WO2016012379A1 - Kühlmittelpumpe mit integrierter regelung - Google Patents

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Jens Hoffmann
Franz Pawellek
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Nidec Gpm Gmbh
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    • F05D2270/60Control system actuates means
    • F05D2270/64Hydraulic actuators

Definitions

  • Coolant pump with integrated control The present invention relates to a coolant pump for conveying a
  • Coolant for an internal combustion engine in a vehicle having the internal combustion engine and a central engine controller Coolant for an internal combustion engine in a vehicle having the internal combustion engine and a central engine controller.
  • coolant pumps have been developed, which allow a reliable and stepless adjustment of the volume flow of the circulating coolant.
  • the heat output of the cooling system is controlled in dependence on a current operating state. During a cold start phase, for example, the heat release is initially completely and subsequently partially prevented.
  • coolant pumps with an electrohydraulically controlled control slide for adjusting the volume flow have proven to be particularly reliable in the course of this development.
  • a pump of this type which has become known as ECF pumps (Electro-hydraulic ControUed Flow), is disclosed, for example, in the German patent DE 10 2008 026 218 B4 by the applicant.
  • a cylindrical control slide is displaced by a hydraulic actuator around a peripheral region of an impeller of the coolant pump.
  • the hydraulic pressure of the actuator is not produced here by a closed circuit with a hydraulic oil, but applied via a side stream of the coolant. Pumps with such a coolant-based hydraulic system do not require additional dynamic sealing locations to the atmosphere and have proven themselves by a long service life and a reliable control.
  • the volume flow of the coolant that is to be conveyed by a coolant pump is usually controlled by a central engine control ZMS of a vehicle.
  • a position of the control slide is detected for this purpose and transmitted to the central engine control ZMS.
  • the central engine control ZMS controls in dependence on further operating parameters, such as. a rotational speed of the internal combustion engine, a workload of the internal combustion engine, a Kraftsto ffzubowm close, a temperature, or the like, an electromagnetic valve in the hydraulic circuit to.
  • a correspondingly high number of electrical lines from the central engine control ZMS to the individual members of the control loop is required.
  • an ECF pump At least two lines for power supply and signal communication are to be installed from the central engine control ZMS to the displacement sensor as well as from the central engine control ZMS to the electromagnetic valve.
  • the invention has for its object to provide a coolant pump that requires little installation effort and ensures high reliability in a corrosive environment. This object is achieved by a coolant pump with the
  • this coolant pump is characterized in that it comprises a separate pump control, which controls a proportional valve in a hydraulic circuit based on the actual value signal from the sensor and a setpoint signal from the central engine control, and that the pump control and the proportional valve as a common electromechanical component are formed.
  • the invention thus provides for the first time in the design of a coolant pump a dedicated control circuit for position control of a control slide, which is present with a hydraulic actuator as an integrated component.
  • the coolant pump according to the invention has a reduced number of electrical lines to the central engine control compared to a conventional system.
  • a parameter e.g., position of the control spool
  • the susceptibility of the coolant pump can be improved because exposed in the engine compartment of the vehicle, the weather conditions and swirling grit, corrosion-sensitive connectors and / or outlet seals on the pump housing for the wiring can be saved.
  • a program routine for regulating the position of the control slide is omitted in the central engine control.
  • a processing load of the central engine control can be reduced.
  • either a central motor controller with lower processing power can be used at a correspondingly lower cost, or the additional processing power can be made available for control tasks of other peripheral devices, or in favor of an increased clocking of the calculation cycles.
  • the senor may be a displacement sensor, in particular a Hall sensor, which detects a position of the control slide.
  • the set value signal indicates a predetermined position of the control valve, or a predetermined volume flow and a rotational speed of the internal combustion engine or the coolant pump.
  • the position control in the pump control can be implemented with a simple calculation routine.
  • the computing capacity of the pump controller and the energy demand or the resulting waste heat in a sealed electronic component can be kept low. If the setpoint signal from the central engine control a predetermined
  • Volumetric flow and a speed indicates a calculation routine between a flow and a position to be controlled depending on the pump speed control valve position by the pump control.
  • the central motor control transmits as a setpoint signal only a value corresponding to a volume flow, ie a quantity of heat to be dissipated.
  • the required heat output is from the central Engine control calculable from the operating parameters of the internal combustion engine.
  • the pump controller may limit a travel of the control spool in an upper range of the pump speed.
  • the pump control thereby provides a protective function for components such as e.g. Seals in the cooling system to limit a maximum flow and the resulting pressure.
  • the pump controller may compare a ratio between a driving duration of the proportional valve and a resultant positional change of the control spool to a threshold value. In this way, the pump control performs an autonomous function monitoring to ensure a sufficient amount of the cooling system with coolant.
  • the existing hydraulic circuit is used here as a pressure-sensitive sensor, the function monitoring for the early detection of a leak without the provision of additional measuring elements, such as pressure gauges or other sensors, can be realized in the cooling system. As a result, the number of components and wiring and the cost and installation costs can be kept low.
  • the senor may be a pressure sensor that detects a pressure of the delivered volume flow of the coolant.
  • the setpoint signal indicates a predetermined volume flow or pressure indicative of the volume flow of the delivered coolant.
  • the pressure sensor may preferably detect a pressure in the pump chamber, which is in relation to the required volume flow of the coolant pump. According to an embodiment of the present invention, the
  • Pump controller compare the detected pressure of the sensor with a threshold.
  • the pump control of the alternative embodiment with a pressure sensor can perform an autonomous function monitoring to ensure a sufficient amount of the cooling system with coolant very easy.
  • the function monitoring for the early detection of a leak can also be realized in this embodiment without the provision of further measuring elements in the cooling system, whereby the number of components and wiring and the cost and installation costs can be kept low.
  • the pump controller may include a transceiver for receiving data from the central engine controller and / or sending data thereto, a microcomputer for executing a control routine, a valve driver for driving the proportional valve, and a power supply distributor for their respective ones Include supply of electrical power.
  • a control circuit of the pump controller can be realized with small dimensions and advantageous mounting options on the coolant pump.
  • the pump controller may have its own housing integrated in the common electromechanical component.
  • electromagnetic interference radiation for example, can be effectively shielded from the control circuit of the pump control, starting from the proportional valve arranged in the electromechanical component, in particular with a magnetically actuated valve.
  • the proportional valve may have its own housing, which is integrated with the common electromechanical component 20.
  • this structure can also be a electromagnetic see disturbing radiation starting from a magnetic actuation of the Shield the proportional valve effectively against the control circuit of the pump control.
  • the coolant to be conveyed can flow axially directed onto the impeller through a coolant inlet and out of the pump chamber via a radially directed coolant outlet, conveyed by the impeller.
  • the invention is applied to the construction of a radial pump.
  • the to be funded can flow axially directed onto the impeller through a coolant inlet and out of the pump chamber via a radially directed coolant outlet, conveyed by the impeller.
  • the invention is applied to the structure of an axial pump or a Halbaxialpumpe.
  • An electronic component according to the invention which is adapted for use in a mechanically driven coolant pump of a vehicle having an internal combustion engine and a central engine control, has a pump control and a proportional valve, which is designed as a hydraulic actuator of a hydraulic circuit, wherein the hydraulic circuit in a pump chamber, a position of a control slide is moved, which limits a funded volume flow of the coolant pump.
  • the electronics required for control can be integrated with a component on the coolant pump, replaced or retrofitted.
  • An inventive method for controlling the mechanically driven coolant pump according to the invention of a vehicle with an internal combustion engine and a central engine control comprises the following steps: calculating a setpoint value of a parameter indicative of the volume flow of the delivered coolant, in dependence on operating parameters of the internal combustion engine by the central motor control; Transmitting the setpoint of the central engine controller to a pump controller of the coolant pump; Detecting an actual value of the parameter by a sensor; Transferring the actual value from the sensor to the pump controller; and adjusting a position of a control slide, which limits the delivered volume flow of the coolant pump, as a function of the desired value and the actual value by the pump control, by means of control of a hydraulic actuator.
  • the invention is applied to a coolant pump of said embodiments.
  • An alternative method according to the invention for controlling the mechanically driven coolant pump of a vehicle having an internal combustion engine and a central engine control comprises the following steps: transferring operating parameters of the internal combustion engine from the central engine control to a pump control of the coolant pump; Calculating a setpoint value of a parameter indicative of the volume flow of the delivered coolant as a function of the operating parameters of the internal combustion engine by the pump controller; Detecting an actual value of the parameter by a sensor; Transferring the actual value from the sensor to the pump controller; and adjusting a position of a control slide, which limits the delivered volume flow of the coolant pump, as a function of the desired value and the actual value by the pump control, by means of control of a hydraulic actuator.
  • the invention is applied to a coolant pump of said embodiments.
  • the parameter indicative of the volume flow of the delivered coolant may be a position of the control spool.
  • the control method can be applied to the structure of the coolant pump according to the invention mentioned above.
  • the parameter indicative of the volume flow of the delivered coolant may be a pressure in a pump chamber of the coolant pump corresponding to the volume flow of the pumped Coolant corresponds.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an inner portion of
  • Coolant pump and a wiring of the pump controller according to the present invention Coolant pump and a wiring of the pump controller according to the present invention
  • Fig. 2 is a sectional view of a structure of a coolant pump with a
  • FIG. 3A is a sectional view of an electro-mechanical component of Fig. 1, in which a pump control is integrated in a proportional valve;
  • 3B is a sectional view of an electromechanical component of Figure 2, in which a pump control and a proportional valve are integrated with each other.
  • Fig. 4 is a schematic block diagram of the Pumpengnaun g according to the present invention.
  • the coolant pump has a pump housing 1 and a pump shaft 4 rotatably mounted therein with a pulley 3, which is driven by a belt drive by an internal combustion engine (not shown).
  • an impeller 5 is rotatably arranged, which is introduced within a pump chamber 2 in a flow region of a cooling circuit of the internal combustion engine to a volume flow of the coolant cause.
  • the coolant is sucked through an axial inlet of the pump chamber 2, in the region of a mean radius of the impeller 5, and for example by a radial outlet (not shown) of the pump chamber 2, the one
  • Peripheral region of the impeller 5 is opposite, ejected.
  • the flow area of the impeller 5 can be variably covered by a control slide 7 with a cylindrical section 7a arranged coaxially with the pump shaft and a rear wall section 7b along an adjustment path running parallel to the pump shaft 4. Between the inner peripheral wall of the cylindrical portion 7a of the control slide 7 and a rear wall of the pump chamber 2 extends a sealing lip 6.
  • the control slide 7 is in an "open position" in which the flow area of the impeller 5 is not covered In the pump chamber 2 is further to the rear of the impeller 5 and parallel to
  • the hydraulic circuit 11 branches into two branches 1 1 a and I I b.
  • the one branch 11 a of the hydraulic circuit 11 leads on the one hand to a elektromagn eti see proportional valve 13 and back into the funded coolant flow.
  • the other branch I Ib of the hydraulic circuit 1 1 leads to an annular piston 15 which is arranged coaxially with the pump shaft 4 and the function of a hydraulic actuator along the displacement path of the control slide 7 takes over.
  • a return spring 17 acts on the annular piston 15 in the opposite direction to the pressure of the hydraulic circuit 11, ie away from the impeller 5.
  • the annular piston 15 communicates with the control slide 7 in conjunction and moves it with increasing pressure of the hydraulic circuit 1 1 in the direction of the impeller. 5
  • the electromagnetic proportional valve 13 is opened without supplying a drive current, so that the sucked by the axial piston 9 refrigerant flows back substantially unpressurized via the branch 1 1 a of the hydraulic circuit 1 1 through the proportional valve 13 back into the funded coolant flow.
  • the branch I Ib of the hydraulic circuit 1 1 no pressure builds up and the annular piston 15 remains under the action of the return spring 17 in an unactuated basic position.
  • the control slide 7, which is in communication with the annular piston 15, is held in the "open position", as shown in Figures 1 and 2. In the "open position" of the control slide, without taking into account the pump speed, a maximum funded volume flow without shielding a flow-effective area of the impeller 5 made by the control slide 7.
  • This state also represents a fail-safe mode, so that in case of failure of a power supply or a failure of the drive, i. a de-energized electromagnetic see proportional valve 13, automatically a maximum flow and a maximum heat loss are ensured on the engine.
  • a de-energized electromagnetic see proportional valve 13 automatically a maximum flow and a maximum heat loss are ensured on the engine.
  • the central engine control ZMS calculates taking into account various operating parameters, e.g. a speed and work load of the internal combustion engine, a fuel supply, a temperature, a vehicle speed or the like, a volume flow of the coolant to be delivered, which corresponds to a required heat output of the internal combustion engine.
  • various operating parameters e.g. a speed and work load of the internal combustion engine, a fuel supply, a temperature, a vehicle speed or the like, a volume flow of the coolant to be delivered, which corresponds to a required heat output of the internal combustion engine.
  • a volume flow of the coolant conveyed by the coolant pump depends on the flow efficiency of the impeller 5, which increases with increasing axial displacement of the position of the control slide 7 (and the annular piston 15) in the direction of the "closed position" with an increasing degree the overlap by the cylindrical portion 7a of the control slide 7 to the impeller 5 decreases.
  • the delivered volume flow of the coolant pump depends on the pump speed. The pump speed is forcibly determined by the speed of the internal combustion engine by means of the belt drive and comprises the fluctuations characteristic of vehicle operation.
  • the power supply distributor divides the voltage of a power source of the vehicle (not shown) of, for example, 12V into appropriate voltages of the electronic components 23, 25, 27 of the pump controller 21 and supplies them with the required electrical power.
  • the LIN transceiver 23 enables communication of data over a data bus, e.g. in the LIN protocol, between the pump controller 21 and the central engine control ZMS.
  • a connector 22 may be provided for connection to a vehicle-side data bus to the central engine control ZMS.
  • the microcomputer 25 executes a control routine with a control routine stored in a memory (not shown) of the microcomputer 25, and calculates a pulse width modulation as a drive signal of the valve driver 27.
  • the valve driver 27 amplifies the drive signal from the microcomputer 25 by supplying a power for actuating the electromagnetic proportional valve 13 from the power supply manifold 29 in accordance with the pulse width modulation on and off.
  • the pump control 21 is formed together with a solenoid valve as a common electromechanical component 20.
  • a control circuit of the pump controller 21 and a el ektromagneti see control of Proporti onal venti 1 s 13 be poured into an encapsulated component.
  • the housing of the proportional valve as shown in Fig. 3A, has a cylindrical shape
  • the circuit board of the pump controller 21 may, for example, have a circular shape, so that they can be integrated in the housing bottom with little space requirement.
  • the pump controller 21 may be located at an outer portion of the
  • Housing of the proportional valve 13 may be integrated, as shown in Fig. 3B.
  • an electric motor-operated proportional valve 13 may also be used, which forms a common electromechanical component with the pump control 21.
  • the control signal for a servomotor does not have to contain pulse width modulation.
  • the construction shown can be preferably with a Hall sensor as a displacement sensor
  • this embodiment is not limited to a Hall sensor as will be described later in another embodiment.
  • a displacement sensor 19 is used to detect a position of the control slide 7 along an adjustment path. Through a Hall sensor and a magnetic encoder element, which is connected to the annular piston 15, a contactless and insensitive construction is produced.
  • the displacement sensor 19 outputs as an actual value signal the detected position of the annular piston 15 or, accordingly, of the control slide 7 along the displacement path to the pump control 21.
  • the setpoint signal which receives the pump controller 21 from the central engine control ZMS, contains a predetermined position of the control slide 7.
  • the central engine control ZMS calculates a volume flow to be delivered by the coolant pump based on the heat output of the internal combustion engine required coolant.
  • the predetermined position of the control slide is then calculated as a function of the volume flow and a current pump speed, which is at a fixed speed behaves s to the engine, and transmitted to the pump controller 21.
  • the setpoint signal received by the pump controller 21 from the central engine control ZMS includes only a setpoint value for a required volumetric flow of the coolant and further operating parameters, in particular a current speed of the internal combustion engine or the corresponding pump speed.
  • the calculation of a setpoint value for the resulting position of the control slide 7 takes place in the pump controller 21 in this embodiment.
  • the control routine executed in the microcomputer 25, for example, corresponds to the control function of a PID gate in which a control deviation is calculated between the predetermined set value and the actual value. From the control deviation is based on a system-specific function of the hydraulic circuit 1 1, i. a reaction behavior between an on and off duration of the electromagnetic proportional valve 13 and a resulting change in position of the annular piston 15 as a hydraulic actuator, a pulse width modulation for controlling the electromagnetic proportional valve 13 is calculated.
  • the pressure in the hydraulic circuit 1 1 is controlled by the on and off periods for opening and closing the proportional valve 13 such that a balance between the hydraulic pressure and the pressure of the return spring 17 in a position of Ring piston 15 and the control slide 7 is achieved and maintained, which corresponds to the predetermined setpoint of the central engine control ZMS.
  • the actual position of the control slide 7 is in turn detected by the displacement sensor 19 and transmitted as feedback to the control of the proportional valve 13 to the pump controller 21 and entered into the microcomputer 25.
  • the pump controller 21 carries out a function monitoring in order to independently detect a leak in the cooling system and to report it to the central engine control.
  • the pump controller 21 can detect deviations in the reaction behavior of the hydraulic circuit with the required sensitivity, ie in particular without influences of other operating parameters such as permanent fluctuations of speed and temperature ,
  • the pump controller 21 compares a deviation of the ratio between the on and off periods of the electromagnetic proportional valve 13 and the resulting change in position of the annular piston 15 or control slide 7 with a stored in the memory threshold.
  • the threshold value as well as other specific parameters of the coolant pump are stored in a memory section of the pump control 21. in the case of fault detection, the pump controller 21 outputs an error message to the central engine control, which in turn can initiate a limited emergency operation or a shutdown of the internal combustion engine.
  • the coolant pump has a pressure sensor (not shown) instead of a displacement sensor 19, which is preferably arranged between the annular piston 15 and the control slide 7.
  • the pump controller 21 performs a
  • control slide 7 is moved to adjust the flow in a new position until the actual value signal of the detected pressure of the pressure sensor corresponds to a pressure of the predetermined volume flow, which is predetermined by the setpoint signal from the central engine control ZMS.
  • a function monitoring of the cooling system can be easily perceived via the existing pressure sensor rather than the reaction behavior of the hydraulic actuator.
  • a threshold value is stored in a storage section of the pump controller. This threshold corresponds to a minimum operating pressure, which falls below in particular in the formation of trapped air in the cooling system. After comparing the desired value with the detected pressure of the pressure sensor, the pump controller 21 judges whether there is a leak in the cooling system.
  • the pump controller 21 In the case of fault detection, the pump controller 21 outputs an error message to the central engine control ZMS, which in turn can initiate a limited emergency operation or shutdown of the internal combustion engine.
  • a CAN interface can be provided between the pump controller 21 and the central engine control ZMS.

Abstract

Es wird eine Kühlmittelpumpe zum Fördern eines Kühlmittels für einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug, das den Verbrennungsmotor und eine zentrale Motorsteuerung aufweist, vorgeschlagen. Die Kühlmittelpumpe weist eine Pumpenwelle (4), die in einem Pumpengehäuse (1) drehbar gelagert ist und über einen Riementrieb (3) von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird auf. Auf der Pumpenwelle (4) ist ein Flügelrad (5) angeordnet, das in einer Pumpenkammer (2) des Pumpengehäuses (1) aufgenommen ist und ein Kühlmittel fördert. Eine Axialkolbenpumpe (9), die über eine Taumelscheibe (8) auf einer rückwärtigen Seite des Flügelrads (5) betätigt wird, leitet einen Teil des geförderten Kühlmittels in einen hydraulischen Kreislauf (11) ab, der sich von der Axialkolbenpumpe (9) über ein Proportionalventil (13) zurück zu dem geförderten Kühlmittel erstreckt und eine Abzweigung (11b) zwischen der Axialkolbenpumpe (9) und dem Proportionalventil (13) als hydraulisches Stellglied aufweist. Ein Regelschieber (7), der einen Volumenstrom des von der Kühlmittelpumpe geförderten Kühlmittels einstellt, ist in Abhängigkeit eines Drucks in dem hydraulischen Kreislauf (11) verschiebbar. Ein Sensor (19), der einen Parameter erfasst, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, gibt ein Istwert-Signal des Parameters aus. Die Kühlmittelpumpe umfasst eine eigene Pumpensteuerung (21), die das Proportionalventil (113) in dem hydraulischen Kreislauf (11) basierend auf dem Istwert-Signal von dem Sensor (19) und einem Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung ansteuert. Die Pumpensteuerung (21) und das Proportionalventil (13) sind insbesondere als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil (20) ausgebildet.

Description

Beschreibung
Kühlmittelpumpe mit integrierter Regelung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe zum Fördern eines
Kühlmitteis für einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug, das den Verbrennungsmotor und eine zentrale Motorsteuerung aufweist.
Im Hinblick auf die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen bei Fahrzeugen wurden Entwicklungen unternommen, um das Thermomanagement von Verbrennungsmotoren effizienter zu gestalten. Hierzu wurden Kühlmittelpumpen entwickelt, die eine zuverlässige und stufenlose Einstellung des Volumenstroms des zirkulierenden Kühlmittels ermöglichen. Um die Verbrennungsmaschine für eine effiziente Verbrennung und geringe Abgasemission in einem optimalen Temperaturbereich zu halten, wird der Wärmeaustrag des Kühlsystems in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands gesteuert. Während einer Kaltstartphase wird der Wärmeaustrag beispielsweise zunächst ganz und darauffolgend teilweise unterbunden.
Im Bereich der mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpen, bei denen eine Drehung der Verbrennungsmaschine über einen Riementrieb auf eine Pumpenwelle übertragen wird, haben sich im Zuge dieser Entwicklung Kühlmittelpumpen mit einem elektrohydraulisch gesteuerten Regelschieber zur Einstellung des Volumenstroms als besonders zuverlässig erwiesen. Eine Pumpe dieser Bauform, die sich unter dem Begriff ECF-Pumpen (Electro-hydraulic ControUed Flow) etabliert hat, wird beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 10 2008 026 218 B4 der Anmelderin offenbart.
Bei einer solchen Kühlmittelpumpe wird ein zylindrischer Regelschieber mittels eines hydraulischen Stellgliedes um einen Umfangsbereich eines Flügelrads der Kühlmittelpumpe verschoben. Der hydraulische Druck des Stellglieds wird hierbei nicht durch einen geschlossenen Kreislauf mit einem Hydrauliköl hergestellt, sondern über einen Nebenstrom des Kühlmittels aufgebracht. Pumpen mit einem solchen Kühlmittelbasierten Hydrauliksystem erfordern keine zusätzlichen dynamischen Dichtungsstellen zur Atmosphäre und haben sich durch eine lange Lebensdauer sowie eine zuverlässige Regelung bewährt.
Der Volumenstrom des Kühlmittels, der von einer Kühlmittelpumpe gefördert werden soll, wird üblicherweise durch eine zentrale Motorsteuerung ZMS eines Fahrzeugs gesteuert. Bei einer bekannten Kühlmittelpumpe wird hierzu eine Position des Regelschiebers erfasst und an die zentrale Motorsteuerung ZMS übertragen. Die zentrale Motorsteuerung ZMS steuert in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern, wie z.B. eine Drehzahl des Verbrennungsmotors, eine Arbeitslast des Verbrennungsmotors, eine Kraftsto ffzufuhrm enge, eine Temperatur, oder dergleichen, ein elektromagnetisches Ventil im Hydraulikkreislauf an.
Je nach Anzahl der zu erfassenden Parameter bzw. der hierfür erforderlichen Messglieder und der zu steuernden Stellglieder, ist eine entsprechend hohe Anzahl von elektrischen Leitungen von der zentralen Motorsteuerung ZMS zu den einzelnen Gliedern des Regelkreises erforderlich. Zum Einbau einer ECF-Pumpe sind wenigstens zwei Leitungen zur Leistungszufuhr und zur Signalkommunikation jeweils von der zentralen Motorsteuerung ZMS zu dem Wegsensor sowie von der zentralen Motorsteuerung ZMS zu dem elektromagnetischen Ventil zu installieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlmittelpumpe zu schaffen, die einen geringen Montageaufwand erfordert und eine hohe Betriebszuverlässigkeit in einer korrosiven Umgebung sicherstellt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlmittelpumpe mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Diese Kühlmittelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie eine eigene Pumpensteuerung umfasst, die ein Proportionalventil in einem hydraulischen Kreislauf basierend auf dem Istwert-Signal von dem Sensor und einem Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung ansteuert, und dass die Pumpensteuerung und das Proportionalventil als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil ausgebildet sind. Die Erfindung sieht somit erstmals im Aufbau einer Kühlmittelpumpe eine dezidierte Steuerungsschaltung zur Positionsregelung eines Regelschiebers vor, die mit einem hydraulischen Stellglied als eine integrierte Komponente vorliegt.
Dadurch weist die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe im Vergleich zu einem herkömmlichen System eine verringerte Anzahl von elektrischen Leitungen zu der zentralen Motorsteuerung auf. Insbesondere entfällt eine separate Leistungsversorgung und Kommunikationsschnittstelle jeweils zwischen der zentralen Motorsteuerung ZMS und dem elektromagnetischen Proportionalitätsventil, sowie der zentralen Motorsteuerung ZMS und einem Sensor zur Erfassung eines Parameters (z.B. Position des Regelschiebers), der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist. An der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe sind lediglich eine
Leistungszufuhrleitung und eine Kommunikationsleitung zu der zentralen Motorsteuerung ZMS erforderlich. Die entfallenden Leitungen und Steckverbindungen vereinfachen den Aufbau und senken die Herstellungskosten der Kühlmittelpumpe sowie die Installationskosten beim Einbau in das Fahrzeug.
Darüber hinaus kann die Störanfälligkeit der Kühlmittelpumpe verbessert werden, da im Bereich des Motorraums des Fahrzeugs, der Witterungseinflüssen und aufgewirbeltem Streugut ausgesetzt ist, korrosionsempfindliche Steckverbindungen und/oder Austrittsdichtungen am Pumpengehäuse für die Verdrahtung eingespart werden.
Ferner entfällt in der zentralen Motorsteuerung eine Programmroutine zur Positionsregelung des Regelschiebers. Dadurch kann eine Verarbeitungsbelastung der zentralen Motorsteuerung verringert werden. Somit kann entweder eine zentrale Motorsteuerung mit geringerer Verarbeitungsleistung zu entsprechend geringeren Kosten eingesetzt werden, oder die entfallende Verarbeitungsleistung für Steuerungsaufgaben anderer Peripherievorrichtungen, oder zugunsten einer erhöhten Taktung der Berechnungszyklen zur Verfügung gestellt werden. Durch die Integration einer Steuerschaltung der Pumpensteuerung in dem Proportionalventil als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil, kann auf eine externe Verdrahtung zu unterschiedlichen Bereichen des Pumpenaufbaus verzichtet werden. Hierdurch kann wiederum die Montage der Kühlmittelpumpe vereinfacht werden und es werden korrosionsempfindliche Steckverbindungen und/oder Austrittsdi chtungen am Pumpengehäuse für die Verdrahtung eingespart.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Sensor ein Wegsensor, insbesondere ein Hall-Sensor, sein, der eine Position des Regel Schiebers erfasst. In diesem Fall gibt das Sollwert-Signal eine vorbestimmte Position des Regelschiebers, oder einen vorbestimmten Volumenstrom und eine Drehzahl der Verbrennungsmaschine oder der Kühlmittelpumpe an.
Falls das Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung und das Istwert-Signal des Wegsensors jeweils einen Positionswert des Regelschiebers angeben, lässt sich die Positionsregelung in der Pumpensteuerung mit einer einfachen Berechnungsroutine umsetzen. Dabei können die Rechenkapazitäten der Pumpensteuerung und der Energiebedarf bzw. die resultierende Abwärme in einem gekapselten elektronischen Bauteil niedrig gehalten werden. Falls das Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung einen vorbestimmten
Volumenstrom und eine Drehzahl angibt, erfolgt eine Berechnungsroutine zwischen einem Volumenstrom und einer in Abhängigkeit der Pumpendrehzahl zu regelnden Position des Regelschiebers seitens der Pumpensteuerung. Dadurch kann in der zentralen Motorsteuerung eine spezifische Berechnung anhand von individuellen Parametern der eingesetzten Kühlmittelpumpe entfallen. Die zentrale Motorsteuerung überträgt dann als Sollwert-Signal lediglich einen Wert, der einem Volumenstrom, d.h. einer abzuführenden Wärmemenge entspricht. Der erforderliche Wärmeaustrag ist von der zentralen Motorsteuerung aus den Betriebsparametern der Verbrennungsmaschine berechenbar. Somit kann eine gute Kompatibilität und Austauschbarkeit zwischen der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe und unterschiedlichen zentralen Motorsteuerungen sichergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pumpensteuerung in einem oberen Bereich der Pumpendrehzahl einen Weg des Regelschiebers begrenzen. Die Pumpensteuerung fuhrt hierdurch eine Schutzfunktion für Bauteile wie z.B. Dichtungen im Kühlsystem aus, um einen maximalen Volumenstrom und den daraus resultierenden Druck zu begrenzen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner die Pumpensteuerung ein Verhältnis zwischen einer Ansteuerungsdauer des Proportionalventils und einer resultierenden Positionsänderung des Regelschiebers mit einem Schwellwert vergleichen. Auf diese Weise führt die Pumpensteuerung eine autonome Funktionsüberwachung zur Sicherstellung einer ausreichenden Füllmenge des Kühl Systems mit Kühlmittel aus.
Da hierbei der vorhandene hydraulische Kreislauf als druckempfindlicher Messgeber genutzt wird, kann die Funktionsüberwachung zur frühzeitigen Erkennung einer Leckage ohne die Bereitstellung weiterer Messglieder, wie Druckmesser oder sonstigen Sensoren, im Kühlsystem realisiert werden. Dadurch können die Anzahl der Bauteile und Verdrahtungen sowie die Kosten und der Installationsaufwand niedrig gehalten werden.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Sensor ein Drucksensor sein, der einen Druck des geförderten Volumenstroms des Kühlmittels erfasst. In diesem Fall gibt das Sollwert-Signal einen vorbestimmten Volumenstrom oder einen Druck an, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist. Der Drucksensor kann vorzugsweise einen Druck in der Pumpenkammer erfassen, der im Verhältnis zu dem geforderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe steht. Gemäß einer AusfÜhrungsform der vorliegenden Erfindung kann die
Pumpensteuerung den erfassten Druck des Sensors mit einem Schwellwert vergleichen. Auf diese Weise kann die Pumpensteuerung der alternativen Ausfuhrungsform mit einem Drucksensor eine autonome Funktionsüberwachung zur Sicherstellung einer ausreichenden Füllmenge des Kühlsystems mit Kühlmittel besonders einfach ausführen.
Die Funktionsüberwachung zur frühzeitigen Erkennung einer Leckage kann auch bei dieser AusfÜhrungsform ohne die Bereitstellung weiterer Messglieder im Kühlsystem realisiert werden, wodurch die Anzahl der Bauteile und Verdrahtungen sowie die Kosten und der Installationsaufwand niedrig gehalten werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pumpensteuerung einen Sendeempfänger zum Empfangen von Daten aus der zentralen Motorsteuerung und / oder Senden von Daten an dieselbe, einen Mikrocomputer zum Ausführen einer Regelungsroutine, einen Ventiltreiber zum Ansteuern des Proportional venti 1 s und einen Leistungszufuhrverteiler zu deren jeweiliger Versorgung mit einer elektrischer Leistung umfassen. Mit diesem Aufbau lässt sich eine Steuerungsschaltung der Pumpensteuerung mit kleinen Abmessungen und vorteilhafter Montagemöglichkeiten an der Kühlmittelpumpe realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pumpensteuerung ein eigenes Gehäuse aufweisen, das in dem gemeinsamen elektromechanischen Bauteil integriert ist. Durch diesen Aufbau lässt sich beispielsweise elektromagnetische Störstrahlung ausgehend von dem im elektromechanischen Bauteil angeordneten Proportionalventil, insbesondere mit einem magnetisch betätigten Ventil, gegenüber der Steuerschaltung der Pumpensteuerung wirksam abschirmen.
Gemäß einer AusfÜhrungsform der vorliegenden Erfindung kann das Proportional ventil ein eigenes Gehäuse aufweisen, das mit dem gemeinsamen elektromechanischen Bauteil 20 integriert ist. Durch diesen Aufbau lässt sich ebenfalls eine elektromagneti sehe Störstrahlung ausgehend von einer magnetischen Betätigung des Proportionalventils gegenüber der Steuerschaltung der Pumpensteuerung wirksam abschirmen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zu fördernde Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass axial gerichtet auf das Flügelrad anströmen und vom Flügelrad gefördert über einen radial gerichteten Kühlmittelauslass die Pumpenkammer verlassen. Somit wird die Erfindung an dem Aufbau einer Radialpumpe angewendet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zu fördernde
Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass axial gerichtet auf das Flügelrad anströmen und vom Flügelrad gefördert über einen axial oder halbaxial gerichteten Kühlmittelauslass auf der gegenüberliegenden Seite des Flügelrads die Pumpenkammer verlassen. Somit wird die Erfindung an dem Aufbau einer Axialpumpe oder einer Halbaxialpumpe angewendet.
Ein erfindungsgemäßcs elektronisches Bauteil, das eingerichtet ist zur Verwendung in einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung weist eine Pumpensteuerung und ein Proportional venti l , das als hydraulisches Stellglied eines hydraulischen Kreislaufs eingerichtet ist, auf, wobei durch den hydraulischen Kreislauf in einer Pumpenkammer eine Position eines Regelschiebers verschoben wird, der einen geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt. Somit kann die zur Regelung erforderliche Elektronik mit einem Bauteil an der Kühlmittelpumpe integriert, ausgetauscht oder nachgerüstet werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern der erfindungsgemäßen mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung weist die folgenden Schritte auf: Berechnen eines Sollwerts eines Parameters, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors durch die zentrale Motorsteuerung; Übertragen des Sollwerts von der zentralen Motorsteuerung zu einer Pumpensteuerung der Kühlmittelpumpe; Erfassen eines Istwerts des Parameters durch einen Sensor; Übertragen des Istwerts von dem Sensor zu der Pumpensteuerung; und Einregeln einer Position eines Regelschiebers, der den geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt, in Abhängigkeit von dem Sollwert und dem Istwert durch die Pumpensteuerung, mittels Ansteuerung eines hydraulischen Stellglieds. Auf diese Weise wird die Erfindung an einer Kühlmittelpumpe der genannten Ausführungsformen angewendet.
Ein erfindungsgemäßes alternatives Verfahren zum Steuern der erfindungsgemäßen mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung weist die folgenden Schritte auf: Übertragen von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors von der zentralen Motorsteuerung zu einer Pumpensteuerung der Kühlmittelpumpe; Berechnen eines Sollwerts eines Parameters, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors durch die Pumpensteuerung; Erfassen eines Istwerts des Parameters durch einen Sensor; Übertragen des Istwerts von dem Sensor zu der Pumpensteuerung ; und Einregeln einer Position eines Regelschiebers, der den geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt, in Abhängigkeit von dem Sollwert und dem Istwert durch die Pumpensteuerung, mittels Ansteuerung eines hydraulischen Stellglieds. Auf diese alternative Weise wird die Erfindung an einer Kühlmittelpumpe der genannten Ausführungsformen angewendet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Parameter, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, eine Position des Regelschiebers sein. Hierdurch kann das Steuerungsverfahren an dem eingangs genannten Aufbau der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe angewendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Parameter, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, ein Druck in einer Pumpenkammer der Kühlmittelpumpe sein, der dem Volumenstrom des geförderten Kühlmittels entspricht. Hierdurch kann das Steuerungsverfahren an einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe angewendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines inneren Bereichs der
Kühlmittelpumpe und einer Verdrahtung der Pumpensteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Aufbaus einer Kühlmittelpumpe mit einer
Pumpensteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit einem Stecker zur Verbindung mit einem Datenbus ausgestattet ist; Fig. 3A eine Schnittansicht eines elektromechanischen Bauteils aus Fig. 1, bei dem eine Pumpensteuerung in einem Proportionalventil integriert ist;
Fig. 3B eine Schnittansicht eines elektromechanischen Bauteils aus Fig. 2, bei dem eine Pumpensteuerung und ein Proportionalventil miteinander integriert sind;
Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm der Pumpensteuerun g gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wird ein beispielhafter Aufbau der Kühlmittelpumpe mit Bezug auf Fig.l und 2 beschrieben.
Die Kühlmittelpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 und eine darin drehbar gelagerte Pumpenwelle 4 mit einer Riemenscheibe 3 auf, die mittels eines Riementriebs von einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) angetrieben wird. An einem freien Ende der Pumpenwelle 4 ist ein Flügelrad 5 drehfest angeordnet, das innerhalb einer Pumpenkammer 2 in einem Strömungsbereich eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors eingebracht ist, um einen Volumenstrom des Kühlmittels zu bewirken. Das Kühlmittel wird durch einen axialen Einlass der Pumpenkammer 2, im Bereich eines mittleren Radius des Flügelrads 5, angesaugt und beispielsweise durch einen radialen Auslass (nicht dargestellt) der Pumpenkammer 2, der einem
Umfangsbereich des Flügelrads 5 gegenüberliegt, ausgestoßen.
Der Strömungsbereich des Flügelrads 5 kann von einem Regeischieber 7 mit einem koaxial zur Pumpenwelle angeordneten zylindrischen Abschnitt 7a und einem Rückwandabschnitt 7b entlang eines parallel zur Pumpenwelle 4 verlaufenden Verstellwegs variabel überdeckt werden. Zwischen der inneren Umfangswand des zylindrischen Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 und einer rückwärtigen Wand der Pumpenkammer 2 verläuft eine Dichtungslippe 6. In Fig. 1 und 2 befindet sich der Regelschieber 7 in einer„offenen Position", in welcher der Strömungsbereich des Flügelrads 5 nicht überdeckt wird. In der Pumpenkammer 2 ist ferner zur Rückseite des Flügelrads 5 und parallel zur
Pumpenwelle 4 eine Axialkolbenpumpe 9 angeordnet, deren Kolben über einen Gleitschuh betätigt wird, der auf einer Taumel Scheibe 8 gleitet, die auf der rückwärtigen Seite des Flügelrads 5 gemeinsam mit diesem drehfest zur Pumpenwelle 4 angeordnet ist. Die Axialkolbenpumpe 9 saugt Kühlmittel aus dem Strömungsbereich in der
Pumpenkammer 2 zwischen dem Flügelrad 5 und dem Regelschieber 7 an und stößt das Kühlmittel unter Druck in einen hydraulischen Kreislauf 1 1 aus, der in dem Pumpengehäuse 1 ausgebildet ist. Der hydraulische Kreislauf 11 verzweigt sich in zwei Zweige 1 1 a und I I b. Der eine Zweig 11 a des hydraulischen Kreislaufs 11 führt einerseits zu einem elektromagn eti sehen Proportionalventil 13 und wieder zurück in den geförderten Kühlmittelstrom. Der andere Zweig I Ib des hydraulischen Kreislaufs 1 1 führt zu einem Ringkolben 15, der koaxial zu der Pumpenwelle 4 angeordnet ist und die Funktion eines hydraulischen Stellglieds entlang des Verstell wegs des Regelschiebers 7 übernimmt.
Eine Rückstellfeder 17 beaufschlagt den Ringkolben 15 in entgegengesetzter Richtung zu dem Druck des hydraulischen Kreislaufs 11 , d.h. hinweg von dem Flügelrad 5. Der Ringkolben 15 steht mit dem Regelschieber 7 in Verbindung und verschiebt diesen mit zunehmendem Druck des hydraulischen Kreislaufs 1 1 in Richtung des Flügelrads 5.
Nachfolgend wird eine beispielhafte Funktionsweise zur Einstellung des Volumenstroms der Kühlmittelpumpe beschrieben.
Das elektromagnetische Proportionalventil 13 ist ohne Zuführung eines Ansteuerstroms geöffnet, sodass das von der Axialkolbenpumpe 9 angesaugte Kühlmittel im Wesentlichen drucklos über den Zweig 1 1 a des hydraulischen Kreislaufs 1 1 durch das Proportionalventil 13 hindurch zurück in den geförderten Kühlmittelstrom zurückfließt. Somit baut sich in dem Zweig I Ib des hydraulischen Kreislaufs 1 1 kein Druck auf und der Ringkolben 15 verbleibt unter Beaufschlagung der Rückstellfeder 17 in einer unbetätigten Grundstellung. Der Regelschieber 7, der mit dem Ringkolben 15 in Verbindung steht, wird dabei in der„offenen Position" gehalten, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. in der„offenen Position" des Regelschiebers wird, ohne Berücksichtigung der Pumpendrehzahl, ein maximal geförderter Volumenstrom ohne Abschirmung eines strömungswirksamen Bereichs des Flügelrads 5 durch den Regelschieber 7 hergestellt. Dieser Zustand stellt zugleich einen Fail-Safe Modus dar, sodass im Falle eines Ausfalls einer Stromzufuhr oder eines Defekts der Ansteuerung, d.h. eines stromlosen elektromagneti sehen Proportionalventils 13, automatisch ein maximaler Volumenstrom und ein größtmöglicher Wärmeaustrag am Verbrennungsmotor sichergestellt sind. Wenn das elektromagnetische Proportionalventil 13 durch eine zeitlich geregelte
Zuführung eines Ansteuerstroms zeitweise geschlossen wird, kann das von der Axialkolbenpumpe 9 ausgestoßene Kühlmittel nicht über den Zweig I Ia des hydraulischen Kreislaufs 1 1 in den Volumenstrom zurückfließen. Der von der Axialkolbenpumpe 9 aufgewendete Druck im hydraulischen Kreislauf 11 breitet sich von dem Rückstau am geschlossenen Proportional ventil 13 über den Zweig 1 la in den Zweig I I b aus und wirkt auf den Ringkolben 15. Der Ringkolben 15 verschiebt den Regelschieber 7 gegen die Kraft der Rückstellfeder 17 zu dem Flügelrad. Dabei wird der zylindrische Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 zunehmend in axiale Überschneidung mit dem Flügelrad 5 gebracht, wodurch ein wirksamer Strömungsbereich des Flügelrads 5 durch den zylindrischen Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 radial überdeckt wird.
In einer„geschlossenen Position" des Regelschiebers 7 überdeckt der zylindrische Abschnitt 7a das Flügelrad 5 vollständig, sodass, ohne Berücksichtigung der Pumpendrehzahl, ein minimaler geförderter Volumenstrom durch volle Abschirmung eines strömungswirksamen Bereichs des Flügelrads 5 durch den Regelschieber 7 hergestellt wird.
Durch die Steuerung der Ein- und Ausschaltdauern des el ektromagneti sehen Proportionalventils 13 wird ein kontrollierter Rückstau im Zweig I Ia und somit ein kontrollierter Druck im Zweig 1 lb des hydraulischen Kreislaufs 1 1 aufgebaut, der auf den Ringkolben 15 und entgegen der Rückstellfeder 17 wirkt. Der Ringkolben 15 verschiebt den Regelschieber 7 zur Einstellung des geförderten Volumenstroms der Kühlmittelpumpe zwischen der obenstehend beschriebenen „offenen Position" und „geschlossenen Position".
Die zentrale Motorsteuerung ZMS berechnet unter Berücksichtigung verschiedener Betriebsparameter, wie z.B. einer Drehzahl und Arbeitsbelastung des Verbrennungsmotors, einer Kraftstoffzufuhr, einer Temperatur, einer Fahrzeuggeschwindigkeit oder dergleichen, einen zu fördernden Volumenstrom des Kühlmittels, der einem erforderlichen Wärmeaustrag des Verbrennungsmotors entspricht.
Wie obenstehend beschrieben ist, hängt ein von der Kühlmittelpumpe geförderter Volumenstrom des Kühlmittels einerseits von der Strömungswirksamkeit des Flügelrads 5 ab, die bei zunehmender axialer Verschiebung der Position des Regelschiebers 7 (und des Ringskolbens 15) in Richtung der„geschlossenen Position" mit einem steigenden Grad der Überdeckung durch den zylindrischen Abschnitt 7a des Regelschiebers 7 um das Flügelrad 5 abnimmt. Andererseits hängt der geförderte Volumenstrom der Kühlmittelpumpe von der Pumpendrehzahl ab. Die Pumpendrehzahl ist mitteis des Riementriebs durch die Drehzahl der Verbrennungsmaschine zwangsweise vorgegeben und umfasst die für den Fahrzeugbetrieb charakteristischen Schwankungen.
Nachfolgend wird ein beispielhafter Aufbau der Pumpensteuerung 21 mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.
Die Pumpensteuerung 21 umfasst in einer beispielgebenden Ausfuhrungsform einen Sendeempfänger 23, wie z.B. einen LIN-Transceiver, einen Mikrocomputer 25, einen Ventiltreiber 27 und einen Lei stungszufuhrvertei 1 er 29. Der Leistungszufuhrverteiler teilt die Spannung einer Leistungsquelle des Fahrzeug (nicht dargestellt) von beispielsweise 12V in geeignete Spannungen der elektronischen Komponenten 23, 25, 27 der Pumpensteuerung 21 auf und versorgt diese mit der erforderlichen elektrischen Leistung. Der LIN-Transceiver 23 ermöglicht eine Kommunikation von Daten über einen Datenbus, z.B. im LIN-Protokoll, zwischen der Pumpensteuerung 21 und der zentralen Motorsteuerung ZMS. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann ein Stecker 22 zur Verbindung mit einem fahrzeugseitigen Datenbus zur zentralen Motorsteuerung ZMS vorgesehen sein. Der Mikrocomputer 25 führt ein Steuerprogramm mit einer Regelungsroutine aus, das in einem Speicher (nicht dargestellt) des Mikrocomputers 25 gespeichert ist, und berechnet eine Pulsweitenmodulation als Ansteuerungssignal des Ventiltreibers 27. Der Ventiltreiber 27 verstärkt das Ansteuersignal von dem Mikrocomputer 25, indem er eine Leistungszufuhr zur Betätigung des elektromagnetischen Proportionalventils 13 von dem Leistungszufuhrverteiler 29 in Übereinstimmung mit der Pulsweitenmodulation ein- und ausschaltet.
Bei einer in Fig. 3A und 3B gezeigten, beispielhaften Ausführungsform ist die Pumpensteuerun g 21 zusammen mit einem Magnetventil als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil 20 ausgebildet. Beispielsweise können eine Steuerschaltung der Pumpensteuerung 21 und eine el ektromagneti sehe Ansteuerung des Proporti onal venti 1 s 13 in einem gekapselten Bauteil eingegossen sein. Wenn das Gehäuse des Proportionalventils, wie in Fig. 3A gezeigt ist, eine zylindrische Form aufweist, kann die Schaltungsplatine der Pumpensteuerung 21 z.B. eine kreisrunde Form aufweisen, sodass sie sich bei geringem Bauraumbedarf im Bereich des Gehäusebodens integrieren lässt. Insofern die Abmessung des gemeinsamen Bauteils
20 der Pumpensteuerung 21 und des Proportionalventils 13 die Abmessung eines herkömmlich eingesetzten Ventils nicht überschreitet, kann zudem eine Aufrüstung einer bekannten ECF-Pumpe ohne Modifikationen am Pumpenaufbau erfolgen. Anderenfalls kann die Pumpensteuerung 21 an einem äußeren Bereich des
Gehäuses des Proportionalventils 13 integriert sein, wie in Fig. 3B gezeigt ist.
Unterschiedliche Formen und Anordnungen zur Integration der Pumpensteuerung
21 und des Proportionalventils 13 ergeben sich femer durch die Ausführung des verwendeten Ventiltyps. Anstelle des elektromagnetischen Proportionalventils 13 kann ebenso ein elektromotorisch betätigtes Proportionalventil 13 verwendet werden, das mit der Pumpensteuerung 21 ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil bildet. In diesem Fall muss das Ansteuersignal für einen Stellmotor keine Pulsweitenmodulation enthalten. Der gezeigte Aufbau lässt sich vorzugsweise mit einem Hall-Sensor als Wegsensor
19 realisieren. Allerdings ist diese Ausführungsform nicht auf einen Hall-Sensor beschränkt, wie in einer weiteren Aus führungsform später beschrieben wird.
Bei einer Aus führungsform der in Fig. 1 dargestellten Kühlmittelpumpe wird ein Wegsensor 19 zur Erfassung einer Position des Regelschiebers 7 entlang eines Verstellwegs eingesetzt. Durch einen Hall-Sensor und ein magnetisches Geberelement, das mit dem Ringkolben 15 verbunden ist, wird ein kontaktloser und unempfindlicher Aufbau hergestellt. Der Wegsensor 19 gibt als Istwert-Signal die erfasste Position des Ringkolbens 15 bzw. dementsprechend des Regelschiebers 7 entlang des Verstellwegs an die Pumpensteuerung 21 aus. In einer beispielhaften Ausfuhrungsform enthält das Sollwert-Signal, das die Pumpensteuerung 21 von der zentralen Motorsteuerung ZMS empfängt, eine vorbestimmte Position des Regelschiebers 7. Hierzu berechnet die zentrale Motorsteuerung ZMS basierend auf einem dem erforderlichen Wärmeaustrag des Verbrennungsmotors einen von der Kühlmittelpumpe zu fördernden Volumenstrom des Kühlmittels. Die vorgebestimmte Position des Regelschiebers wird anschließend in Abhängigkeit des Volumenstroms und einer derzeitigen Pumpendrehzahl, die in einem festen Drehzahl verhältni s zu dem Verbrennungsmotor steht, berechnet und an die Pumpensteuerung 21 übertragen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält das Sollwertsignal, das die Pumpensteuerung 21 von der zentralen Motorsteuerung ZMS empfängt, lediglich einen Sollwert für einen erforderlichen Volumenstrom des Kühlmittels und weitere Betriebsparameter, wie insbesondere eine derzeitige Drehzahl der Verbrennungsmaschine oder die entsprechende Pumpendrehzahl. Die Berechnung eines Sollwerts für die resultierende Position des Regelschiebers 7 erfolgt bei dieser Ausführungsform in der Pumpensteuerung 21.
Die Regelungsroutine, die in dem Mikrocomputer 25 ausgeführt wird, entspricht beispielsweise der Regelungsfunktion eines PID-Glieds, bei der zwischen dem vorgegebenen Sollwert und dem Istwert eine Regelabweichung berechnet wird. Aus der Regelabweichung wird basierend auf einer systemspezifischen Funktion des hydraulischen Kreislaufs 1 1 , d.h. einem Reaktionsverhalten zwischen einer Ein- und Ausschaltdauer des elektromagnetischen Proportionalventil 13 und einer resultierenden Positionsänderung des Ringkolbens 15 als hydraulisches Stellglied, eine Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung des elektromagnetischen Proportionalventils 13 berechnet.
Zum Einhalten einer Position des Regelschiebers 7 wird der Druck im hydraulischen Kreislauf 1 1 durch die Ein- und Ausschaltdauern zum Öffnen- und Schließen des Proportionalventils 13 derart gesteuert, dass ein Gleichgewicht zwischen dem hydraulischen Druck und dem Druck der Rückstellfeder 17 in einer Position des Ringkolbens 15 bzw. des Regelschiebers 7 erzielt und gehalten wird, die dem vorgegebenen Sollwert der zentralen Motorsteuerung ZMS entspricht. Die tatsächliche Position des Regelschiebers 7 wird wiederum von dem Wegsensor 19 erfasst und als Rückkopplung zur Ansteuerung des Proportionalventils 13 an die Pumpensteuerung 21 übertragen bzw. in den Mikrocomputer 25 eingegeben.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform führt die Pumpensteuerung 21 eine Funktionsüberwachung durch, um eine Leckage im Kühlsystem selbstständig zu erkennen und an die zentrale Motorsteuerung zu melden.
Wenn sich durch eine Leckage Lufteinschlüsse im Kühlmittelkreislauf gebildet haben, gelangen diese auch in den hydraulischen Kreislauf 11 der Kühlmittelpumpe und mindern den Druck in dem hydraulischen Stellglied. Die Kennlinie der Rückstellfeder 17, die dem Ringkolben 15 entgegenwirkt, bleibt unverändert. Das Ungleichgewicht zwischen dem verminderten hydraulischen Druck und der unveränderten Kennlinie der Rückstellfeder 17 muss in diesem Fall dahingehend kompensiert werden, dass das Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeiten des elektromagnetischen Proportionalventils 13 erhöht wird, um den hydraulischen Druck für die gewünschte Position des Ringkolbens 15 zu erzeugen.
Aufgrund der einfachen Regelungsschleife zwischen dem Wegsensor 19 des Regelschiebers 7 und dem elektromagnetischen Proportionalitätsventil 13 im hydraulischen Kreislauf 11 kann die erfindungsgemäße Pumpensteuerung 21 Abweichungen im Reaktionsverhalten des hydraulischen Kreislaufs mit der erforderlichen Sensibilität, d.h. insbesondere ohne Einflüsse weiterer Betriebsparameter wie permanente Schwankungen von Drehzahl und Temperatur erfassen. Die Pumpensteuerung 21 vergleicht eine Abweichung des Verhältnisses zwischen den Ein- und Ausschaltdauern des elektromagnetischen Proportionalventils 13 und der resultierenden Positionsänderung des Ringkolbens 15 bzw. Regelschiebers 7 mit einem in dem Speicher hinterlegten Schwellwert. Der Schwellwert ist ebenso wie übrige spezifische Parameter der Kühlmittelpumpe in einem Speicherabschnitt der Pumpensteuerung 21 hinterlegt. im Falle einer Fehlererkennung gibt die Pumpensteuerung 21 eine Fehlermeldung an die zentrale Motorsteuerung aus, die wiederum einen eingeschränkten Notbetrieb oder eine Abschaltung der Verbrennungsmaschine einleiten kann.
In einer alternativen beispielhaften Ausführungsform weist die Kühlmittelpumpe anstelle eines Wegsensors 19 einen Drucksensor (nicht dargestellt) auf, der vorzugsweise zwischen dem Ringkolben 15 und dem Regelschieber 7 angeordnet ist. Bei dieser alternativen Ausfuhrungsform führt die Pumpensteuerung 21 eine
Regelung dahingehend durch, dass der Regelschieber 7 zur Einstellung des Volumenstroms in eine neue Position verschoben wird, bis das Istwert-Signal des erfassten Drucks des Drucksensors einem Druck des vorbestimmten Volumenstroms entspricht, der durch das Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung ZMS vorgegeben ist.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Funktionsüberwachung des Kühl Systems einfach über den vorhandenen Drucksensor anstatt über das Reakti onsverhalten des hydraulischen Stellglieds wahrgenommen werden. Wie zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben wurde, ist ein Schwellwert in einem Speicherabschnitt der Pumpensteuerung hinterlegt. Dieser Schwellwert entspricht einem minimalen Betriebsdruck, der insbesondere bei der Bildung von Lufteinschlüssen im Kühlsystem unterschritten wird. Nach einem Vergleich des Sollwerts mit dem erfassten Druck des Drucksensors beurteilt die Pumpensteuerung 21 , ob eine Leckage im Kühl System vorliegt.
Im Falle einer Fehlererkennung gibt die Pumpensteuerung 21 eine Fehlermeldung an die zentrale Motorsteuerung ZMS aus, die wiederum einen eingeschränkten Notbetrieb oder eine Abschaltung der Verbrennungsmaschine einleiten kann.
Ferner kann anstelle einer LIN-Schnittstelle eine CAN-Schnittstelle zwischen der Pumpensteuerung 21 und der zentralen Motorsteuerung ZMS vorgesehen sein.

Claims

Ansprüche
1. Kühlmittelpumpe eingerichtet zum Fördern eines Kühlmittels für einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug, das den Verbrennungsmotor und eine zentrale Motorsteuerung aufweist, wobei die Kühlmittelpumpe aufweist: eine Pumpenwelle (4), die in einem Pumpengehäuse (1) drehbar gelagert ist und über einen Riementrieb (3) von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, ein auf der Pumpenwelle (4) angeordnetes Flügelrad (5), das in einer Pumpenkammer
(2) des Pumpengehäuses (1) aufgenommen ist und das Kühlmittel fördert, eine Axiaikolbenpumpe (9), die über eine Taumelscheibe (8) auf einer rückwärtigen Seite des Flügelrads (5) betätigt wird und einen Teil des geförderten Kühlmittels ableitet, einen hydraulischen Kreislauf (11), der sich von der Axialkolbenpumpe (9) über ein Proportional ventil (13) zurück zu dem geförderten Kühlmittel erstreckt und eine Abzweigung (I Ib) zwischen der Axialkolbenpumpe (9) und dem Proportionalventil (13) als hydraulisches Stellglied aufweist, einen Regelschieber (7), der einen Volumenstrom des von der Kühlmittelpumpe geförderten Kühlmittels einstellt und in Abhängigkeit eines Drucks in dem hydraulischen Kreislauf (11) verschiebbar ist, einen Sensor (19), der einen Parameter erfasst, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, und ein Istwert-Signal des Parameters ausgibt, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlmittelpumpe eine eigene Pumpensteuerung (21) umfasst, die das
Proportional ventil (13) in dem hydraulischen Kreislauf (11) basierend auf dem Istwert-Signal von dem Sensor (19) und einem Sollwert-Signal von der zentralen Motorsteuerung ansteuert, und die Pumpensteuerung (21) und das Proportionalventil (13) als ein gemeinsames elektromechanisches Bauteil (20) ausgebildet sind.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, wobei der Sensor (19) ein Wegsensor ist, der eine Position des Regelschiebers (7) erfasst, und das Sollwert-Signal i) eine vorbestimmte Position des Regelschiebers (7) angibt oder ii) einen vorbestimmten Volumenstrom und eine Drehzahl der Verbrennungsmaschine oder der Kühlmittelpumpe angibt.
3. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpensteuerung (21) in einem oberen Bereich der Pumpendrehzahl einen Weg des Regelschiebers (7) begrenzt.
Kühlm ittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Pumpensteuerung (21) ein Verhältnis zwischen einer Ansteuerungsdauer des Proportionalventils (13) und einer resultierenden Positionsänderung des Regelschiebers (7) mit einem Schwellwert vergleicht.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sensor (19) ein Drucksensor ist, der einen Druck des geförderten Volumenstroms des Kühlmittels erfasst, und das Sollwert-Signal i) einen vorbestimmten Volumenstrom oder ii) einen Druck, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, angibt.
Kühlmittelpumpe nach Ansprach 5, wobei die Pumpensteuerung (21) den erfassten Druck des Sensors (19) mit einem Schwellwert vergleicht.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Pumpensteuerung (21 ) einen Sendeempfänger (23) zum Empfangen von Daten aus der zentralen Motorsteuerung und / oder Senden von Daten an dieselbe, einen Mikrocomputer (25) zum Ausführen einer Regelungsroutine, einen Ventiltreiber (27) zum Ansteuern des Proportionalventils (13) und einen Leistungszufuhrverteiler (29) zu deren jeweiliger Versorgung mit einer elektrischer Leistung umfasst.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das gemeinsame elektromechanische Bauteil (20) derart aufgebaut ist, dass die Pumpensteuerung (21) in einem Gehäuse des Proportionalventils (13) integriert ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das gemeinsame elektromechanische Bauteil (20) derart aufgebaut ist, dass die Pumpensteuerung (21) ein eigenes Gehäuse aufweist, das einteilig mit einem Gehäuse des Proportionalventils (13) integriert ist.
Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zu fördernde Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass axial gerichtet auf das Flügelrad (5) anströmt und vom Flügelrad (5) gefördert über einen radial gerichteten Kühlmittelauslass die Pumpenkammer (2) verlässt.
11. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zu fordernde Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass axial gerichtet auf das Flügelrad (5) anströmt und vom Flügelrad (5) gefördert über einen axial oder halbaxial gerichteten Kühlmittelauslass auf der gegenüberliegenden Seite des Flügelrads (5) die Pumpenkammer (2) verlässt.
12. Elektromechanisches Bauteil (20), das eingerichtet ist zur Verwendung in einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung, aufweisend eine Pumpensteuerung (21) und ein Proportionalventil (13), das als hydraulisches Stellglied eines hydraulischen Kreislaufs (11) eingerichtet ist, wobei durch den hydraulischen Kreislauf (11) in einer Pumpenkammer (2) eine Position eines Regelschiebers (7) verschoben wird, der einen geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt.
13. Verfahren zum Steuern einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 mit den folgenden Schritten:
Berechnen eines Sollwerts eines Parameters, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors durch die zentrale Motorsteuerung;
Übertragen des Sollwerts von der zentralen Motorsteuerung zu einer Pumpensteuerung (21) der Kühlmittelpumpe;
Erfassen eines Istwerts des Parameters durch einen Sensor (19);
Übertragen des Istwerts von dem Sensor (19) zu der Pumpensteuerung (21); und Einregeln einer Position eines Regelschiebers (7), der den geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt, in Abhängigkeit von dem Sollwert und dem Istwert durch die Pumpensteuerung (21), mittels Ansteuerung eines hydraulischen Stellglieds (13).
14. Verfahren zum Steuern einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer zentralen Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit den folgenden Schritten:
Übertragen von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors von der zentralen Motorsteuerung zu einer Pumpensteuerun g (21) der Kühlmittelpumpe;
Berechnen eines Sollwerts eines Parameters, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors durch die Pumpensteuerung (21);
Erfassen eines Istwerts des Parameters durch einen Sensor (19);
Übertragen des Istwerts von dem Sensor (19) zu der Pumpensteuerung (21); und
Einregeln einer Position eines Regelschiebers (7), der den geförderten Volumenstrom der Kühlmittelpumpe begrenzt, in Abhängigkeit von dem Sollwert und dem Istwert durch die Pumpensteuerung (21), mittels Ansteuerung eines hydraulischen Stellglieds (13).
15. Verfahren zum Steuern nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Parameter, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, eine Position des Regelschiebers (7) ist. Verfahren zum Steuern nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Parameter, der für den Volumenstrom des geförderten Kühlmittels bezeichnend ist, ein Druck in einer Pumpenkammer (2) der Kühlmittelpumpe ist, der dem Volumenstrom des geförderten Kühlmittels entspricht.
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