24, said connecting channel 94 formed by a bore is that extends from a region of the inlet from the flow channel 24 directly into the second pressure chamber.
  • a third, not shown, flow connection of the control valve leads to the suction side of the coolant pump. If the coolant pump to promote a maximum amount of coolant during operation, the annular gap 62 at the outlet 64 of the coolant pump impeller 20 is fully released by the solenoid valve 84 is not energized, whereby the closing body 88 is moved due to a spring force in its the flow cross-section 90 of the pressure channel 92 occlusive position , As a result, no pressure is built up by the coolant in the first pressure chamber 80, but the coolant present in the pressure chamber 80 can flow to the pump inlet 14 of the coolant pump via the not shown other flow connection of the solenoid valve 84, which is released in this state.
  • the control pump 32 promotes against the closed flow cross-section 90, whereby an increased pressure builds up in the entire flow channel 24, which also acts in the region of the inlet of the control pump and correspondingly builds up via the connecting channel 94 in the second pressure chamber 82.
  • This increased pressure in the second pressure chamber 82 has the consequence that a pressure difference arises on the bottom plate 66 of the control slide 58, which results in that the control slide 58 is displaced into its position releasing the annular gap 62 and thus a maximum delivery of the coolant pump is ensured.
  • the control slide 58 In case of failure of the electrical supply of the solenoid valve 84, the control slide 58 assumes the same position, so that a maximum delivery of the coolant pump is ensured in this emergency mode, without the need for a return spring or other, non-hydraulic force would be necessary.
  • An excessive increase of the pressure in the second pressure chamber 82 is avoided, inter alia, by a leakage over the gap 70 between the first housing part 26 and the peripheral wall 60, so that the additionally funded by the control pump 32 coolant is also used for promotion in the cooling circuit.
  • the coolant from the first pressure chamber can flow off via a return duct, not shown, extending from the solenoid valve 84 through the second housing part 44 and then extends along the drive shaft 18 in the interior of the first housing part 26 and leads via a bore in the coolant pump impeller 20 to the pump inlet 14 of the coolant pump.
  • the solenoid valve 84 is energized, whereby the closing body 88 releases the flow cross-section 90 of the pressure channel 92. Accordingly, the pressure arising at the outlet 30 of the control pump 32 is also generated in the pressure channel 92 and in the first pressure chamber 80, while at the same time the pressure in the second pressure chamber 82 decreases, since in the region of the inlet by the suction of the coolant, a reduced pressure. In this case, the coolant present in the second pressure chamber 82 is initially aspirated.
  • valve 84 it is also possible to move the valve 84 in intermediate positions, whereby an equilibrium of forces can be achieved for each position of the control slide 58, so that complete regulation of the flow cross-section of the annular gap 62 is made possible.
  • the coolant pump described is extremely compact, but easy and inexpensive to produce and assemble. On additional lines for hydraulic connection of the control pump with the pressure chambers of the control slide can be omitted, since they can be formed over very short distances as simple holes in the two inner housing parts. An adjustment of the control slide takes place exclusively on the prevailing in the two pressure chambers hydraulic forces, so that can be dispensed with additional components, such as return springs.

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Abstract

Kühlmittelpumpen für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Antriebswelle (18), einem Kühlmittelpumpenlaufrad (20), welches fest auf der Antriebswelle (18) zumindest drehfest angeordnet ist und über welches Kühlmittel förderbar ist, einem verstellbaren Regelschieber (58), über den ein Durchströmungsquerschnitt eines Ringspalts (62) zwischen einem Austritt (64) des Kühlmittelpumpenlaufrades (20) und dem umgebenden Förderkanal (12) regelbar ist, einer Regelpumpe (32) mit einem Regelpumpenlaufrad (22), welches auf der Antriebswelle (18) zumindest drehfest angeordnet ist, einem Strömungskanal (24) der Regelpumpe (32), in dem durch Drehung des Regelpumpenlaufrades (22) ein Druck erzeugbar ist, einem Druckkanal (92), über welchen ein Auslass (30) des Strömungskanals (24) mit einem ersten Druckraum (80) des Regelschiebers (58) fluidisch verbindbar ist, der an der vom Kühlmittelpumpenlaufrad (20) abgewandten axialen Seite des Regelschiebers (58) ausgebildet ist und einem Ventil (84), über welches ein Durchströmungsquerschnitt (90) des Druckkanals (92) verschließbar und freiggebbar ist, sind bekannt. Um auch ohne die Verwendung einer Rückstellfeder einen Notlaufbetrieb mit maximaler Kühlmittelversorgung des Kühlmittelkreislaufs sicherstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal (24) über einen Verbindungskanal (94) mit einem zweiten Druckraum (82) des Regelschiebers (58) fluidisch verbunden ist, der an der zum Kühlmittelpumpenlaufrad (20) weisenden axialen Seite des Regelschiebers (58) ausgebildet ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Kühl mittel pumpe für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Antriebswelle, einem Kühlmittelpumpenlaufrad, welches zumindest drehfest auf der Antriebswelle angeordnet ist und über welches Kühlmittel förderbar ist, einem verstellbaren Regelschieber, über den ein freier Querschnitt eines Ringspalts zwischen einem Austritt des Kühlmittelpumpenlaufrades und dem umgebenden Förderkanal regelbar ist, einer Regelpumpe mit einem Regelpumpenlaufrad, welches auf der Antriebswelle zumindest drehfest angeordnet ist, einem Strömungskanal der Regelpumpe, in dem durch Drehung des Regelpumpenlaufrades ein Druck erzeugbar ist, einem Druckkanal, über welchen ein Auslass des Strömungskanals mit einem ersten Druckraum des Regelschiebers fluidisch verbindbar ist, der an der vom Kühlmittelpumpenlaufrad abgewandten axialen Seite des Regelschiebers ausgebildet ist, und einem Ventil, über welches ein Strömungsquerschnitt des Druckkanals verschließbar und freiggebbar ist.
Derartige Kühlmittelpumpen dienen in Verbrennungsmotoren zur Mengenregelung des geförderten Kühlmittels, um ein Überhitzen des Verbrennungsmotors zu verhindern. Der Antrieb dieser Pumpen erfolgt zumeist über einen Riemen- oder Kettentrieb, so dass das Kühlmittelpumpenrad mit der Drehzahl der Kurbelwelle oder einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben wird.
In modernen Verbrennungsmotoren ist die geförderte Kühlmittelmenge an den Kühlmittelbedarf des Verbrennungsmotors oder des Kraftfahrzeugs anzupassen. Zur Vermeidung erhöhter Schadstoffemissionen und Minderung des Kraftstoffverbrauchs sollte insbesondere die Kaltlaufphase des Motors verkürzt werden. Dies erfolgt unter anderem dadurch, dass der Kühlmittelstrom während dieser Phase gedrosselt oder vollkommen abgeschaltet wird.
Zur Regelung der Kühlmittelmenge sind verschiedene Pumpenausführungen bekannt geworden. Neben elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpen sind Pumpen bekannt, die über Kupplungen, insbesondere hydrodynamische Kupplungen an ihren Antrieb angekoppelt oder von diesem getrennt werden können. Eine besonders kostengünstige und einfach aufgebaute Möglichkeit zur Regelung des geförderten Kühlmittelstroms ist die Verwendung eines axial verschiebbaren Regelschiebers, der über das Kühlmittelpumpenlaufrad geschoben wird, so dass zur Reduzierung des Kühlmittelstroms die Pumpe nicht in den umliegenden Förderkanal sondern gegen den geschlossenen Schieber fördert.
Die Regelung dieser Schieber erfolgt ebenfalls in unterschiedlicher Weise. Neben einer rein elektrischen Verstellung hat sich vor allem eine hydraulische Verstellung der Schieber bewährt. Diese erfolgt zumeist über einen ringförmigen Kolbenraum, der mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt wird, und dessen Kolben mit dem Schieber verbunden ist, so dass bei Füllung des Raumes der Schieber über das Laufrad verschoben wird. Eine Rückstellung des Schiebers erfolgt durch Öffnen des Kolbenraums zu einem Auslass, was zumeist über ein Magnetventil erfolgt sowie unter Einwirkung einer Feder, die die Kraft zur Rückstellung des Schiebers zur Verfügung stellt.
Um die zum Verfahren des Schiebers benötigte Kühlmittelmenge nicht über zusätzliche Fördereinheiten, wie zusätzliche
Kolben/Zylindereinheiten zur Verfügung stellen zu müssen oder andere Hydraulikflüssigkeiten zur Betätigung verdichten zu müssen, sind mechanisch regelbare Kühlmittelpumpen bekannt geworden, auf deren Antriebswelle ein zweites Förderrad angeordnet ist, über welches der Druck zur Verstellung des Schiebers zur Verfügung gestellt wird. Diese Pumpen werden beispielsweise als Seitenkanalpumpen oder Servopumpen ausgeführt.
Eine derartige Kühlmitteleinrichtung mit einer als Sekundärpumpe wirkenden Seitenkanalpumpe ist aus der DE 10 2012 207 387 AI bekannt. Bei dieser Pumpe wird über ein 3/2-Wegeventil in einer ersten Stellung eine Druckseite der Sekundärpumpe verschlossen und eine Saugseite der Pumpe mit dem Kühlkreislauf und dem Schieber verbunden und in einer zweiten Stellung die Druckseite mit dem Schieber und die Saugseite mit dem Kühlkreislauf verbunden. Zur Rückstellung des Schiebers dient eine Feder, auf die eventuell verzichtet werden können soll, indem durch den am Sauganschluss entstehenden Unterdruck eine Rückstellung der Pumpe erfolgen soll . Eine detaillierte Kanal- und Strömungsführung wird nicht offenbart. Die schematisch dargestellten Strömungsführungen sind in modernen Verbrennungsmotoren technisch nur mit erhöhtem Aufwand und Bauraumbedarf realisierbar. Zusätzlich ist es zweifelhaft, ob die durch den Unterdruck auf den Schieber wirkende Kraft ausreichend groß ist, um die bei der Verstellung wirkenden Reibungskräfte zu überwinden.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei der eine Rückstellung des Schiebers in seine eine Maximalfördermenge der Kühlmittelpumpe sichernde Position sowohl bei der Regelung der Pumpe im Normalbetrieb als auch im Notlaufbetrieb bei Ausfall der Elektrik und damit des Magnetventils ohne Verwendung einer Druckfeder sichergestellt werden kann. Ferner ist es Aufgabe, eine Kühlmittelpumpe zur Verfügung zu stellen, deren Kanal- und Kühlmittelführung bei den zur Verfügung stehenden Platzverhältnissen in modernen Verbrennungsmotoren realisierbar ist. Insbesondere soll die Pumpe als Steckpumpe innerhalb einer entsprechenden Ausnehmung im Kurbelgehäuse angeordnet werden können. Diese Aufgabe wird durch eine Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass der Strömungskanal über einen Verbindungskanal mit einem zweiten Druckraum des Regelschiebers fluidisch verbunden ist, der an der zum Kühlmittelpumpenlaufrad weisenden axialen Seite des Regelschiebers ausgebildet ist, wird bei Ausfall des Ventils und somit geschlossener Verbindung zum ersten Druckraum an der entgegengesetzten Seite des Regelschiebers ein Druck aufgebaut, durch den der Regelschieber, ohne eine Rückstellfeder verwenden zu müssen, zuverlässig in seine das Kühlmittelpumpenlaufrad freigebende Stellung geschoben wird. Somit wird bei Ausfall der elektrischen Versorgung eine Notlaufposition des Regelschiebers sichergestellt, in der eine maximale Kühlmittelförderung zum Verbrennungsmotor erfolgt und somit eine Überhitzung des Verbrennungsmotors vermieden wird.
Vorzugsweise ist das Ventil ein 3/2-Wege-Magnetventil, welches einfach ansteuerbar ist und einen geringen Platzbedarf aufweist, so dass eine Integration in das Gehäuse der Kühlmittelpumpe möglich wird. Durch eine Regelung des Ventils kann dieses in Zwischenpositionen gefahren werden, welche entsprechend des freigegebenen Querschnitts auch zu einer vollständigen Stellungsregelung des Regelschiebers führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Regelpumpenlaufrad einstückig mit dem Kühlmittelpumpenlaufrad ausgebildet. Entsprechend können beide Laufräder in einem Herstellungsschritt hergestellt und montiert werden. Zusätzlich wird der benötigte axiale Bauraum reduziert.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Strömungskanal der Regelpumpe in einem ersten festen Gehäuseteil angeordnet, an dessen zum Strömungskanal axial gegenüberliegenden Seite der zweite Druckraum ausgebildet ist. Dieses Gehäuseteil dient entsprechend gleichzeitig als axiale Begrenzung des zweiten Druckraums und Strömungsgehäuse der Regelpumpe. Zusätzlich kann dieses Gehäuseteil als Gleitfläche und somit Führung für den Regelschieber dienen.
In einer hierzu weiterführenden bevorzugten Ausführungsform ist der Verbindungskanal im festen, den Strömungskanal aufweisenden Gehäuseteil ausgebildet. Dies kann durch Ausbildung einer einfachen Bohrung erfolgen, so dass keine zusätzlichen Leitungen zwischen dem Strömungskanal und dem zweiten Druckraum montiert werden müssen. Die Herstellung und die Montage der Kühlmittelpumpe sowie deren Platzbedarf werden entsprechend reduziert.
Eine sichere Funktion bei der Regelung des Schiebers ergibt sich, wenn sich der Verbindungskanal von einem Bereich eines Einlasses der Regelpumpe in den zweiten Druckraum erstreckt. Durch diese Anordnung wird ein Druck im zweiten Druckraum nur bei geschlossenem Ventil aufgebaut, also wenn ein Förderdruck der Pumpe durch den Verschluss des Auslasses auch am Einlass entsteht. Andernfalls besteht im zweiten Druckraum immer nur der geringere Druck im Bereich des Einlasses der Regelpumpe.
Vorzugsweise ist das Regelpumpenlaufrad an der Rückseite des Kühlmittelpumpenlaufrades axial zwischen dem zweiten Druckraum und dem Kühlmittelpumpenlaufrad angeordnet. Neben der axial kurzen Bauweise, die durch diese Anordnung ermöglicht wird, werden hierdurch auch kurze Strömungswege zur Verbindung der Druckräume mit dem Förderkanal beziehungsweise dem Laufrad der Regelpumpe geschaffen.
In einer weiterführenden bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist die Regelpumpe eine Seitenkanalpumpe, so dass auch der Förderkanal axial gegenüberliegend zum Laufrad angeordnet werden kann. Diese eignet sich in besonderem Maße zur Erzeugung hoher Förderdrücke bei kleinen Volumenströmen. Vorteilhafterweise erstreckt sich der Druckkanal vom Auslass der Regelpumpe durch das erste Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil zum zweiten Druckraum, wobei im ersten Gehäuseteil der vom Ventil beherrschte Durchströmungsquerschnitt ausgebildet ist. Durch diese Bauweise wird eine sehr kompakte Kühlmittelpumpe ohne zusätzliche Verbindungsleitungen geschaffen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Druckkanal im ersten Gehäuseteil radial innerhalb des Regelschiebers ausgebildet und das erste Gehäuseteil begrenzt die beiden Druckräume nach radial innen. Das erste Gehäuseteil kann somit gleichzeitig als innere Führung des Regelschiebers dienen. Die Kanäle können sehr kurz ausgebildet werden, wodurch die Reaktionszeit der Regelung verringert wird.
Es wird somit eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, bei der der Regelschieber sowohl im Normalbetrieb als auch im Fall des Notlaufbetriebs rein hydraulisch erfolgt, so dass keine zusätzlichen Bauteile, wie Federn und dergleichen erforderlich sind, um eine ausreichende Förderung von Kühlmittel zur Verhinderung einer Überhitzung des Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren wird für diese Pumpe nur ein sehr geringer Bauraum benötigt. Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe ist außerdem einfach und kostengünstig herstellbar und montierbar.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe für einen Verbrennungsmotor ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe in geschnittener Darstellung. Figur 2 zeigt eine zu Figur 1 gedrehte Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe in geschnittener Darstellung.
Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe besteht aus einem Außengehäuse 10, in dem ein spiralförmiger Förderkanal 12 ausgebildet ist, in den über einen ebenfalls im Außengehäuse 10 ausgebildeten axialen Pumpeneinlass 14 ein Kühlmittel angesaugt wird, welcher über den Förderkanal 12 zu einem im Außengehäuse 10 ausgebildeten tangentialen Pumpenauslass 16 und in einen Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine gefördert wird.
Hierzu ist radial innerhalb des Förderkanals 12 auf einer Antriebswelle 18 ein Kühlmittelpumpenlaufrad 20 befestigt, welches als Radialpumpenrad ausgebildet ist, durch dessen Drehung die Förderung des Kühlmittels im Förderkanal 12 erfolgt. An der zum Pumpeneinlass 14 entgegengesetzten axialen Seite des Kühlmittelpumpenlaufrades 20 ist ein Regelpumpenlaufrad 22 ausgebildet, welches entsprechend mit dem Kühlmittelpumpenlaufrad 20 gedreht wird. Dieses Regelpumpenlaufrad 22 weist Schaufeln 23 auf, die axial gegenüberliegend zu einem als Seitenkanal ausgebildeten Strömungskanal 24 angeordnet sind, der in einem ersten inneren Gehäuseteil 26 ausgebildet ist. In diesem ersten Gehäuseteil 26 sind ein Einlass und ein Auslass 30 ausgebildet, so dass das Regelpumpenlaufrad 22 mit dem Strömungskanal 24 eine Regelpumpe 32 bildet, über welche der Druck des Kühlmittels vom Einlass zum Auslass 30 erhöht wird.
Der Antrieb des Kühlmittelpumpenlaufrades 20 und des Regelpumpenlaufrades 22 erfolgt über einen Riemen 34, der in ein Riemenrad 36 greift, welches am zum Kühlmittelpumpenlaufrad 20 entgegengesetzten axialen Ende der Antriebswelle 18 befestigt ist. Das Riemenrad 36 ist über ein zweireihiges Kugellager 38 gelagert, dessen Außenring 40 am Riemenrad 36 und dessen Innenring 42 auf einem zweiten inneren Gehäuseteil 44 aufgepresst ist. Das zweite Gehäuseteil 44 weist eine innere axiale Durchgangsöffnung 46 auf, in die ein ringförmiger Vorsprung 48 des ersten Gehäuseteils 26 ragt, über den das erste Gehäuseteil 26 am zweiten Gehäuseteil 44 befestigt ist. Das zweite Gehäuseteil 44 ist unter Zwischenlage einer Dichtung 50 am Außengehäuse 10 befestigt. Hierzu weist das Außengehäuse 10 an seinem zum Pumpeneinlass 14 entgegengesetzten axialen Ende eine Aufnahmeöffnung 52 auf, in die ein ringförmiger Vorsprung 54 des zweiten Gehäuseteils 44 ragt, an dessen Umfangswand eine Nut 56 ausgebildet ist, in der die Dichtung 50 angeordnet ist.
Dieser Vorsprung 54 dient gleichzeitig als rückwärtiger Anschlag für einen Regelschieber 58, dessen zylindrische Umfangswand 60 derart über das Kühlmittelpumpenlaufrad 20 geschoben werden kann, dass ein freier Querschnitt eines Ringspalts 62 zwischen einem Austritt 64 des Kühlmittelpumpenlaufrades 20 und dem Förderkanal 12 geregelt wird. Entsprechend der Stellung dieses Regelschiebers 58 wird somit der durch den Kühlmittelkreislauf geförderte Kühlmittelstrom geregelt.
Der Regelschieber 58 weist neben der Umfangswand 60 eine Bodenplatte 66 mit einer inneren Öffnung 68 auf, von deren Außenumfang aus sich die Umfangswand 60 axial durch einen ringförmigen Spalt 70 zwischen dem ersten Gehäuseteil 26 und dem Außengehäuse 10 in Richtung des sich axial anschließenden Ringspaltes 62 erstreckt. Am inneren Umfang und am äußeren Umfang der Bodenplatte 66 ist jeweils eine Radialnut 72, 74 ausgebildet, in der jeweils ein Kolbenring 76, 78 angeordnet ist, über die der Regelschieber 58 im radial inneren Bereich auf dem ersten Gehäuseteil 26 und im radial äußeren Bereich in der Aufnahmeöffnung 52 des Außengehäuses 10 gleitend gelagert ist.
Erfindungsgemäß befindet sich an der vom Kühlmittelpumpenlaufrad 20 abgewandten Seite des Regelschiebers 58 ein erster Druckraum 80, der axial durch das zweite Gehäuseteil 44 und die Bodenplatte 66 des Regelschiebers 58 und radial nach außen durch das Außengehäuse 10 beziehungsweise den ringförmigen Vorsprung 54 des zweiten Gehäuseteils 44 und nach radial innen durch das erste Gehäuseteil 26 begrenzt wird. An der zum Kühlmittelpumpenlaufrad 20 gewandten Seite der Bodenplatte 66 wird ein zweiter Druckraum 82 gebildet, der axial durch die Bodenplatte 66 und das erste Gehäuseteil 26, nach radial außen durch die Umfangswand 60 des Regelschiebers 58 und nach radial innen durch das erste Gehäuseteil 26 begrenzt wird. Je nach an der Bodenplatte 66 des Regelschiebers 58 in den beiden Druckräumen 80, 82 anliegender Druckdifferenz wird die Umfangswand 60 des Regelschiebers 58 entsprechend in den Ringspalt 62 hinein- oder aus dem Ringspalt 62 herausgeschoben.
Die hierzu notwendige Druckdifferenz wird durch die Regelpumpe 32 erzeugt und mittels eines Ventils 84, welches als 3/2-Wege-Magnetventil ausgebildet ist, dem jeweiligen Druckraum 80, 82 zugeführt. Hierzu ist im zweiten Gehäuseteil 44 eine Aufnahmeöffnung 86 für das Ventil 84 ausgebildet, über welches je nach Position seines Schließkörpers 88 ein Durchströmungsquerschnitt 90 eines Druckkanals 92 geregelt wird. Dieser Druckkanal 92 erstreckt sich vom Auslass 30 des Strömungskanals 24 der Regelpumpe 32 zunächst in einen radial inneren Bereich des ersten Gehäuseteils 26 und von dort axial in das zweite Gehäuseteil 44, in dem der regelbare Durchströmungsquerschnitt 90 des Druckkanals 92 ausgebildet ist, der durch den Schließkörper 88 des Magnetventils 84 verschließbar und freigebbar ist. Von diesem regelbaren Durchströmungsquerschnitt 90 erstreckt sich der Druckkanal 92 weiter bis in den ersten Druckraum 80. Der zweite Druckraum 82 ist über einen Verbindungskanal 94, welcher im ersten Gehäuseteil 26 ausgebildet ist, mit dem Strömungskanal 24 verbunden, wobei dieser Verbindungskanal 94 durch eine Bohrung gebildet ist, die sich von einem Bereich des Einlasses aus dem Strömungskanal 24 direkt in den zweiten Druckraum erstreckt. Ein dritter, nicht dargestellter Strömungsanschluss des Regelventils führt zur Saugseite der Kühlmittelpumpe. Soll die Kühlmittelpumpe im Betrieb eine maximale Kühlmittelmenge fördern, wird der Ringspalt 62 am Austritt 64 des Kühlmittelpumpenlaufrades 20 vollständig freigegeben, indem das Magnetventil 84 nicht bestromt wird, wodurch der Schließkörper 88 aufgrund einer Federkraft in seine den Durchströmungsquerschnitt 90 des Druckkanals 92 verschließende Stellung verschoben wird. Dies hat zur Folge, dass im ersten Druckraum 80 kein Druck durch das Kühlmittel aufgebaut wird, sondern das im Druckraum 80 vorhandene Kühlmittel über den nicht dargestellten anderen Strömungsanschluss des Magnetventils 84, der in diesem Zustand freigegeben ist, zum Pumpeneinlass 14 der Kühlmittelpumpe abströmen kann. Stattdessen fördert in diesem Zustand die Regelpumpe 32 gegen den geschlossenen Durchströmungsquerschnitt 90, wodurch sich im gesamten Strömungskanal 24 ein erhöhter Druck aufbaut, der auch im Bereich des Einlasses der Regelpumpe wirkt und sich entsprechend über den Verbindungskanal 94 auch im zweiten Druckraum 82 aufbaut. Dieser erhöhte Druck im zweiten Druckraum 82 hat zur Folge, dass an der Bodenplatte 66 des Regelschiebers 58 eine Druckdifferenz entsteht, die dazu führt, dass der Regelschieber 58 in seine den Ringspalt 62 freigebende Position verschoben wird und somit eine Maximalförderung der Kühlmittelpumpe sichergestellt wird. Bei einem Ausfall der elektrischen Versorgung des Magnetventils 84 nimmt der Regelschieber 58 entsprechend die gleiche Position ein, so dass auch in diesem Notlaufbetriebszustand eine Maximalförderung der Kühlmittelpumpe sichergestellt wird, ohne dass hierzu eine Rückstellfeder oder eine andere, nicht hydraulische Kraft notwendig wäre. Eine zu starke Erhöhung des Drucks im zweiten Druckraum 82 wird unter anderem durch eine Leckage über den Spalt 70 zwischen dem ersten Gehäuseteil 26 und der Umfangswand 60 vermieden, so dass das zusätzlich durch die Regelpumpe 32 geförderte Kühlmittel ebenfalls zur Förderung in den Kühlkreislauf genutzt wird. Das Kühlmittel aus dem ersten Druckraum kann über einen nicht dargestellten Rückführkanal abfließen, der sich vom Magnetventil 84 durch das zweite Gehäuseteil 44 und anschließend entlang der Antriebswelle 18 im Innern des ersten Gehäuseteils 26 erstreckt und über eine Bohrung im Kühlmittelpumpenlaufrad 20 zum Pumpeneinlass 14 der Kühlmittelpumpe führt.
Wird ein reduzierter Kühlmittelstrom zum Kühlkreislauf von der Motorsteuerung gefordert, wie dies beispielsweise während des Warmlaufs des Verbrennungsmotors nach dem Kaltstart der Fall ist, wird das Magnetventil 84 bestromt, wodurch der Schließkörper 88 den Durchströmungsquerschnitt 90 des Druckkanals 92 freigibt. Entsprechend wird der am Auslass 30 der Regelpumpe 32 entstehende Druck auch im Druckkanal 92 und im ersten Druckraum 80 erzeugt, während gleichzeitig der Druck im zweiten Druckraum 82 sinkt, da im Bereich des Einlasses durch das Ansaugen des Kühlmittels ein verringerter Druck entsteht. Dabei wird zunächst auch das im zweiten Druckraum 82 vorhandene Kühlmittel abgesaugt. In diesem Zustand liegt entsprechend erneut eine Druckdifferenz an der Bodenplatte 66 des Regelschiebers 58 an, die dazu führt, dass der Regelschieber 58 in den Ringspalt 62 verschoben wird und somit der Kühlmittelstrom im Kühlkreislauf unterbrochen wird. Bei erhöhtem Druckaufbau im ersten Druckraum 80 steigt nach einiger Zeit auch der Druck im Strömungskanal 24 und im zweiten Druckraum 82, was jedoch nicht zu einer Rückstellung führt, da die Leckage aus dem zweiten Druckraum 82 größer ist als aus dem ersten Druckraum 80 und zur Verstellung zusätzlich eine Reibungskraft zu überwinden wäre. Entsprechend verbleibt der Regelschieber 58 in der gewünschten Position, ohne dass eine zu starke Druckerhöhung entsteht.
Wird ein regelbares Magnetventil 84 verwendet, ist es auch möglich, das Ventil 84 in Zwischenstellungen zu fahren, wodurch für jede Position des Regelschiebers 58 ein Kräftegleichgewicht erzielbar ist, so dass eine vollständige Regelung des Durchströmungsquerschnitts des Ringspaltes 62 ermöglicht wird. Die beschriebene Kühlmittelpumpe ist äußerst kompakt aufgebaut, jedoch einfach und kostengünstig herstellbar und montierbar. Auf zusätzliche Leitungen zur hydraulischen Verbindung der Regelpumpe mit den Druckräumen des Regelschiebers kann verzichtet werden, da diese über sehr kurze Wege als einfache Bohrungen in den beiden inneren Gehäuseteilen ausgebildet werden können. Eine Verstellung des Regelschiebers erfolgt ausschließlich über die in den beiden Druckräumen herrschenden hydraulischen Kräfte, so dass auf zusätzliche Bauteile, wie Rückstellfedern verzichtet werden kann. Dennoch wird eine zuverlässige Notlauffunktion sichergestellt, da bei Ausfall der Bestromung immer eine Druckdifferenz über den Regelschieber entsteht, der diesen in seine den Ringspalt freigebende Stellung verschiebt. Zusätzlich wird der zur Verstellung in die den Ringspalt verschließende Position des Regelschiebers Kraftbedarf durch den Wegfall der Rückstellfeder reduziert, so dass eine schnellere Verstellung mit kleineren Querschnitten möglich ist.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere sind andere Gehäuseteilungen oder die Verwendung eines anderen Ventils oder einer anders ausgeführten Regelpumpe denkbar. Auch die Kanalführungen oder die Begrenzungen der Druckräume können geändert werden, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Zusätzlich ist beispielsweise eine zweistückige Ausbildung der beiden Pumpenlaufräder denkbar.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine mit
einer Antriebswelle (18),
einem Kühlmittelpumpenlaufrad (20), welches zumindest drehfest auf der Antriebswelle (18) angeordnet ist und über welches Kühlmittel förderbar ist,
einem verstellbaren Regelschieber (58), über den ein Durchströmungsquerschnitt eines Ringspalts (62) zwischen einem Austritt (64) des Kühlmittelpumpenlaufrades (20) und dem umgebenden Förderkanal (12) regelbar ist,
einer Regelpumpe (32) mit einem Regelpumpenlaufrad (22), welches auf der Antriebswelle (18) zumindest drehfest angeordnet ist, einem Strömungskanal (24) der Regelpumpe (32), in dem durch Drehung des Regelpumpenlaufrades (22) ein Druck erzeugbar ist, einem Druckkanal (92), über welchen ein Auslass (30) des Strömungskanals (24) mit einem ersten Druckraum (80) des Regelschiebers (58) fluidisch verbindbar ist, der an der vom Kühlmittelpumpenlaufrad (20) abgewandten axialen Seite des Regelschiebers (58) ausgebildet ist,
einem Ventil (84), über welches ein Durchströmungsquerschnitt (90) des Druckkanals (92) verschließbar und freiggebbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungskanal (24) über einen Verbindungskanal (94) mit einem zweiten Druckraum (82) des Regelschiebers (58) fluidisch verbunden ist, der an der zum Kühlmittelpumpenlaufrad (20) weisenden axialen Seite des Regelschiebers (58) ausgebildet ist.
Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass
das Ventil (84) ein 3/2-Wege-Magnetventil ist.
3. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Regelpumpenlaufrad (22) einstückig mit dem Kühlmittelpumpenlaufrad (20) ausgebildet ist.
4. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungskanal (24) der Regelpumpe (32) in einem ersten, festen Gehäuseteil (26) ausgebildet ist, an dessen zum Strömungskanal (24) axial gegenüberliegenden Seite der zweite Druckraum (82) angeordnet ist.
5. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verbindungskanal (94) im festen, den Strömungskanal (24) aufweisenden Gehäuseteil (26) ausgebildet ist.
6. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich der Verbindungskanal (94) von einem Bereich eines Einlasses der Regelpumpe (32) in den zweiten Druckraum (82) erstreckt.
7. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Regelpumpenlaufrad (22) an der Rückseite des Kühlmittelpumpenlaufrades (20) axial zwischen dem zweiten Druckraum (82) und dem Kühlmittelpumpenlaufrad (20) angeordnet ist.
8. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelpumpe (32) eine Seitenkanalpumpe ist.
9. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich der Druckkanal (92) vom Auslass (30) der Regelpumpe (32) durch das erste Gehäuseteil (26) und ein zweites Gehäuseteil (44) in den ersten Druckraum (80) erstreckt, wobei im zweiten Gehäuseteil (44) der vom Ventil (84) beherrschte Durchströmungsquerschnitt (90) ausgebildet ist.
10. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckkanal (92) im ersten Gehäuseteil (26) radial innerhalb des Regelschiebers (58) ausgebildet ist und das erste Gehäuseteil (26) die beiden Druckräume (80, 82) nach radial innen begrenzt.
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