[0001] Die Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine mit
einem Pumpengehäuse, in dem eine Pumpenwelle mit zugehörigem Flügelrad drehbar gelagert
ist. Das Flügelrad fördert ein Kühlmittel über einen Sauganschluss in einen Druckkanal
der Kühlmittelpumpe, wobei ein Volumenstrom der Kühlmittelpumpe mittels eines Leitblechs
beeinflusst werden kann. Dazu umschließt das Leitblech zumindest bereichsweise außenseitig
das Flügelrad und ist drehstarr zwischen zwei Endstellungen mittels eines Druckmittels
hydraulisch verschiebbar.
[0002] Fahrzeuge werden überwiegend durch wassergekühlte Brennkraftmaschinen angetrieben.
Dabei wird Kühlmedium mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe in einem geschlossenen Kreislauf
durch Kühlkanäle des Kurbelgehäuses und des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine
gepumpt und das erwärmte Kühlmedium anschließend in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher
zurückgekühlt. Zur Unterstützung der Zirkulation des Kühlmittels wird eine insbesondere
über einen Riementrieb direkt angetriebene Kühlmittelpumpe eingesetzt. Durch eine
unmittelbare Koppelung zwischen der Kühlmittelpumpe und der Kurbelwelle stellt sich
eine Abhängigkeit der Pumpendrehzahl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ein.
Daraus folgt, dass bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine das Kühlmittel zirkuliert,
wodurch sich eine gewünschte schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine verzögert.
Zur Optimierung des Betriebs von Brennkraftmaschinen ist es notwendig, nach dem Kaltstart
möglichst schnell die Betriebstemperatur zu erreichen. Dadurch werden die Reibungsverluste
und der Kraftstoffverbrauch und damit gleichzeitig die Emissionswerte reduziert. Um
diesen Effekt zu erzielen, werden regelbare Kühlmittelpumpen eingesetzt, deren geförderter
Volumenstrom auf den Kühlungsbedarf der Brennkraftmaschine abgestimmt werden kann.
Nach einem Kaltstart wird zunächst eine Nullförderung der Kühlmittelpumpe angestrebt,
bevor anschließend in Abhängigkeit von dem sich einstellenden Temperaturniveau der
zur Kühlung der Brennkraftmaschine bestimmte Volumenstrom kontinuierlich ansteigt.
Durch Versuchsreihen zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs von Brennkraftmaschinen
konnte mittels konsequenter Maßnahmen des Thermomanagements u.a. in Verbindung mit
geregelten Kühlmittelpumpen eine Verbrauchsenkung von ≥ 3 % Kraftstoff erzielt werden.
[0003] Aus der
DE 199 01 128 A1 ist eine geregelte Kühlmittelpumpe bekannt, bei der als Maßnahme, um den Volumenstrom
zu beeinflussen, dem Flügelrad ein äußeres übergreifendes Schiebeelement zugeordnet
ist. Mit dem stufenlos durch Verdrehen einer gewindeartigen Führung axial verstellbaren
Schiebeelement kann die wirksame Flügelbreite des Flügelrades verändert werden.
[0004] Die
DE 10 2008 046 424 A1 offenbart eine regelbare Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine,
die über einen Zugmitteltrieb angetrieben wird. Zur Beeinflussung einer Fördermenge
ist dem Flügelrad eine axial verschiebbare Leitscheibe zugeordnet, welche mittels
einer innerhalb der als Hohlwelle des Flügelrades platzierten Schubstange in Verbindung
mit einem Stellorgan axial verschiebbar ist. Das Stellorgan umfasst einen mit der
Schubstange fest verbundenen Anker, welcher über einen Proportionalmagneten gezielt
axial verschiebbar ist. Das elektrisch betätigbare Stellorgan bzw. der Aktor ist dazu
der Riemenscheibe stirnseitig vorgelagert und beeinflusst die axiale Baulänge der
Kühlmittelpumpe.
[0005] Die geregelte Kühlmittelpumpe gemäß
DE 10 2005 062 200 A1 zeigt eine im Pumpengehäuse gelagerte, angetriebene Welle mit zugehörigem Flügelrad
und einem pneumatisch oder hydraulisch verstellbaren Ventilschieber, der einen Ausströmbereich
des Flügelrades variabel überdeckt. An dem Ventilschieber sind mehrere über den Umfang
verteilte Kolbenstangen angeordnet, die im Pumpengehäuse parallel zur Pumpenwelle
verlaufen und die in Ringnuten bzw. Bohrungen geführt und mittels Stangendichtungen
im Pumpengehäuse abgedichtet sind. Die Kolbenstangen stehen ringnutseitig mit einem
Ringkolben in Wirkverbindung, der in einem Druckraum eingesetzt ist. Eine Verschiebung
des von Druckfedern beaufschlagten Ringkolbens und des damit verbundenen Ventilschiebers
erfolgt über eine Druckbeaufschlagung des Druckraums, der dazu eine Druckanschlussbohrung
aufweist.
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vereinfachte und bauteiloptimierte
hydraulische Verstellung des Leitblechs innerhalb einer regelbaren Kühlmittelpumpe
zu realisieren.
[0007] Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen
kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die darauffolgenden abhängigen Ansprüche geben jeweils
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
[0008] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dass zur hydraulischen Verstellung
das Leitblech unmittelbar von dem Druckmittel beaufschlagt wird. Dazu begrenzt das
Leitblech gemeinsam mit einer Stirnseite der Pumpenwelle und dem Flügelrad einen Druckraum.
Alternativ dazu kann die von der Pumpenwelle und dem Flügelrad bestimmte Druckraumbegrenzung
ein als Zwischenelement ausgebildetes Einlegeteil einschließen, das endseitig auf
der Pumpenwelle aufgepresst und außenseitig von dem Flügelrad umschlossen ist. Das
Leitblech greift mit einer als Kreiszylinderhülse ausgebildeten Buchse formschlüssig
in eine einseitig offene Ringnut des Einlegeteils oder des Flügelrades. Zur Vermeidung
eines Druckverlustes und/oder eines Druckmittelverlustes ist die Buchse abgedichtet
in der Ringnut eingesetzt. Eine bevorzugte Gestaltung des Leitblechs sieht vor, ein
Einlegeteil mit einem relativ großen Durchmesser einzusetzen, wodurch sich aufgrund
der geometrischen Abhängigkeit eine große Druckfläche zur Betätigung des Leitblechs
einstellt. Zwecks ungehinderter Stellbewegung des Leitblechs übertrifft eine Ringnuttiefe
die Länge der Buchse. Die Erfindung hat gegenüber bekannten Lösungen den Vorteil,
dass mit einfachen Mitteln, geringer Baugröße, reduziertem Bauteileumfang und großer
Betriebssicherheit nicht nur eine Reduzierung des Volumenstroms, sondern eine gewünschte
Null-Förderung der Kühlmittelpumpe im geschlossenen Zustand des Leitblechs erreichbar
ist. Dabei ist der bauliche Aufwand zur Realisierung der erfindungsgemäßen Maßnahme
vorteilhaft gering, da weder spezielle Maßnahmen am Pumpenantrieb noch am Pumpengehäuse
erforderlich sind. Weiterhin stellt sich ein Kostenvorteil aufgrund einer vereinfachten
Montage des Leitblechs ein.
[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, umfasst das Flügelrad ein einteilig
oder mehrteilig aufgebautes Einlegeteil. Zur Drehfixierung ist ein Wellenende der
Pumpenwelle bevorzugt kraftschlüssig in eine zentrische Aufnahme bzw. Bohrung des
Einlegeteils gepresst. Das die Funktion eines Zwischenelements ausübende Einlegeteil
kann aus unterschiedlichen Werkstoffen, bevorzugt aus Kunststoff, Metall oder einem
Stahlwerkstoff hergestellt werden. Das Flügelrad ist bevorzugt stoffschlüssig, beispielsweise
durch eine Kunststoffumspritzung mit dem Einlegeteil verbunden, das dabei als Einlegeteil
dient. Alternativ dazu bietet es sich an, das Einlegeteil in das Flügelrad einzupressen.
[0010] Ferner ist zur Abdichtung des Druckraums und zur Führung des Leitblechs ein in der
Ringnut des ortsfesten Einlegeteils oder des Flügelrads ortsfest positioniertes Dichtelement
vorgesehen, das dichtend innenseitig an der Buchse des Leitblechs abgestützt ist.
Als Dichtelement eignet sich ein O-Ring oder ein aus einem hochelastischen und verschleißfesten
Kunststoff hergestelltes Dichtelement, dessen Dichtlippe kraftschlüssig an der Buchse
geführt ist. Das elastische Dichtelement kompensiert vorteilhaft fertigungsbedingte
oder durch Wärmedehnung auftretende Toleranzen der gegeneinander abgestützten Bauteile.
Alternativ zu einem einteiligen Aufbau eignet sich ein armiertes Dichtelement, bei
dem die Armierung beispielsweise in der Ringnut eingepresst und der Dichtwerkstoff
anvulkanisiert ist. Das Dichtelement ist bevorzugt ganz oder teilweise aus einem thermoplastischen
Kunststoff, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen
(PTFE) hergestellt. PTFE eignet sich als Werkstoff aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten,
einer guten Verschleißbeständigkeit und der hohen Beständigkeit gegenüber dem im Kühlmittel
eingesetzten Wasser-Glykol-Gemisch.
[0011] Der erfindungsgemäße Aufbau sieht weiterhin vor, dass zur axialen Verstellung des
Leitblechs das Druckmittel über eine Längsbohrung innerhalb der Pumpenwelle in den
Druckraum einströmt. Damit kann beispielsweise das Druckmittel von einer Druckmittelquelle,
ausgehend über eine Steuer- oder Regeleinheit geführt, das Leitblech unmittelbar beaufschlagen.
[0012] Als Maßnahme, um ein unzulässiges hohes Druckniveau innerhalb des Druckraums zu vermeiden
bzw. den Druck zu reduzieren, ist in der Buchse zumindest ein radialer Durchtritt
eingebracht. Dazu ist eine Lage der Öffnung vorgesehen, die in einer der Nullförderung
der Kühlmittelpumpe entsprechenden Endlage des Leitblechs ein Abströmen einer Teilmenge
des Kühlmittels aus dem Druckraum in einen drucklosen Bereich bzw. in eine Ansaugzone
der Kühlmittelpumpe ermöglicht.
[0013] Weiterhin umgreift das erfindungsgemäße Leitblech mit einem äußeren, rechtwinkelig
ausgerichteten Bord spielbehaftet eine Außenkontur einer Rückwand des Flügelrades.
Die Abdichtung eines sich dabei bildenden Ringspalts erfolgt mittels einer Dichtung,
die in einer radial ausgerichteten Nut der Außenkontur von der Flügelrad-Rückwand
eingesetzt ist, die Dichtung kraftschlüssig innenseitig an dem Bord des Leitblechs
anliegt. Dieser Aufbau unterstützt die Maßnahme, um in einer Endstellung des Leitblechs
eine Nullfördermenge der Kühlmittelpumpe zu realisieren.
[0014] Als Maßnahme, um bei einem Ausfall des Aktors oder der Druckmittelversorgung zur
Verstellung des Leitblechs die Kühlung der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, ist
erfindungsgemäß eine Failsafe-Einrichtung vorgesehen. Diese wird durch ein in der
Ringnut des Einlegeteils angeordneten Federelement gebildet, das die Buchse des Leitblechs
entgegen der Kraftrichtung des Druckmittels beaufschlagt. Das Federelement verschiebt
im Schadensfall das Leitblech selbsttätig in eine Position, die einer maximalen Öffnung
des Flügelrades und damit der größten Fördermenge der Kühlmittelpumpe entspricht.
[0015] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu
den Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es
zeigen:
Fig. 1 in einer Schnittdarstellung den Aufbau einer geregelten Kühlmittelpumpe mit
einem erfindungsgemäßen Leitblech;
Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt der Kühlmittelpumpe gemäß
Fig. 1, der den Aufbau des Leitblechs verdeutlicht.
[0016] In der Fig. 1 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe 1 in einem Längsschnitt abgebildet,
die ein Pumpengehäuse 2 umfasst, in dem eine Pumpenwelle 3 drehbar gelagert ist und
der endseitig ein Flügelrad 4 zugeordnet ist. Dabei ist auf einem Wellenstumpf der
Pumpenwelle 3 ein Einlegeteil 5 aufgepresst, das von einer Rückwand 6 des Flügelrades
4 außenseitig umschlossen ist. Gekrümmte, schaufelartig geformte, von der Rückwand
6 ausgehende Flügel 7 des Flügelrades 4 erstrecken sich bis zu einem stirnseitigen
Pumpendeckel 8, dessen Öffnungsquerschnitt einen Sauganschluss 9 definiert, über den
das Kühlmittel axial in die Kühlmittelpumpe 1 eintritt und das radial in einen in
Fig. 1 nicht abgebildeten Druck- oder Spiralkanal austritt. Ein Förder- oder Volumenstrom
der Kühlmittelpumpe 1 ist mit einem axial verschiebbaren Leitblech 10 beeinflussbar,
mit dem ein Ausströmbereich des Flügelrades 4 variabel überdeckt werden kann. Die
Verstellung des Leitblechs 10 erfolgt hydraulisch in Verbindung mit einer Verstelleinheit,
die auch als Aktuatorik oder Aktor bezeichnet werden kann und die eine Druckmittelquelle,
eine Hydraulikpumpe sowie eine Steuer- oder Regeleinheit umfasst. Eine beispielsweise
elektronisch angesteuerte Steuer- oder Regeleinheit steht bevorzugt mit einem Motormanagement
der Brennkraftmaschine in Verbindung, wodurch unmittelbar in Abhängigkeit von der
Kühlmittel- oder der Betriebstemperatur oder unter Berücksichtigung weiterer Parameter
der jeweils benötigte Kühlmittelstrom der Brennkraftmaschine über eine entsprechende
Einstellung des Leitblechs 10 zuströmt. Die Fig. 1 beschränkt sich auf die Darstellung
einer Druckmittelzuführung 11 der Verstelleinheit, die als eine Längsbohrung innerhalb
der Pumpenwelle 3 ausgeführt ist und die bis zu einem Druckraum 12 geführt ist, der
von dem Leitblech 10 sowie der Pumpenwelle 3 und dem Einlegeteil 5 begrenzt ist.
[0017] Zur stufenlosen Verstellung des Leitblechs 10 zwischen zwei Endlagen, die von dem
Pumpendeckel 8 und der Rückwand 6 des Flügelrades 4 definiert sind, wird das Leitblech
10 unmittelbar von dem Druckmittel beaufschlagt. Rückwandseitig ist das Leitblech
10 einstückig mit einer zylindrisch gestalteten, konzentrisch zu einer Längsachse
der Kühlmittelpumpe 1 ausgerichteten Buchse 13 verbunden, die spielbehaftet in eine
Ringnut 14 eingepasst ist. Zur Abdichtung des Druckraums 12 ist innenseitig an der
Buchse 13 ein in einer Umlaufnut 16 des Einlegeteils 5 positioniertes Dichtelement
15 abgestützt, das einen Druckmittelverlust und damit einen Druckverlust vermeidet.
In Fig. 1 ist das Leitblech 10 an der Rückwand 6 abgestützt, wodurch sich die größte
Öffnung des Flügelrads 4 einstellt, in der die Kühlmittelpumpe 1 einen maximalen Volumenstrom
fördert. Radial versetzt zu dem Druckraum 12 sind in dem Leitblech 10 entsprechend
dem Profil der Flügel 7 angepasste Öffnungen 21 eingebracht, die eine axiale Verstellung
des Leitblechs 10 gegenüber dem Flügelrad 4 ermöglichen. Außenseitig bildet das Leitblech
10 einen rechtwinkelig in Richtung des Pumpengehäuses 2 ausgerichteten Bord 17, der
eine äußere Kontur der Flügelrad-Rückwand 6 beabstandet umgreift und dabei eine die
Breite der Rückwand 6 übertreffende Länge aufweist. Ein sich dabei einstellender Ringspalt
18 wird mittels einer Dichtung 19 abgedichtet, die in einer Nut 20 der Rückwand 6
eingesetzt ist und innenseitig an dem Bord 17 anliegt.
[0018] Fig. 2 zeigt Einzelheiten des Flügelrades 4 und verdeutlicht weitere Details des
Leitblechs 10, insbesondere dessen Gestaltung und Anordnung. Eine Tiefe der Ringnut
14 innerhalb des Einlegeteils 5 ist so ausgelegt, dass die Stellbewegungen des Leitblechs
10 und der damit verbundenen Buchse 13 nicht beeinträchtigt sind. Zur Vermeidung eines
unzulässig hohen Druckanstiegs innerhalb des Druckraums 12 bei einer Anlage des Leitblechs
10 an dem Pumpendeckel 8, kann eine Teilmenge des Hydraulikfluids abgesteuert werden.
Dazu ist in einem Endbereich der Buchse 13 ein Durchtritt 22 für einen Hydraulikfluidaustritt
eingebracht. Bei der zuvor beschriebenen Endlage des Leitblechs 10 ist der Durchtritt
dem Dichtelement 15 vorgelagert, wodurch sich ein Austritt des Hydraulikfluids, verbunden
mit einer Druckniveausenkung innerhalb des Druckraums 12 einstellt. Das in eine Aufnahme
27 der Rückwand 6 des Flügelrades 4 eingepresste Einlegeteil 5 kann abweichend zu
der Darstellung gemäß Fig. 2 auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig aufgebaut sein.
Ein rohrförmiges Innenteil kann dazu mit einem die Ringnut 14 einschließenden Außenteil
kombiniert werden. Um bei einem Ausfall des Aktors oder der Druckmittelversorgung
zur Betätigung des Leitblechs 10 die Funktion der Kühlmittelpumpe 1 zu gewährleisten,
ist eine Failsafe-Einrichtung 23 vorgesehen. Dazu ist ein Federmittel 26, insbesondere
eine Druckfeder, zwischen einem endseitigen Kragen 24 der Buchse 13 und einem Anschlag
25 des Einlegeteils 5 innerhalb der Ringnut 14 eingesetzt, die das Leitblech 10 in
Richtung der Rückwand 6 und damit dem Druckmittelstrom entgegen kraftbeaufschlagt.
Die Failsafe-Einrichtung 23 bewirkt, dass sich bei einem Druckabfall innerhalb des
Druckraums 12 das Leitblech 10 selbsttätig in Pfeilrichtung bis zu einer Anlage an
der Rückwand 12 verschiebt, wodurch sich eine maximale Öffnung des Flügelrades 4 einstellt.
Bezugszeichenliste
[0019]
- 1
- Kühlmittelpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Pumpenwelle
- 4
- Flügelrad
- 5
- Einlegeteil
- 6
- Rückwand
- 7
- Flügel
- 8
- Pumpendeckel
- 9
- Sauganschluss
- 10
- Leitblech
- 11
- Druckmittelzuführung
- 12
- Druckraum
- 13
- Buchse
- 14
- Ringnut
- 15
- Dichtelement
- 16
- Umlaufnut
- 17
- Bord
- 18
- Ringspalt
- 19
- Dichtung
- 20
- Nut
- 21
- Öffnung
- 22
- Durchtritt
- 23
- Failsafe-Einrichtung
- 24
- Kragen
- 25
- Anschlag
- 26
- Federmittel
- 27
- Aufnahme
1. Regelbare Kühlmittelpumpe (1) einer Brennkraftmaschine mit einem Pumpengehäuse (2),
in dem eine Pumpenwelle (3) mit zugehörigem Flügelrad (4) drehbar gelagert ist, das
ein Kühlmittel über einen Sauganschluss (9) in einen Druck- oder Spiralkanal der Kühlmittelpumpe
(1) fördert, wobei ein Volumenstrom der Kühlmittelpumpe (1) mittels eines das Flügelrad
(4) zumindest bereichsweise außenseitig umschließenden und hydraulisch verstellbaren
Leitblechs (10) beeinflusst werden kann, wobei das Leitblech (10) drehstarr mit dem
Flügelrad (4) verbunden zwischen zwei Endstellungen stufenlos axial verschiebbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (10) mit einer zylindrischen Buchse (13) beidseitig spielbehaftet in
eine Ringnut (14) des Flügelrades (4) oder eines von dem Flügelrad (4) umschlossenen
Einlegeteils (5) abgedichtet geführt ist und das Leitblech (10) gemeinsam mit der
Pumpenwelle (3) und dem Einlegeteil (5) einen Druckraum (12) begrenzen, der zur Verstellung
des Leitblechs (10) von dem Druckmittel beaufschlagt wird.
2. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum, abhängig von der Stellung des Leitbleches (10), durch das Leitblech
(10) gemeinsam mit der Pumpenwelle (3), dem Einlegeteil (5) und dem Flügelrad (4)
begrenzt wird.
3. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einteilig oder mehrteilig aufgebautes Einlegeteil (5) aus Kunststoff, Metall
oder einem Stahlwerkstoff stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig in einer Aufnahme
(27) des Flügelrades (4) eingesetzt ist.
4. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abdichtung des Druckraums (12) ein in der Ringnut (14) des ortsfesten Einlegeteils
(5) oder des Flügelrades (4) lagefixiertes Dichtelement (15) vorgesehen ist, das kraftschlüssig
innenseitig an der Buchse (13) des Leitblechs (10) abgestützt ist.
5. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Verstellung des Leitblechs (10) das Druckmittel über eine als Längsbohrung
der Pumpenwelle (3) ausgeführte Druckmittelzuführung (11) in den Druckraum (12) einströmt.
6. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Endlage des Leitblechs (10) über zumindest einen radialen Durchtritt (22)
in der Buchse (13) ein Druckniveau innerhalb des Druckraums (12) reduziert werden
kann.
7. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer abgewinkelter Bord (17) des Leitblechs (10) eine Außenkontur einer Rückwand
(6) des Flügelrades (4) unter Einhaltung eines Ringspaltes (18) spielbehaftet umgreift.
8. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einer radial ausgerichteten Nut (20) der Außenkontur von der Flügelrad-Rückwand
(6) eingesetzte Dichtung (19) kraftschlüssig an dem Bord (17) des Leitblechs (10)
abgestützt ist.
9. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausfallsicherung die Buchse (13) des Leitblechs (10) mit einer als Federmittel
(26) ausgebildeten, in der Ringnut (14) des Einlegeteils (5) oder des Flügelrades
(4) eingesetzten Failsafe-Einrichtung (23) zusammenwirkt.