EP3676498B1

EP3676498B1 - Regelbare kühlmittelpumpe für haupt- und nebenförderkreislauf

Info

Publication number: EP3676498B1
Application number: EP18740810.9A
Authority: EP
Inventors: Franz Pawellek; Toni Steiner
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: EP3676498A1; WO2019042644A1; US11002281B2; CN111051702B; DE102017120191B3; BR112019028100A2; US20200340482A1; CN111051702A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe mit einer regelbaren Förderleistung für einen Hauptförderkreislauf aus einem ersten Auslass und für einen Nebenförderkreislauf aus einem zweiten Auslass der Kühlmittelpumpe.
Durch steigende Anforderungen an die Kraftstoffeffizienz und Emissionen von Verbrennungsmaschinen werden in Fahrzeugen Hilfseinrichtungen, wie eine Abgasrückführung, ein Turbolader, eine Ladeluftkühlung oder dergleichen, sowie ein sogenanntes Split Cooling, d.h. eine separate Kühlung von Motorblock und Zylinderköpfen der Verbrennungsmaschine eingesetzt. Die Einbindung eines jeweiligen thermischen Bedarfs zum Schutz der betreffenden Bauteile oder zur Funktionalität von Wärmeaustauschern stellt Herausforderungen an die Flexibilität moderner Thermomanagementsysteme.
Um einen größeren Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Thermomanagements, insbesondere hinsichtlich spezifischer Verzweigungen und Zirkulationen zu verschaffen, sind im Stand der Technik sowohl Systeme bekannt, die eine oder mehrere Zusatzwasserpumpen umfassen, um eine unabhängige Förderung individueller Zirkulationen zu ermöglichen, als auch Systeme mit Wasserventilen, die eine bedarfsgerechte Verteilung eines durch eine Pumpe geförderten Kühlmittelstroms auf verschiedene Zweige ermöglichen.
Die steigende Komplexität derartiger Systeme ist stets mit Problemstellungen der Kosten für Komponenten, der Installation, dem Packaging sowie der Ausfallsicherheit steuerungsrelevanter Komponenten konfrontiert.
So geht beispielsweise die Bereitstellung von Zusatzwasserpumpen und Wasserventilen mit Stellgliedern zur Ventileinstellung in einem verzweigten Leitungsnetz wiederum mit einer entsprechenden Installation und Störempfindlichkeit von Verkabelungen für eine Leistungszufuhr und Steuersignalübertragung zwischen dezentralen Stellantrieben oder Pumpenmotoren, einer zentralen Steuereinrichtung und einer Batterie einher. Zudem kann durch die Anzahl und Unabhängigkeit der Komponenten, ein Ausfall eines Antriebs oder Defekt eines Kabels Auswirkungen auf andere Bereiche der Kühlmittelzirkulation nach sich ziehen, die nicht mit einem einheitlichen Fail Safe Modus zur Abwendung von Folgeschäden konform sind.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 050 261 B3 derselben Anmelderin ist eine Kühlmittelpumpe vom sogenannten ECF (Electromagnetic Controlled Flow) Typ mit einem Bypass bekannt. Bei einer solchen ECF Pumpe kann trotz eines an die Maschinendrehzahl gebunden Riemenantriebs eine effektive Förderleistung gegenüber einer der Maschinendrehzahl entsprechenden Förderleistung gedrosselt eingestellt oder abgestellt werden. Somit sind selbst bei einem mechanisch abhängigen Pumpenantrieb Funktionen wie ein Kühlmittelstillstand während einer Kaltstartphase einer Verbrennungsmaschine oder dergleichen realisierbar. Die Regelung erfolgt über einen mittels Kühlmittel hydraulisch betätigten, zylindrischen Regelschieber, der einen strömungswirksamen radialen Bereich des Pumpenlaufrads überdeckt. In einem geschlossenen Zustand überdeckt der Regelschieber das Pumpenlaufrad zu einem Spiralgehäuse, wodurch der Pumpenauslass stillgelegt ist. Dabei wird eine Öffnung zu einem Bypass in einer Rückwand der Pumpenkammer hinter dem Pumpenlaufrad freigegeben, der eine zu dem Pumpenauslass separate Abfuhr von Kühlmittel aus der Pumpenkammer gewährt. Andererseits wird in einer offenen Position des Regelschiebers, in dem eine Strömung durch den Pumpenauslass vollständig freigegeben ist, die Öffnung des Bypasses zur Pumpenkammer durch einen Teil des Regelschiebers verschlossen.
Die offenbarte Kühlmittelpumpe stellt somit eine Funktion zum Umschalten einer großen Fördermenge durch den Pumpenauslass oder einer kleinen Fördermenge durch den Bypass zur Verfügung. Während der Drosselung der Förderleistung treten jedoch Zwischenzustände eines Teilungsverhältnisses des Förderstroms auf, deren Verlauf nicht in gewünschter Weise separat steuerbar ist, sondern sich in Abhängigkeit einer Druckdifferenz der einzelnen Volumenströme einstellt, die sich wiederum aus einer festen Strömungsgeometrie der Pumpe ergibt.
WO 2013/034126 A1 offenbart eine regelbare Kühlmittelpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Hinblick auf die Nachteile des zuvor genannten Stands der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine kompakte Aktorik für ein Kühlmittelsystem mit zwei Förderkreisläufen zu schaffen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist darüber hinaus, einen konstruktiven Zusammenhang für einen in den Förderkreisläufen gemeinsam umgesetzten Fail Safe Modus zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die regelbare mechanische Kühlmittelpumpe mit einem ersten Auslass für einen Hauptförderkreislauf und einem zweiten Auslass für einen Nebenförderkreislauf weist u.a. einen aus dem Kühlmittel abgeleiteten hydraulischen Regelkreislauf mit einer eingangsseitigen Hilfspumpe, einem ausgangsseitigen Proportionalventil und einem Regelschieber als hydraulisches Stellglied zur Durchflussbegrenzung des Hauptförderkreislaufs auf, und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Regelventil als hydraulisches Stellglied zur Durchflussbegrenzung des Nebenförderkreislaufs mit dem hydraulischen Regelkreislauf verbunden ist, wobei Betätigungen des Regeschiebers und des Regelventils jeweiligen Druckbereichen im hydraulischen Regelkreislauf zugeordnet sind.
Die Erfindung sieht somit erstmals eine Kühlmittelpumpe mit zwei hydraulischen Stellgliedern vor, insbesondere zur Regulierung von zwei unterschiedlichen Pumpenauslässen bzw. Förderkreisläufen.
Ferner sieht die Erfindung erstmals vor zwei hydraulische Stellglieder an einem hydraulischen Regelkreislauf, der insbesondere aus dem Kühlmittel abgeleitet wird, anzuschließen, d.h. mit demselben Regeldruck zu betreiben.
Als Leistungszufuhr bzw. Verstellkraft eines zusätzlichen Stellglieds wird eine bereits im Stand der Technik vorhandene Baugruppe genutzt und erweitert. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau erzielt werden, in dem eine Aktorik zur Regelung der Förderkreise in der Pumpe integriert und Kosten eingespart werden. Insbesondere kann eine externe Verkabelung zu Stellgliedern oder Motoren im kühlmittelführenden Leitungsnetz entfallen.
Durch die Verknüpfung einer gemeinsamen hydraulischen Ansteuerung mittels desselben Regeldrucks, tritt auch im Falle eines Regelungsausfalls oder eines hydraulischen Defekts an beiden Stellgliedern dieselbe Ansteuerungsgröße auf, wodurch eine simultan ausgerichtete Reaktion der Stellglieder sichergestellt und zugunsten eines Fail Safe Modus in beiden Förderkreisläufen nutzbar ist.
Durch die Auslegung der Betätigung der Stellglieder auf verschiedene Druckbereiche, sprechen diese auf eine Steuerung eines zugeordneten Drucks im hydraulischen Regelkreislauf zumindest bereichsweise unabhängig voneinander an, sodass verschiedene Ventilstellungen in den beiden Förderkreisläufen vorgenommen werden können. Durch die Ansteuerung beider hydraulischer Stellglieder aus dem hydraulischen Regelkreislauf lassen sich im Vergleich zum genannten Stand der Technik einer ECF Pumpe mit Bypass zwei neue Grundzustände, d.h. Hauptförderkreislauf und Nebenförderkreislauf vollständig geschlossen, oder Hauptförderkreislauf und Nebenförderkreislauf vollständig geöffnet, als auch zwei Verstellbereiche realisieren, in wobei z.B. der Hauptförderkreislauf geschlossen bleibt und ein Durchfluss des Nebenförderkreislaufs einstellbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der regelbaren Kühlmittelpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Regelventil als abgezweigtes hydraulisches Stellglied zwischen der Hilfspumpe und dem Proportionalventil mit dem hydraulischen Regelkreislauf verbunden sein, und mittels des Drucks im hydraulischen Regelkreislauf entgegen einer elastischen Vorspannung geschlossen werden.
Durch diese Konfiguration der hydraulischen Ansteuerung liegt an den hydraulischen Stellgliedern bzw. dem Regelschieber und dem Regelventil derselbe Regeldruck an. Durch die Auslegung als drucklos geöffnetes Ventil wird eine Fail Safe Modus für den Nebenförderkreislauf erzielt, wie später beschrieben wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Regelventil als Sitzventilventil ausgebildet sein, das durch eine Feder in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist.
Das federbeaufschlagte Sitzventil stellt auch unter Lastaufnahme des Förderdrucks eine leichtgängig geführte Verstellung des Ventilkörpers in Bezug auf die Stellkraft der Feder sicher.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Kolbenfläche zur Aufnahme einer hydraulischen Stellkraft des Regelventils im hydraulischen Regelkreislauf kleiner als eine Kolbenfläche des Regelschiebers im hydraulischen Regelkreislauf sein.
Durch diese Auswahl der unterschiedlichen hydraulisch wirksamen Flächengrößen der Stellglieder wird eine anwendungsspezifische Präferenz in der hydraulischen Ansteuerung getroffen. Somit wird in einem mittleren Bereich des Regeldrucks, der zwischen den jeweiligen Drücken zum Schließen des Regelschiebers und des Regelventils liegt, derjenige Zustand umgesetzt, dass der Regelschieber für den Hauptförderkreislauf geschlossen bleibt und das Regelventil für den Nebenförderkreislauf einstellbar geöffnet wird. Dieser Zustand wird beispielsweise benötigt, wenn die Verbrennungsmaschine eine Betriebstemperatur schnell erreichen soll während an Hilfseinrichtungen, wie z.B. an einem Ventil der Abgasrückführung bereits Kühlungsbedarf besteht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Kolbenfläche des Regelventils zu der Kolbenfläche des Regelschiebers ein Flächenverhältnis von etwa 1:3 betragen.
Durch dieses hydraulisch wirksame Flächenverhältnis zwischen den beiden Stellgliedern wird im Zusammenhang mit den Rückstellkräften der jeweiligen Federvorspannung eine bevorzugte Spreizung der beiden zugeordneten Bereiche des Regeldrucks erzielt, was sich in einem definierten Ansprechverhalten zwischen den beiden Stellgliedern widerspiegelt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Regelventil in dem zweiten Auslass am Pumpengehäuse angeordnet sein.
Somit werden ein hochintegrierter kompakter Pumpenaufbau und eine kurze hydraulische Anbindung des hydraulischen Regelkreises an das Regelventil ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann zwischen dem Hauptförderstrom und dem Nebenförderstrom ein Druckventil bereitgestellt sein, das oberhalb einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen einem höheren Druck in dem Hauptförderstrom und einem niedrigeren Druck in dem Nebenförderstrom öffnet.
In einem Übergangszustand, in dem der Nebenförderkreislauf geöffnet ist und der Hauptförderkreislauf aus dem geschlossenen Zustand geöffnet wird, fällt aufgrund des großen Volumenstroms durch den ersten Pumpenauslass ein Förderdruck in dem zweiten Pumpenauslass stark ab, woraus eine entsprechende Abnahme des Volumenstroms im Nebenförderkreislauf trotz unveränderter Stellung der Regelventils resultiert.
Das Druckventil wirkt somit während der beschriebenen transienten Druckdifferenz einem Versiegen des kleinen Nebenförderkreislaufs entgegen, da ein Teil des Hauptförderkreislaufs in den Nebenförderkreislauf nachströmt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Druckventil als Rückschlagventil ausgebildet sein, das durch eine Feder in Schließrichtung beaufschlagt ist.
Ein federbeaufschlagtes Rückschlagventil bildet das bevorzugte Mittel, um ein Druckventil bereitzustellen, das zu einem Nachströmen von dem Hauptförderkreislauf zu dem Nebenförderkreislaus bei zunehmender Druckdifferenz graduell öffnet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Druckventil strömungsabwärts vom Regelschieber in den Hauptförderkreislauf und strömungsaufwärts vom Regelventil in den Nebenförderkreislauf münden.
Diese Anordnung des Druckventils erzielt in der beschriebenen Funktionsweise ein bevorzugtes Ansprechverhalten und ermöglicht einen hochintegrierten kompakten Pumpenaufbau.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen der Figuren 1 bis 3 beschrieben. In diesen zeigen:

Fig. 1: eine axiale Schnittansicht der Pumpe in einem Zustand, in dem sowohl der Hauptförderkreislauf als auch der Nebenförderkreislauf geschlossen sind;
Fig. 2: eine axiale Schnittansicht der Pumpe in einem Zustand, in dem der Hauptförderkreislauf geschlossen ist und der Nebenförderkreislauf geöffnet ist;
Fig. 3: eine axiale Schnittansicht der Pumpe in einem Zustand, in dem sowohl der Hauptförderkreislauf als auch der Nebenförderkreislauf geöffnet sind.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Pumpe ohne vollständige Außenkonturen eines Pumpengehäuses 1. Eine Pumpenwelle 3 erstreckt sich von einer Riemenscheibe 4, durch ein Wellenlager in eine Pumpenkammer 10 des Pumpengehäuses 1 und treibt ein Pumpenlaufrad 2 an. Das Pumpenlaufrad 2 und die Pumpenkammer 10, die nicht vollständig dargestellt ist, sind in der Bauweise einer Radialpumpenbaugruppe ausgestaltet, bei der ein Pumpeneinlass 13 (nicht dargestellt) das Pumpenlaufrad 2 axial anströmt, und ein erster Pumpenauslass 11 für einen mit der Verbrennungsmaschine verbundenen Hauptförderkreislauf über einen radial äußeren Spiralgehäuseabschnitt tangential aus der Pumpenkammer 10 ausleitet.
Die Pumpenbaugruppe der Kühlmittelpumpe weist einen hydraulisch verstellbaren Regelschieber 8 auf, der aus einem sogenannten ECF Pumpentyp bekannt ist. Dabei kann ein strömungswirksamer radialer Bereich um das Pumpenlaufrad 2 von dem Regelschieber 8 mit einem koaxial zur Pumpenwelle 3 ausgebildeten zylindrischen Abschnitt entlang eines parallel zur Pumpenwelle 3 verlaufenden Stellwegs variabel überdeckt werden. In Fig. 1 befindet sich der Regelschieber 8 in einer geschlossenen Position, in welcher der Strömungsbereich des Pumpenlaufrads 2 vollständig überdeckt wird und somit kein Förderstrom zu dem ersten Pumpenauslass 11 bewirkt wird.
In dem Pumpengehäuse 1 ist ferner innerhalb des Radius des Pumpenlaufrads 2 und parallel zur Pumpenwelle 3 eine Axialkolbenpumpe 6 (schematisch dargestellt) angeordnet, deren Kolben über einen Gleitschuh (nicht dargestellt) betätigt wird, der auf einer mit der Pumpenwelle 3 drehfest angeordneten Taumelscheibe (nicht dargestellt) gleitet. Die Axialkolbenpumpe 6 dient als eine Hilfspumpe eines mit Kühlmittel betriebenen hydraulischen Regelkreislaufs 5 (schematisch dargestellt), in dem ein zum Förderstrom unabhängiger Regeldruck zur Ansteuerung des Regelschiebers 8 und eines später beschriebenen Regelventils 9 erzeugt und eingestellt wird.
Die Axialkolbenpumpe 6 saugt Kühlmittel aus dem Strömungsbereich zwischen dem Pumpenlaufrad 2 und dem Regelschieber 9 an und stößt das unter Druck gesetzte Kühlmittel in den hydraulischen Regekreislauf 5 aus, der in dem Pumpengehäuse 1 ausgebildet ist. Der hydraulische Regelkreislauf 5 umfasst ein elektromagnetisch betätigtes Proportionalventil 7 (schematisch dargestellt), das einen Rücklauf des Kühlmittels in den geförderten Kühlmittelstrom begrenzt und somit einen Druck des hydraulischen Regekreislaufs 5 in einer Strecke zwischen der Axialkolbenpumpe 6 und dem Proportionalventil 7 einstellt.
Eine hydraulische Abzweigung führt den Druck des hydraulischen Regekreislaufs 5 einem Ringkolben 18 zu, der koaxial zu der Pumpenwelle 3 angeordnet ist und die Funktion eines hydraulischen Stellglieds entlang des Verschiebungswegs des Regelschiebers 8 übernimmt. Eine Rückstellfeder beaufschlagt den Ringkolben 18 in entgegengesetzter Richtung zu dem Druck des hydraulischen Regelkreislaufs 5, d.h. hinweg von dem Pumpenlaufrad 2. Der Ringkolben 18 steht mit dem Regelschieber 8 in Verbindung und verschiebt diesen mit zunehmendem Druck des hydraulischen Regelkreislaufs 5 in Richtung des Pumpenlaufrads 2, wodurch der zylindrische Abschnitt des Regelschiebers 6 zunehmend in axiale Überschneidung mit dem Pumpenlaufrad 2 gebracht wird.
Das elektromagnetische Proportionalventil 7 ist ohne Zuführung eines Ansteuerstroms geöffnet, sodass das von der Axialkolbenpumpe 6 angesaugte Kühlmittel im Wesentlichen drucklos über den hydraulischen Regelkreislauf 5 durch das Proportionalventil 7 hindurch zurück in das geförderte Kühlmittel zurück fließt. Wenn das elektromagnetische Proportionalventil 7 durch Zuführung eines unter Pulsweitenmodulation gesteuerten Ansteuerstroms zweitweise bzw. intermittierend geschlossen wird, breitet sich der von der Axialkolbenpumpe 6 erzeugte Druck über den hydraulischen Regelkreislauf 5 zu dem Ringkolben 18 aus. Wenn das Proportionalventil 7 durch Abschalten des Ansteuerstroms geöffnet bleibt, baut sich in dem hydraulischen Regelkreislauf 5 kein Druck mehr auf und der Ringkolben 18 kehrt unter Beaufschlagung der Rückstellfeder in die unbetätigte Grundstellung zurück.
In der geschlossenen Position des Regelschiebers 8, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, überdeckt dessen zylindrischer Abschnitt das Pumpenlaufrad 2 vollständig, sodass unabhängig von der Pumpendrehzahl im Wesentlichen kein Volumenstrom in das Spiralgehäuse bewirkt wird.
In der offenen Position des Regelschiebers 8, die in Fig. 3 dargestellt ist, wird in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl ein maximaler Förderstrom ohne Abschirmung eines strömungswirksamen Bereichs des Pumpenlaufrads 2 in dem Hauptförderkreislauf bewirkt. Dieser Zustand stellt zugleich einen Fail-Safe Modus dar, da im Falle eines Ausfalls einer Stromzufuhr, d.h. einem stromlosen elektromagnetischen Proportionalventil 7, automatisch ein maximaler Volumenstrom und ein größtmöglicher Wärmeaustrag aus dem Verbrennungsmotor durch den Hauptförderkreislauf sichergestellt ist.
Darüber hinaus umfasst das Pumpengehäuse 1 einen zweiten Pumpenauslass 12 für einen Nebenförderkreislauf, an den im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kühlung für ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) angeschlossen ist. Der zweite Pumpenauslass 12 mündet an einer Rückseite des Pumpenlaufrads 2 in die Pumpenkammer 10. Die Mündung des zweiten Pumpenauslasses 12 ist durch stirnseitige Öffnungen des Regelschiebers 8 unabhängig von einer Position desselben zugänglich, sodass stets ein Teil des Förderstroms aus der Pumpenkammer 10 in den zweiten Pumpenauslass 12 dringt.
In dem zweiten Pumpenauslass 12 ist das Regelventil 9 angeordnet, das einen Durchfluss des Nebenförderkreislaufs sperrt, begrenzt oder öffnet. Das Regelventil 9 ist ebenfalls durch eine hydraulische Abzweigung mit dem hydraulischen Regelkreislauf 5 verbunden. Ein Ventilkörper des Regelventils 9 wird durch den Druck im hydraulischen Regelkreislauf 5 in etwa senkrecht zur Flussrichtung gegen die Rückstellkraft einer Feder verschoben und verschließt dabei graduell den Durchfluss im zweiten Pumpenauslass 12. Bei geringerem hydraulischem Regeldruck wird der Ventilkörper des Regelventils 9 durch die Feder zurückgeschoben und der Durchfluss des zweiten Pumpenauslasses 12 freigegeben.
Wie in Bezug auf die hydraulische Ansteuerung des Regeschiebers 8 erläutert, wird der Druck im hydraulischen Regelkreislauf 5 durch Ein- und Ausschaltdauern zum Öffnen- und Schließen des Proportionalventils 7 gesteuert. Zur Ansteuerung des Regelventils 9 in eine variable Stellung zur Durchflussbegrenzung wird der Druck derart gesteuert, dass ein Gleichgewicht zwischen dem hydraulischen Druck und einer Rückstellkraft der vorgespannten Feder im Regelventil 9 erzielt wird und eine Stellung des Ventilkörpers im Regelventil 9 gehalten wird.
Die Stellungen des Ventilkörpers des Regelventils 9 können ebenso wie eine Stellung des Ringkolbens 18 des Regelventils 8 durch einen Wegsensor (nicht dargestellt) erfasst und zur Regelung des Proportionalventils 7 verwendet. Dadurch wird eine Drosselung des Hauptförderkreislaufs und des Nebenförderkreislaufs in Bezug zu einer vorgegebenen Maschinendrehzahl Anhand eines Ansteuerstroms zum Öffnen und Schließen des elektromagnetisch betätigten Proportionalventils 7 durchgeführt.
Nachstehend werden die Einstellung von zwei Grundzuständen und eines Verstellbereichs der Durchflussbegrenzung mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 erläutert.
In der dargestellten Ausführungsform wurde die hydraulische Ausgestaltung derart gewählt, dass das Regelventil 9 für den Nebenförderkreislauf einen höheren hydraulischen Druck zum Schließen benötigt als der Regelschieber 8 für den Hauptförderkreislauf. Die Zuordnung der Druckbereiche, in denen die hydraulischen Stellglieder ansprechen, wird anhand einer hydraulisch wirksamen Kolbenfläche, die jedes Stellglied zur Druckaufnahme aus dem hydraulischen Regelkreislauf 5 aufweist, und der gewählten Kennlinie der Rückstellfedern eingestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist das Ansprechverhalten der beiden hydraulischen Stellglieder vorzugsweise derart gewählt, dass ein Verstellbereich des Regelventils 9 durch einen Druck ansteuerbar ist, der oberhalb eines Drucks beginnt, bei dem der Regelschieber 8 vollständig schließt. Bei entsprechender Auswahl der Rückstellfedern wird eine geeignete Trennung zwischen dem Druck zum Schließen des einen hydraulischen Stellglieds und dem unteren Druck zu Beginn des Verstellbereichs des anderen Stellglieds durch ein hydraulisch wirksames Flächenverhältnis eingestellt. Beispielsweise beträgt das Flächenverhältnis zwischen dem bei höheren Druck schließenden Stellglied und dem bei niedrigerem Druck schließenden Stellglied den Wert 1:3.
Der in Fig. 1 gezeigte Betriebszustand der regelbaren Kühlmittelpumpe ist für eine Kaltstartsituation eines Fahrzeugs gedacht, in der noch kein Kühlungsbedarf der Verbrennungsmaschine oder von anderen Einrichtungen vorliegt.
In Fig. 1 wird das Proportionalventil 7 von einer Steuereinheit (nicht dargestellt) durch ein Abtastverhältnis einer Pulsweitenmodulation mit einem hohen Anteil von Einschaltzeiten angesteuert, um einen hohen Druck im hydraulischen Regelkreislauf 5 einzustellen. Das Proportionalventil 7 begrenzt einen Rückfluss des Kühlmittels hinter der Axialkolbenpumpe 6 stark und ein Rückstau vor dem Proportionalventil 7 lässt den Druck im hydraulischen Regelkreislauf 5 zu den verzweigten Stellgliedern ansteigen, bis zunächst der Regelschieber 8 und darauffolgend das Regelventil 9 schließen. Ab einem halten eines Drucks, bei dem das Regelventil 9 vollständig schließt, sind folglich beide Durchflüsse des Hauptförderkreislaufs und des Nebenförderkreislaufs maximal begrenzt bzw. geschlossen.
Ein Druckventil 15, das zwischen dem ersten Pumpenauslass 11 und dem zweiten Pumpenauslass 12 angeordnet ist, ist geschlossen, da es in Schließrichtung einem Druck des Nebenförderkreislaufs ausgesetzt ist, der sich vor dem geschlossenen Regelventil 9 staut, während die andere Seite in einem stillgelegten Abschnitt des ersten Pumpenauslasses 11 bzw. des Spiralgehäuses keinem Förderdruck ausgesetzt ist.
Der in Fig. 2 gezeigte Betriebszustand der regelbaren Kühlmittelpumpe ist beispielsweise für eine Warmlaufsituation eines Fahrzeugs gedacht, in der die Verbrennungsmaschine noch nicht auf Betriebstemperatur ist, sich an Einrichtungen wie einer Abgasrückführung jedoch bereits sogenannte Hotspots gebildet haben, sodass bereits ein Kühlungsbedarf zum Schutz von Bauteilen wie einem AGR-Ventil vorliegt.
In Fig. 2 wird das Proportionalventil 7 durch ein Abtastverhältnis einer Pulsweitenmodulation mit einem niedrigeren Anteil von Einschaltzeiten angesteuert, um den Druck im hydraulischen Regelkreislauf 5 abzusenken. Ein Rückfluss aus dem hydraulischen Regelkreislauf 5 durch das Proportionalventil 7 nimmt zu und der Druck an den Stellgliedern nimmt ab. Dabei bewegt sich zunächst das Regelventil 9 über graduelle Begrenzungspositionen in die geöffnete Stellung zurück, während der Regelschieber 8 geschlossen bleibt. Wenn ein Druck im hydraulischen Regelkreislauf 5 nach diesem Vorgang gehalten wird, bleibt folglich der Durchfluss des Hauptförderkreislaufs geschlossen und der Durchfluss im Nebenförderkreislauf 5 geöffnet. Zudem ist bei Regelung eines höheren Drucks im Regelkreislauf 5 eine graduelle Begrenzung des Nebenförderkreislaufs bei geschlossenem Hauptförderkreislauf einstellbar.
Das Druckventil 15 bleibt wiederum geschlossen, da es weiterhin in Schließrichtung einem Druck des Nebenförderkreislaufs ausgesetzt ist während die andere Seite keinem Förderdruck ausgesetzt ist.
Der in Fig. 3 gezeigte Betriebszustand der regelbaren Kühlmittelpumpe ist für eine Lastsituation eines Fahrzeugs gedacht, in der sowohl für die Verbrennungsmaschine als auch für eine oder mehrere andere Einrichtungen, die mit dem Nebenförderkreislauf verbunden sind, ein Kühlungsbedarf vorliegt.
In Fig. 3 wird das Proportionalventil 7 nicht oder durch ein Abtastverhältnis einer Pulsweitenmodulation mit einem geringen Anteil von Einschaltzeiten angesteuert, sodass im hydraulischen Regelkreislauf 5 kein Druck erzeugt wird. Daraufhin bewegt sich der Regelschieber 8 über graduelle Begrenzungspositionen in die geöffnete Stellung zurück, während das bereits geöffnete Regelventil 9 offen bleibt. Solange kein Druck im hydraulischen Regelkreislauf 5 erzeugt wird, bleiben folglich sowohl der Durchfluss des Hauptförderkreislaufs als auch der Durchfluss des Nebenförderkreislaufs 5 maximal geöffnet. Zudem ist bei Regelung eines niedrigen Drucks im Regelkreislauf 5 eine graduelle Begrenzung des Hauptförderkreislaufs bei geöffnetem Nebenförderkreislauf einstellbar.
Das Druckventil 15 wird während des Öffnens des Regelschiebers 8 bzw. während eines maximal geöffneten Hauptförderkreislaufs durch eine Druckdifferenz geöffnet. Die Druckdifferenz entsteht durch einen geringen Druckverlust des Teils des Förderstroms, der in den Hauptförderkreislauf fließt, und einen hohen Druckverlust des Teils des Förderstroms, der in den Nebenförderkreislauf fließt. Infolgedessen würde ohne das Druckventil 15, je nach Strömungsgeometrie bzw. - verhältnis der Pumpenauslässe 11, 12, kein ausreichender Volumenstrom in den Nebenförderkreislauf abfließen. Sobald der Volumenstrom des Nebenförderkreislaufs einbricht erhöht ein entsprechender Druckabfall in dem zweiten Pumpenauslass 12 die Druckdifferenz am Druckventil 15. Wenn die Druckdifferenz einen voreingestellten Schwellwert des Druckventils 15 überschreitet, öffnet sich das Druckventil 15 und ermöglicht ein Nachströmen aus der großen Fördermenge in dem Hauptförderkreislauf zum Ausgleich der unzureichenden Fördermenge in dem Nebenförderkreislauf. Somit wird das Strömungsverhalten während eines transienten Zustands der Aufteilung oder eines relativ großen Teilungsverhältnisses zwischen den Fördermengen verbessert.

Claims

Regelbare Kühlmittelpumpe, die von einer Verbrennungsmaschine mechanisch angetrieben wird, aufweisend:
ein Pumpengehäuse (1) mit einem axial zuführenden Einlass (13) und einem radial abführenden ersten Auslass (11) für einen Hauptförderkreislauf, die mit einer Pumpenkammer (10) des Pumpengehäuses (1) verbunden sind,

ein Pumpenlaufrad (2) zum Fördern von Kühlmittel, das auf einer Pumpenwelle (3) in der Pumpenkammer (10) drehbar aufgenommen ist und über einen Riementrieb (4) angetrieben wird,

einen aus dem Kühlmittel abgeleiteten hydraulischen Regelkreislauf (5) mit einer eingangsseitigen Hilfspumpe (6), einem ausgangsseitigen Proportionalventil (7) und einem Regelschieber (8) als hydraulisches Stellglied zur Durchflussbegrenzung des Hauptförderkreislaufs, wobei ein zylindrischer Abschnitt des Regelschiebers (8) zur radialen Abschirmung des Pumpenlaufrads (2) in der Pumpenkammer (10) axial verschiebbar ist, und zwar mittels eines Drucks im hydraulischen Regelkreislauf (5) entgegen einer Rückstellkraft; und

einem zweiten Auslass (12) für einen Nebenförderkreislauf, der mit der Pumpenkammer (10) verbunden ist;

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Regelventil (9) als hydraulisches Stellglied zur Durchflussbegrenzung des Nebenförderkreislaufs mit dem hydraulischen Regelkreislauf (5) verbunden ist, wobei Betätigungen des Regelschiebers (8) und des Regelventils (9) jeweiligen Druckbereichen im hydraulischen Regelkreislauf (5) zugeordnet sind.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, wobei
das Regelventil (9) als abgezweigtes hydraulisches Stellglied zwischen der Hilfspumpe (6) und dem Proportionalventil (7) mit dem hydraulischen Regelkreislauf (5) verbunden ist, und mittels des Drucks im hydraulischen Regelkreislauf (5) entgegen einer Rückstellkraft geschlossen wird.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei
das Regelventil (9) als Sitzventilventil ausgebildet ist, das durch eine Feder in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
eine Kolbenfläche zur Aufnahme einer hydraulischen Stellkraft des Regelventils (9) im hydraulischen Regelkreislauf (5) kleiner als eine Kolbenfläche des Regelschiebers (8) im hydraulischen Regelkreislauf (5) ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 4, wobei
die Kolbenfläche des Regelventils (9) zu der Kolbenfläche des Regelschiebers (8) ein Flächenverhältnis von etwa 1:3 beträgt.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
das Regelventil (9) in dem zweiten Auslass (12) am Pumpengehäuse (1) angeordnet ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
zwischen dem Hauptförderstrom und dem Nebenförderstrom ein Druckventil (15) bereitgestellt ist, das ab einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen einem höheren Druck in dem Hauptförderstrom und einem niedrigeren Druck in dem Nebenförderstrom öffnet.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 7, wobei
das Druckventil (15) als Rückschlagventil ausgebildet ist, das durch eine Feder in Schließrichtung beaufschlagt ist.
Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 7 oder 8, wobei
das Druckventil (15) strömungsabwärts vom Regelschieber (8) in den Hauptförderkreislauf und strömungsaufwärts vom Regelventil (9) in den Nebenförderkreislauf mündet.