REGELBARE KÜHLMITTELPUMPE MIT SPALTRINGSCHIEBER

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Regelbare Kühlmittelpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (2), einem Flügelrad (5), mit einer im Pumpengehäuse (2) drehbar gelagerten Pumpenwelle (3), auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe (4) und gegenüberliegend das Flügelrad (5) drehfest angeordnet sind und einem in einem Pumpeninnenraum (11) angeordneten, von einer Druckfeder (15) beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades (5) der Kühlmittelpumpe regelnden Spaltringschieber (9), wobei die regelbare Kühlmittelpumpe (1) ein Kegelventil mit einer ortsfesten Ventilhülse (100) und einem Ventilkörper umfasst, wobei der Spaltringschieber (9) der Ventilkörper ist und das Kegelventil den Ausströmbereich des Flügelrades (5) beeinflusst.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 7, ein Nutzfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Kühlkreislauf und wenigstens einer regelbaren Kühlmittelpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben der regelbaren Kühlmittelpumpe.

[0002] Es ist bekannt regelbare Kühlmittelpumpen in Nutzfahrzeugen einzusetzen, um das Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf durch Kühlkanäle des Kurbelgehäuses und des Zylinderkopfes im Verbrennungsmotor zu leiten und anschließend in einen Luft-Wasser-Wärmetauscher bzw. Kühler zurückzukühlen.

[0003] Häufig wird dabei 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 des Verbrennungsmotors ein. Daraus folgt, dass bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors das Kühlmittel zirkuliert, wodurch sich eine gewünschte schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors und eine damit verbundene optimale Betriebstemperatur verzögert. Ein weiterer Aspekt dabei ist die häufige Überdimensionierung der mechanischen Wasserpumpen. Um Überhitzungen in Fahrsituationen mit hoher Motorlast sicher zu vermeiden, werden die Pumpen mit einem Sicherheitsfaktor ausgelegt. Daher fördern sie in den meisten Fahrsituationen mehr Volumenstrom als nötig, mit dem unerwünschten Nebeneffekt eines unnötig hohen Energiebedarfs.

[0004] Im Zuge der stetigen Optimierung von Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emission und Kraftstoffverbrauch ist es wichtig, den Motor nach dem Kaltstart möglichst schnell auf die Betriebstemperatur zu bringen und auf der optimalen Temperatur zu halten. Die Wasserpumpe soll gerade so viel Volumenstrom erzeugen, wie zum Aufrechterhalten der optimalen Temperatur erforderlich ist. Dadurch sinkt die Aufnahmeleistung der geregelten Wasserpumpe gegenüber einer ungeregelten Pumpe. Dadurch werden sowohl Reibungsverluste als auch Emissionswerte reduziert und der Kraftstoffverbrauch verringert. Um diesen Effekt zu erzielen, werden regelbare Kühlmittelpumpen eingesetzt, deren geförderter Volumenstrom auf den Kühlungsbedarf des Verbrennungsmotors abgestimmt werden kann.

[0005] Im Bereich der Nutzfahrzeuge ist es bekannt, Wasserpumpen mit regelbarer Visko-Kupplung sowie mit schaltbarer Wirbelstromkupplung einzusetzen. Beide Konzepte basieren auf einer Drehzahländerung des Flügelrads.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine regelbare Kühlmittelpumpe anzugeben, die gegenüber bekannten Pumpen ein Potential zur Kraftstoffeinsprung hat und kostengünstig ist.

[0007] Die Aufgabe wird gelöst von einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7, einem Nutzfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Kühlkreislauf und wenigstens einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie von einem Verfahren zum Betreiben einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen der Ansprüche 11 und 12.

[0008] Demnach ist eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Flügelrad, mit einer im Pumpengehäuse drehbar gelagerten Pumpenwelle, auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe und gegenüberliegend das Flügelrad drehfest angeordnet sind und einem in einem Pumpeninnenraum angeordneten, von einer Druckfeder beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades der Kühlmittelpumpe regelnden Spaltringschieber vorgesehen. Die regelbare Kühlmittelpumpe weist zudem ein Kegelventil mit einer ortsfesten Ventilhülse und einem Ventilkörper auf, wobei der Spaltringschieber der Ventilkörper ist und das Kegelventil den Ausströmbereich des Flügelrades beeinflusst.

[0009] Das Kegelventil verbessert die Volumenstromregelkennlinie beim Verfahren des Spaltringschiebers, wodurch Antriebsenergie eingespart werden kann. Die Ventilhülse ist bevorzugt aus Stahl gefertigt.

[0010] Vorzugsweise ist die Ventilhülse auf der Innenseite bereichsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei die Öffnung des Kegelstumpfs zum Spaltringschieber hinzeigt, so dass beim Schließvorgang der Spaltringschieber in den Kegelstumpf hineinbewegbar ist, bis er innerhalb des Kegelstumpfes in der maximal geschlossenen Position an die Innenseite der Ventilhülse heranfährt. Das Kegelventil lässt sich so besonders kostengünstig und langlebig umsetzen.

[0011] Simulationen haben gezeigt, dass der Kegelwinkel des Kegelstumpfes bevorzugt zwischen 5° und 20° ist. Die Regelkennlinie verläuft dadurch annähernd linear. Die Leistungsaufnahme der Pumpe folgt dem Volumenstrom.

[0012] Vorzugsweise beträgt der Schieberweg zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position zwischen 3 mm und 12 mm, wobei der Schieberweg innerhalb des Kegelstumpfes bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm ist.

[0013] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Ventilhülse einen oberen Teil und einen unteren Teil, wobei die beiden Teile miteinander mittels Verbindungsstege verbunden sind und wobei der obere Teil den Kegelstumpf umfasst und der untere Teil in dem Pumpengehäuse sitzt und eine Führungshülse ausbildet, die den Spaltringschieber in der axialen Bewegung führt. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich die Druckfeder an der Führungshülse abstützt. Zur reibungsarmen Führung können zwischen der Führungshülse und dem Pumpeninnenraum und/oder dem Pumpeninnenraum und dem Außenzylinder offene Führungsbänder vorgesehen sein.

[0014] Die Kühlmittelpumpe weist vorzugsweise eine Nebenpumpe, bevorzugt eine elektrische Nebenpumpe auf, die Kühlmittel aus dem Flügelradseitenraum ansaugt und mit erhöhtem Druck auf eine dem Flügelrad abgewandte Seite des Spaltringschiebers gibt, derart, dass der Spaltringschieber gegen die Federkraft der Druckfeder verschiebbar ist. Ein derartiges Aktuatorsystem kann mit wenigen, kostengünstigen Bauteilen dargestellt werden. Infolge der direkten Schieberbeaufschlagung stehen große, hydraulisch wirksame Flächen bereit. Das System ist robust und langlebig. Das hydraulische Kraftniveau ist vorzugsweise derart hoch, dass die Federkraft der Druckfeder groß angesetzt werden kann, was in einem geringem Klemmrisiko für den Schieber resultiert.

[0015] Vorzugsweise ist die hydraulisch wirksame Fläche des Spaltringschiebers derart ausgebildet ist, dass eine Druckdifferenz von maximal 0,6 bar der elektrischen Nebenpumpe, insbesondere maximal 0,3 bar für eine Bewegung des Spaltringschiebers ausreicht. Die Nebenpumpe kann somit besonders kostengünstig ausgebildet werden.

[0016] Es ist besonders kostengünstig, wenn die Nebenpumpe eine Zentrifugalpumpe mit freiliegendem Flügelrad ist und der Saugkanal und der Druckkanal in dem Pumpengehäuse ausgebildet sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Drehachse des Flügelrades der Nebenpumpe geneigt, insbesondere senkrecht zur Drehachse der Pumpenwelle liegt.

[0017] Außerdem ist ein Nutzfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Kühlkreislauf zum Kühlen des Verbrennungsmotors, und wenigstens einer zuvor beschriebenen regelbaren Kühlmittelpumpe vorgesehen, wobei die Kühlmittelpumpe dazu ausgebildet ist, in dem Kühlkreislauf vorhandenes Kühlmittel zu transportieren, und die wenigstens eine regelbare Kühlmittelpumpe mittels Riementrieb von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben ist.

[0018] Zudem ist eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Flügelrad, mit einer im Pumpengehäuse drehbar gelagerten Pumpenwelle, auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe und gegenüberliegend das Flügelrad drehfest angeordnet sind und einem in einem Pumpeninnenraum angeordneten, von einer Druckfeder beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades der Kühlmittelpumpe regelnden Spaltringschieber, vorgesehen, wobei die Kühlmittelpumpe eine Nebenpumpe aufweist, bevorzugt eine elektrische Nebenpumpe, die Kühlmittel aus dem Flügelradseitenraum ansaugt und mit erhöhtem Druck auf eine dem Flügelrad abgewandte Seite des Spaltringschiebers gibt, derart, dass der Spaltringschieber gegen die Federkraft der Druckfeder verschiebbar ist. Außerdem ist ein Filterfederteller im Flügelradseitenraum des Flügelrades der Kühlmittelpumpe angeordnet, der den Flügelradseitenraum von einem Pumpeninnenraum (Zwischenraum), in dem der Spaltringschieber bewegbar ist, trennt und der mit dem Pumpengehäuse fest verbunden ist, wobei der Rand des Filterfedertellers von einem Dichtelement umgeben ist, das den Flügelradseitenraum von dem Pumpeninnenraum im Bereich des Spaltringschiebers zumindest teilweise abdichtet. Das Dichtelement ist bevorzugt im Querschnitt u-förmig. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Dichtelementes dabei größer als der Innendurchmesser des Spaltringschiebers, so dass dieser dichtend anliegt. Der Innendurchmesser des Dichtelements hat vorzugsweise Spiel zum Außendurchmessers des Filterfedertellers, so dass der Spaltringschieber trotz des Dichtelements frei beweglich ist.

[0019] Der Filterfederteller stellt sicher, dass der Spaltringschieber in einer offenen Stellung gehalten wird, wenn die Nebenpumpe keine Pumpkraft (inaktiv) erzeugt (fail-safe).

[0020] Vorzugsweise weist der Filterfederteller wenigstens eine Filterbohrung auf, durch die Kühlmittel über eine Saugleitung zur elektrischen Nebenpumpe gelangt. Die wenigstens eine Filterbohrung liegt bevorzugt in etwa parallel zur Axialrichtung (Drehachse Flügelrad). Dadurch liegen die Filterbohrungen etwa senkrecht zur Zirkular-Strömung im Flügelradseitenraum und in dem Kühlmittel vorhandene Partikel werden radial an den Bohrungen vorbei beschleunigt und dringen dadurch nicht durch die Bohrungen hindurch. Das Kühlmittel wird somit vorgefiltert.

[0021] Es ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Hülse in das Pumpengehäuse eingesetzt ist, die an die im Pumpengehäuse ausgebildete Saugleitung anschließt, wobei der Spaltringschieber mit Spiel auf der Hülse bewegbar ist. Ein Verdrehen des Spaltringschiebers aufgrund von Zirkularströmung kann somit verhindert werden.

[0022] Die Nebenpumpe und die regelbare Kühlmittelpumpe können vorzugsweise wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein.

[0023] Zudem ist ein Verfahren zum Betreiben einer der vorstehend beschriebenen regelbaren Kühlmittelpumpen mit folgenden Verfahrensschritten vorgesehen:

• Messen einer Ist-Temperatur in einem Kühlkreislauf und bestimmen einer Differenz zwischen Ist-Temperatur und Soll-Temperatur,
• Berechnen eines Steuerstroms für die Nebenpumpe basierend auf der Temperaturdifferenz mittels PID-Regler und Pulsweitenmodulation und
• Ansteuern der Nebenpumpe mit dem Steuerstrom.

[0024] Mittels der elektrischen Nebenpumpe ist so eine stufenlose Fördermengenanpassung der mechanischen Kühlmittelpumpe möglich, unabhängig von der Pumpendrehzahl.

[0025] Es ist auch denkbar, einen Wegsensor zur Bestimmung der Lage des Spaltringschiebers einzusetzen und die Lage als Rückführung in den Volumenstromregelkreis einfließen zu lassen. Hierzu kann ein mehrdimensionales Kennfeld im Motorsteuergerät abgelegt werden, aus welchem der Volumenstrom abhängig von der Pumpendrehzahl der Spaltringschieberposition, der Temperatur des Mediums und der Thermostatposition ausgelesen werden kann.

[0026] Außerdem ist ein Verfahren zum Betreiben einer regelbaren Kühlmittelpumpe in einem Nutzfahrzeug mit einem Pumpengehäuse, einem Flügelrad, mit einer im Pumpengehäuse drehbar gelagerten Pumpenwelle, auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe und gegenüberliegend das Flügelrad drehfest angeordnet sind und mit einem in einem Pumpeninnenraum angeordneten, von einer Druckfeder beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades der Kühlmittelpumpe regelnden Spaltringschieber mit folgenden Verfahrensschritten vorgesehen:

• Regelmäßiges Verfahren des Spaltringschiebers in eine geöffnete Position zum Freispülen und Abtransportieren von Partikeln aus dem Flügelradinnenraum heraus, auch wenn eine Kühlmittelsteuerung eine geschlossene Position des Spaltringschiebers vorsieht.

[0027] Durch das regelmäßige Öffnen unabhängig von dem eigentlichen Thermomanagement werden Partikelansammlungen unter dem Spaltringschieber in die Druckspirale gespült und ein Verklemmen des Spaltringschiebers kann verhindert werden. Vorzugsweise erfolgt das Freispülen mit einem vorgegeben Zeitintervall. Es ist auch denkbar, dass das Freispülen nur erfolgt, wenn erkannt wird, dass die seit dem letzten Öffnen vergangene Zeit einen Schwellenwert übersteigt.

[0028] Die regelbare Kühlmittelpumpe kann wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein.

[0029] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer regelbaren Kühlmittelpumpe anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:

Figur 1a:

einen Längsschnitt durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Regelschieber in einer geöffneten Position,

Figur 1b:

einen Längsschnitt durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Regelschieber in einer geschlossenen Position,

Figur 2:

einen Längsschnitt durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einer elektrischen Nebenpumpe,

Figur 3:

einen Ausschnitt des Längsschnitts der Figur 1b,

Figur 4:

eine Draufsicht auf einen Teil der regelbaren Kühlmittelpumpe der Figur 1, sowie

Figur 5:

zwei Kennlinien der regelbaren Kühlmittelpumpe der Figur 1.

[0030] In den Figuren 1a und 1b ist ein Teil einer regelbaren Kühlmittelpumpe 1 dargestellt. Die Kühlmittelpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2 auf, in dem die Pumpenwelle 3 frei drehbar gelagert ist. Auf einem der beiden freien Enden der Pumpenwelle 3 ist außerhalb des Pumpengehäuses 2 drehfest eine Riemenscheibe 4 angeordnet. Ein Zugmittel des als Riementriebs ausgeführten Zugmitteltriebs verbindet die Riemenscheibe mit einer nicht dargestellten Riemenscheibe einer Kurbelwelle eines Verbrennermotors. Auf dem gegenüberliegenden freien Ende der Pumpenwelle 3 ist ein Flügelrad 5 aufgepresst. Somit wird von der Drehzahl des Flügelrades 5 die Drehzahl der Riemenscheibe 4 vorgegeben. Flügelradseitig ist auf der Pumpenwelle 3 eine Dichtungseinrichtung 6 vorgesehen, die den kühlmittelführenden Bereich von dem trockenen Bereich trennt. Bei rotierendem Flügelrad 5 im Betriebszustand der Kühlmittelpumpe 1 strömt das Kühlmittel 7 axial über einen Sauganschluss zu dem Flügelrad 5 und wird radial in einen nicht ersichtlichen Druckkanal 8 bzw. Spiralkanal geleitet. Dabei bildet ein mit dem Flügelrad 5 verbundener Pumpendeckel einen Übergang zwischen dem Sauganschluss und dem Druckkanal 8. Zur Einflussnahme auf das Fördervolumen der Kühlmittelpumpe 1 ist ein Spaltringschieber 9 vorgesehen. Der Spaltringschieber 9 weist eine Kreisscheibe 10 auf, die in einem im Pumpengehäuse 2 die Pumpenwelle 3 kreisringförmig und konzentrisch umgebenden Pumpenzwischenraum 11 sitzt. An die Kreisscheibe 10 schließt sich umfangseitig ein Außenzylinder 12 an, der mit seinem Innendurchmesser den Außendurchmesser des Flügelrades 5 geringfügig überragt. Im Inneren schließt sich an die Kreisscheibe 10 ein Innenzylinder 13 an, der sich in Axialrichtung entgegengesetzt zum Außenzylinder 12 erstreckt und auf der Innenseite eine Kontur mit einem Federsitz 14 zur Aufnahme eines Federelementes 15 sowie umfangseitig daran anschließend eine Abkantung 16 zur Aufnahme eines offenen Führungsbandes 17 aufweist. Das Führungsband 17 ermöglicht eine reibungsarme radiale Führung des Spaltringschiebers 9 entlang einer Führungshülse 18, die auf der Innenseite des Pumpenzwischenraums 11 sitzt. Die Außenseite des Außenzylinders 12 ist ebenfalls mittels offenem Führungsband reibungsarm in einer im Pumpengehäuse sitzenden Ventilhülse 100 axial geführt. Die Stoßstellen der Führungsbänder am Spaltringschieber 9 wirken als Ablaufdrosseln, über die das beim Rückhub des Spaltringschiebers 9 verschobene Hydraulikvolumen zurück auf die flügelradnahe Seite des Spaltringschiebers 9 läuft. Der Spaltringschieber 9 ist als Tiefziehteil ausgeführt.

[0031] In die Kühlmittelpumpe 1 ist eine in Figur 2 dargestellte elektrische Nebenpumpe 200 in Form einer Kreiselpumpe integriert. Die elektrische Nebenpumpe weist bevorzugt ein offenliegendes Flügelrad 201 und somit keinen eigenen Spiraldeckel auf. Eine Pumpenspirale ist aufgrund der kleinen Durchflussmenge nicht erforderlich. Eine konzentrische Kreisringleitvorrichtung ist ausreichend. Der Einlass 202 und Auslass der Nebenpumpe 200 sind durch die Geometrie des Pumpengehäuses der Kühlmittelpumpe 1 abgebildet. Das Pumpengehäuse weist einen Druckkanal 203 auf, der sich von einem radial außenliegenden Bereich des Flügelrades 5 der elektrischen Kühlmittelpumpe bis zu dem Pumpeninnenraum erstreckt und einen Saugkanal 20, der sich von einem am Flügelrad ausgebildeten Saugstutzen der Nebenpumpe bis zum Pumpeninnenraum 11 erstreckt. Der Saugkanal 20 ist mit dem rückseitigen Bereich des Flügelrades 5 der Kühlmittelpumpe 1 (Flügelradseitenraum) über eine Hülse 21 verbunden. Die Hülse 21 ist umfangseitig mit Spiel von dem Spaltringschieber 9 umgeben. Die Hülse 21 verhindert somit ein Verdrehen des Spaltringschiebers 9 durch die in Umfangsrichtung wirkenden Strömungskräfte.

[0032] Wie in den Figuren 1a und 1b dargestellt, liegt ein Filterfederteller 22 im rückseitigen Bereich des Flügelrades 5 der Kühlmittelpumpe 1 (Flügelradseitenraum). Der Filterfederteller 22 weist eine Kreisringscheibe 23 auf, an die sich in der Mitte ein Kreisringzylinder 24 anschließt. Der Kreisringzylinder 24 ist auf das Pumpengehäuse 2 aufgepresst. Aus Gründen der Montierbarkeit sind der Filterfederteller 22 und die Führungshülse 18 als zwei Bauteile ausgebildet. Beide Bauteile 18,22 werden auf das Gehäuse aufgepresst. An dem Filterfederteller 22 stützt sich das Federelement 15 ab. Das Federelement 15 ist eine Druckfeder, die den Spaltringschieber 9 von dem Flügelrad 5 wegdrückt und in einer offenen Stellung hält (fail-safe).

[0033] Die Kreisringscheibe 23 des Filterfedertellers 22 erstreckt sich senkrecht zur Axialrichtung und weist in der dargestellten Ausführungsform auf Höhe der Hülse 21 eine Filterbohrung 25 auf. Die Filterbohrung 25 liegt senkrecht zur Zirkular-Strömung im Flügelradseitenraum. Vorzugsweise liegt die Filterbohrung 25 möglichst weit in Radialrichtung außen. Es sind bevorzugt mehrere Filterbohrungen 25 vorgesehen. Partikel im Kühlwasser werden infolge ihrer hohen Dichte bevorzugt radial beschleunigt und haben daher wenig Neigung in die Filterbohrungen 25 einzudringen. Die elektrische Nebenpumpe saugt somit vorgefiltertes Kühlmittel durch die Filterbohrungen 25 in die Hülse 21 und durch die Saugleitung 20. Ein Filterelement am Eintritt der Hülse 21 ist somit nicht erforderlich.

[0034] Der Rand der Kreisringscheibe 23 des Filterfedertellers 22 ist von einem Dichtelement 26 umgeben. Das Dichtelement 26 hat einen u-förmigen Querschnitt und zwischen den beiden Dichtlippen liegt die Kreisringscheibe 23. Der Außendurchmesser des Dichtelementes 26 ist dabei größer als der Innendurchmesser des Außenzylinders des Spaltringschiebers 9, so dass dieser dichtend anliegt. Der Innendurchmesser des Dichtelements hat Spiel zum Außendurchmessers des Filterfedertellers 22, so dass der Spaltringschieber 9 trotz des Dichtelements 26 frei beweglich ist. Das Dichtelement 26 verhindert den Übertritt der Zirkularströmung vom Flügelradseitenraum in den Pumpenzwischenraum. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Druck im Pumpenzwischenraum gleich dem Druck im Hydraulikraum (flügelradferne Seite des Spaltringschieber) bei ruhender elektrischer Nebenpumpe ist und keine ungewünschte Schließkraft auf den Spaltringschieber wirkt.

[0035] Der Filterfederteller 22 ist bevorzugt aus einem tiefgezogenen Stahlblech gebildet. Das Dichtelement 26 ist vorzugsweise aus Kunststoff als Spritzgussteil hergestellt.

[0036] Die Drehzahl der in Figur 2 dargestellten Nebenpumpe 200 ist elektronisch regelbar. Mit Erhöhung der Drehzahl der Nebenpumpe 200 steigt der Druck im Auslass. Die Nebenpumpe 200 dreht stets in die gleiche Richtung. Der Druckabgang der Nebenpumpe 200 wird auf die flügelradnahe Seite des Spaltringschiebers 9 geleitet (nicht dargestellt) und wirkt primär gegen die Federrückstellkraft des Federelementes 15 in Schließrichtung.

[0037] Die Druckdifferenz zwischen Zulaufdruck und Druckabgang der elektrischen Nebenpumpe 200 beträgt maximal 0,5 bar, insbesondere maximal 0,3 bar. Der Förderdruck der mechanischen Nebenpumpe 200 beeinflusst das Kräftegleichgewicht des Spaltringschiebers 9 nicht nennenswert. Infolge der großen hydraulisch wirksamen Fläche des Spaltringschiebers 9 ergeben bereits kleine Druckerhöhungen der Nebenpumpe 200 große Verschiebekräfte. Die Nebenpumpe 200 als Kreiselpumpe ist in der Lage, Leckageverluste durch die konstruktiv vorgesehenen Ablaufdrosseln im Hydraulikraum auszugleichen.

[0038] Für die Positionserfassung des Spaltringschiebers 9 als Rückführung für einen Regelkreis der Nebenpumpe 200 kann optional ein nicht dargestellter Wegsensor mit Target am Spaltringschieber 9 angebracht werden.

[0039] Die Bewegung des Spaltringschiebers 9 wird im Folgenden detaillierte erläutert.

[0040] In der Figur 1a ist die maximal geöffnete Position des Spaltringschiebers dargestellt. Die Ventilhülse 100 sitzt auf einer Seite im Pumpengehäuse 2 und auf der anderen Seite im Spiralgehäuse 27. Die Ventilhülse 100 umgibt das Flügelrad 5 bereichsweise entlang des Umfanges vollständig. Die Ventilhülse 100 weist einen oberen Teil 101 und einen unteren Teil 102 auf, die beide mittels in Axialrichtung verlaufender Verbindungsstege miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Teilen 101,102 und den Verbindungsstegen sind Durchströmfenster 103 ausgebildet. In der dargestellten maximal geöffneten Position des Spaltringschiebers 9 überdeckt dieser die Durchströmfenster 103 nicht. In anderen Worten liegen die Durchströmfenster 103 vollständig frei. Der obere Teil 101 sitzt in dem Spiralgehäuse 27 und der untere Teil 102 ist mit Schiebepassung in das Pumpengehäuse 2 eingesetzt. Der untere Teil 102 weist eine Ausnehmung 104 zur Aufnahme eines Führungsbandes 28 auf.

[0041] Der obere Teil 101 ist zumindest bereichsweise auf der Innenseite kegelstumpfförmig ausgebildet. Der Kegelstumpf 105 öffnet sich zum unteren Teil hin (zur Pumpengehäuseseite). Der Spaltringschieber 9 fungiert als Ventilkörper.

[0042] Figur 1b zeigt die maximal geschlossene Position des Spaltringschiebers 9. Der Spaltringschieber 9 verdeckt die Durchströmfenster 103 vollständig und verhindert das Eintreten von Kühlmittel aus dem Flügelrad 5. Beim Schließvorgang verfährt der Spaltringschieber 9 innerhalb und entlang des Kegelstumpfes 105 und das Ende des Spaltringschiebers 9 nähert sich mittels des Kegelwinkels des Kegelstumpfes 105 langsam der vollständig geschlossenen Position an. Eine sprunghafte Änderung des Kühlmitteldurchflusses kann somit verhindert werden. Dasselbe gilt für den Öffnungsvorgang.

[0043] In der Figur 3 ist im Detail das Kegelventil mit der Ventilhülse 100 und dem Spaltringschieber 9 dargestellt. Die Ventilhülse 100 ist bevorzugt eine Stahlhülse. Der Kegelwinkel α liegt zwischen 5° und 20°. Der Schieberweg a zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position beträgt zwischen 3 mm und 12 mm. Der Schieberweg b innerhalb des Kegelstumpfes liegt zwischen 1 mm und 5 mm. In anderen Worten ist der Schieberweg b der Weg den sich der Schieber in Axialrichtung von dem Ende des Kegelstumpfes bis zu der vollständig geschlossenen Position (Anschlag des Spaltringschiebers an der Innenseite des oberen Teils im Bereich des Kegelstumpfes) bewegt.

[0044] Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf das offenliegende Flügelrad 5. Umfangseitig ist der obere Teil 101 der Ventilhülse 100 dargestellt und zwei sich diametral gegenüberliegende Verbindungsstege 29, die den oberen Teil 101 mit dem nicht ersichtlichen unteren Teil verbinden.

[0045] In der Figur 5 ist der Einfluss der Ventilhülse auf die Kennlinien der elektrischen Kühlmittelpumpe dargestellt. Die Messpunkte bilden einen als x-Achse wieder gegeben Schieberweg a von 9 mm ab. Die gestrichelte Linie gibt den Verlauf der auf der y-Achse als y1 aufgetragenen Leistung wieder. Die Leistung nimmt mit zunehmenden Schieberweg (Bewegung von der offenen in die geschlossene Position) annähernd linear ab. Die durchgezogene Linie gibt den Verlauf des auf der zweiten y-Achse als y2 aufgetragenen Volumendurchflusses an. Der Volumendurchfluss nimmt ebenfalls mit zunehmenden Schieberweg annähernd linear ab.

[0046] Das Kegelventil ermöglicht somit eine lineare Regelkennlinie des Durchflusses, was einen großen Vorteil darstellt.

[0047] Unabhängig von der konstruktiven Umsetzung ist es bei der Verwendung eines Spaltringschiebers in einem Kühlkreislauf eines Nutzfahrzeuges (z. B. LKW) ganz allgemein von Vorteil, wenn eine Freispülfunktion vorgesehen ist. Es hat sich gezeigt, dass im geschlossenen Zustand des Spaltringschiebers, wie in Figur 1b dargestellt, in dem Kühlmittel befindliche Partikel 30 (Kreise) an der Innenseite des Spaltringschiebers 9 sammeln. Da Kühlkreisläufe von Nutzfahrzeugen im Gegensatz zu PKW-Kühlkreisläufe eine große Anzahl an Partikel 30 aufweisen können, kann durch das Ablagern der Partikel 30 vor dem Spaltringschieber 9 dieser verklemmen und die Funktion beeinträchtigt werden.

[0048] Um ein Verklemmen zu verhindern, wird der Spaltringschieber 9 regelmäßig zum Freispülen in die maximal geöffnete Position verfahren, so dass alle Partikel(-konglomerate) 30 in die Spirale gespült werden (siehe Figur 1a). Die Freispülposition wird von der Regelelektronik routinemäßig angefahren. Die Rückseite des Flügelrades wirkt als Tellerseparator, der die Einleitung von Partikeln durch die in der dargestellten Ausführungsform vorhandenen Filterfederteller 22 in den Zwischenraum weitgehend verhindert.

Ansprüche

1. Regelbare Kühlmittelpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (2), einem Flügelrad (5), mit einer im Pumpengehäuse (2) drehbar gelagerten Pumpenwelle (3), auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe (4) und gegenüberliegend das Flügelrad (5) drehfest angeordnet sind und einem in einem Pumpeninnenraum (11) angeordneten, von einer Druckfeder (15) beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades (5) der Kühlmittelpumpe regelnden Spaltringschieber (9), dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Kühlmittelpumpe (1) ein Kegelventil mit einer ortsfesten Ventilhülse (100) und einem Ventilkörper umfasst, wobei der Spaltringschieber (9) der Ventilkörper ist und das Kegelventil den Ausströmbereich des Flügelrades (5) beeinflusst.

2. Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (100) auf der Innenseite bereichsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ist und die Öffnung des Kegelstumpfs (105) zum Spaltringschieber (9) hinzeigt, so dass beim Schließvorgang der Spaltringschieber (9) in den Kegelstumpf (105) hineinbewegbar ist, bis er innerhalb des Kegelstumpfes (105) in der maximal geschlossenen Position an die Innenseite der Ventilhülse (100) heranfährt.

3. Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (α) des Kegelstumpfes (105) zwischen 5° und 20° ist.

4. Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieberweg (a) zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position zwischen 3 mm und 12 mm beträgt, wobei der Schieberweg (b) innerhalb des Kegelstumpfes zwischen 1 mm und 5 mm beträgt.

5. Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (100) einen oberen Teil (101) und einen unteren Teil (102) aufweist, wobei die beiden Teile (101,102) miteinander mittels Verbindungsstege (106) verbunden sind und wobei der obere Teil (101) den Kegelstumpf (105) umfasst und der untere Teil (102) in dem Pumpengehäuse (2) sitzt und eine Führungshülse ausbildet, die den Spaltringschieber (9) in der axialen Bewegung führt.

6. Regelbare Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (100) aus Stahl gefertigt ist.

7. Regelbare Kühlmittelpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (2), einem Flügelrad (5), mit einer im Pumpengehäuse (2) drehbar gelagerten Pumpenwelle (3), auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe (4) und gegenüberliegend das Flügelrad (5) drehfest angeordnet sind und einem in einem Pumpeninnenraum (11) angeordneten, von einer Druckfeder (15) beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades (5) der Kühlmittelpumpe regelnden Spaltringschieber (9), wobei die Kühlmittelpumpe (1) eine Nebenpumpe aufweist, die Kühlmittel (7) aus dem Flügelradseitenraum ansaugt und mit erhöhtem Druck auf eine dem Flügelrad (5) abgewandte Seite des Spaltringschiebers (9) gibt, derart, dass der Spaltringschieber (9) gegen die Federkraft der Druckfeder (15) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filterfederteller (22) im Flügelradseitenraum des Flügelrades (5) der Kühlmittelpumpe (1) angeordnet ist, der den Flügelradseitenraum von einem Pumpeninnenraum (11), in dem der Spaltringschieber (9) bewegbar ist, trennt und der mit dem Pumpengehäuse (2) fest verbunden ist, wobei der Rand des Filterfedertellers (22) von einem Dichtelement (26) umgeben ist, dass den Flügelradseitenraum von dem Pumpeninnenraum (11) im Bereich des Spaltringschiebers (9) zumindest teilweise abdichtet.

8. Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterfederteller (22) wenigstens eine Filterbohrung (25) aufweist, durch die Kühlmittel über eine Saugleitung (20) zur Nebenpumpe gelangt.

9. Regelbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülse (21) in das Pumpengehäuse (2) eingesetzt ist, die an die im Pumpengehäuse (2) ausgebildete Saugleitung (20) anschließt, wobei der Spaltringschieber (9) mit Spiel auf der Hülse (21) bewegbar ist.

10. Nutzfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Kühlkreislauf zum Kühlen des Verbrennungsmotors, und wenigstens einer regelbaren Kühlmittelpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu ausgebildet ist, in dem Kühlkreislauf vorhandenes Kühlmittel zu transportieren, wobei die wenigstens eine regelbare Kühlmittelpumpe (1) mittels Riementrieb von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben ist.

11. Verfahren zum Betreiben einer regelbaren Kühlmittelpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, mit folgenden Verfahrensschritten:

- Messen einer Ist-Temperatur (28) in einem Kühlkreislauf und bestimmen einer Differenz (30) zwischen der Ist-Temperatur (28) und einer Soll-Temperatur (31) und

- Berechnen eines Steuerstroms für die Nebenpumpe (20) mittels PID-Regler (32) und Pulsweitenmodulation (33) und

- Ansteuern der Nebenpumpe (20) mit dem Steuerstrom.

12. Verfahren zum Betreiben einer regelbaren Kühlmittelpumpe (1) in einem Nutzfahrzeug mit einem Pumpengehäuse (2), einem Flügelrad (5), mit einer im Pumpengehäuse (2) drehbar gelagerten Pumpenwelle (3), auf deren freien Enden einerseits eine Riemenscheibe (4) und gegenüberliegend das Flügelrad (5) drehfest angeordnet sind und einem in einem Pumpeninnenraum (11) angeordneten, von einer Druckfeder (15) beaufschlagten, den Ausströmbereich des Flügelrades (5) der Kühlmittelpumpe regelnden Spaltringschieber (9) mit folgenden Verfahrensschritten:

- Regelmäßiges Verfahren des Spaltringschiebers (9) in eine geöffnete Position zum Freispülen und Abtransportieren von Partikeln (30) aus dem Flügelradinnenraum heraus, auch wenn eine Kühlmittelsteuerung eine geschlossene Position des Spaltringschiebers (9) vorsieht.

Zeichnung