Stufenlos regelbare Kühlmittelpumpe Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe, für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse. In welchem eine antreibbare Welle gelagert ist, an deren einem Ende ein Laufrad befestigt ist, welches in einen Saugraum hineinragende Flügel aufweist und mit einer Deckscheibe verbunden ist. Auf Grund der Rotation der Deckscheibe und des Flügel aufweisenden Laufrades wird Fluid über einen Saugstutzen des Pumpengehäuses in den Saugraum gesaugt und über die Flügel weiter in das Pumpengehäuse befördert. Zwischen Laufrad und Deckscheibe ist eine über eine Stelleinheit axial verschiebbar Leitscheibe angeordnet. Die Leitscheibe weist eine zum Laufrad korrespondierende Kontur und eine in Richtung des Laufrads orientierte Auskragung auf.

Hintergrund der Erfindung

Um eine schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors zu erreichen und die Motortemperatur gezielt einzustellen, sollte die Kühlmittelpumpe schaltbar und im besten Fall regelbar sein. Dies wird gezielt durch die Einstellung des Förder- Stroms erreicht. Um den Förder- bzw. den Volumenstrom einzustellen, wird die Leitscheibe innerhalb des Flügelrades axial in der Pumpe verschoben. Dies muss über einen Aktuator geschehen, welcher möglichst bauraumneutral, vorzugsweise in Axialrichtung, verbaut ist. Ein Kühlmittelpumpe gemäß der vorgenannten Gattung ist aus der Druckschrift DE 10 2008 046 424 A1 bekannt.

Versuche haben gezeigt, dass die resultierenden hydraulischen Kräfte auf die Leitscheibe über 150N je nach Drehzahl, Stellposition und Pumpenausführung annehmen können. Dieser Kraftbedarf muss von einem Aktuator aufgebracht werden, welcher bei sämtlichen Drehzahlen, Temperaturen und Wiederholhäufigkeiten die Verstellung der Leitscheibe garantieren muss. Dieser Umstand bedingt eine gewisse Größe bzw. ein gewisses Grundprinzip an Aktuatorik. Aus diesem Grund wird meist ein teurer Aktuator mit hohem Bauraumbedarf verwendet.

Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schalt- bzw. regelbare Kühlmittelpumpe zur Verfügung zu stellen, deren Aktuator keine zusätzlichen Kosten oder Bauraum benötigt, um die Kräfte zur Verstellung der Leitscheibe aufzubringen. Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leitscheibe mindestens eine Öffnung aufweist. Durch die vorhandene Öffnung wird der effektive Druckunterschied zwischen Leitscheibenvorder- und Leitscheibenrückseite reduziert, was wiederum die zur Verschiebung der Leitscheibe benötigte Axialkraft reduziert. Der Strömungsaustausch zwischen Leitscheibenvorder- und Leitscheibenrückseite wird erleichtert. Das hinter der Leitscheibe radial geförderte Fluid weist einen flügelradtypischen Fliehdruck auf. Zusammen mit einem gewissen Stauanteil, welcher nach Eintritt durch die Bohrungen beim axialen Auftreffen auf die Flügelradrückwand entsteht, wird ein mittlerer Druck hinter der Leitscheibe generiert. Das unter Druck stehende Fluid weist somit eine Kraftkomponente auf, welche in Richtung „Leitscheibe schließen" führt. Die Richtung„Leitscheibe schließen" beschreibt die axiale Verschiebung der Leitscheibe in Richtung Deckscheibe. Dies hat eine Reduzierung der resultierende Kraft in Richtung„Leitscheibe öffnen" zu Folge. Die Richtung„Leitscheibe öffnen" beschreibt die axiale Verschiebung der Leitscheibe in Richtung Laufrad. Dadurch wird der Aktuator, in seiner Verfahrfunktion, bezüglich der aufzubringenden Kraft entlastet. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, mehr als eine Öffnung in die Leitscheibe einzubringen. Dabei können die Öffnungen unterschiedliche Formen aufweisen, z.B. strömungsoptimierte Formen zur Ausnutzung von Strömungseffekten sowie radiale oder in Umfangsrichtung liegende, auf der Leitscheibe verlaufende Öffnungen oder fertigungsoptimierte Formen zur günstigeren Herstellung. Unabhängig von der Ausführungsform, ist die wirkungsvollste Anordnung der Öffnungen im Bereich nahe der Leitscheibendrehachse. Des Weiteren ist in der Diagrammdarstellung in Figur 4 gezeigt, wie sich die Fluidkräfte in Abhängigkeit des Öffnungsgrades der Leitscheibe verhalten. Im Idealfall beträgt die Fluidkraft Null, dadurch könnte der Aktuator die Leitscheibe ohne zusätzlichen Kraftaufwand axial verfahren. Bei einer Leitscheibe ohne Öffnungen ist das Erreichen einer Fluidkraft von Null, wie dem Diagramm zu entnehmen ist, nicht möglich. Je höher die Anzahl der Öffnungen umso schneller sinkt das Kräfteniveau. Allerdings zeigt das Diagramm auch, dass das Kräfteniveau ab einem bestimmten Öffnungsgrad der Leitscheibe und einer bestimmten Anzahl an Öffnungen, ein negatives Vorzeichen annimmt. Ein negatives Kräfteniveau bzw. negative Fluidkräfte bedeuten, dass die Leitscheibe in Richtung der Deckscheibe verfährt und somit den Fluiddurchfluß innerhalb der Wasserpumpe unterbindet. Dies gilt es zu vermeiden. Damit der Aktuator ausreichend Kraft gegen die negativen Fluidkräfte aufbringen kann, müsste er stärker bzw. größer dimensioniert werden, was wiederum zusätzliche Kosten verursachen würde.

Um dies zu verhindern, kann die Stelleinheit optional eine Feder aufweisen. Die Feder bewirkt dabei, dass die Leitscheibe indirekt über die Welle in Richtung „Leitscheibe öffnen" druckbeaufschlagt wird. Diese Ausführungsform stellt eine Fail-Safe-Lösung dar. Wenn der Aktuator ausfällt und die Leitscheibe auf Grund von einer negativen Fluidkraft in Richtung„Leitscheibe schließen" gezogen wird, was eine Verringerung des Kühlmittelflusses zur Folge hat, erzeugt die Feder einen Gegendruck, um die Leitscheibe am Schließen zu hindern. Bei dieser Ausführungsform müsste man allerdings die gesamten Kräftekurven um die Vorspannung der Feder erhöhen. Dadurch würde die zuvor gewonnene Kräftereduzierung teilweise wieder aufgehoben.

Um einen gebräuchlichen und kostengünstigen Aktuator verwenden zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Öffnungsrad der Leitscheibe und die Anzahl der Öffnungen innerhalb der Leitscheibe entsprechend abzustimmen. Dadurch stellt sich eine auf die Leitscheibe einwirkende Fluidkraft von 20 - 50 N einstellt, welche die Leitscheibe in Richtung Laufrad drückt und somit die Kühlmittelpumpe öffnet. Damit sollen negative Fluidkräfte verhindert werden, was wiederum den Einsatz eine Fail-Safe-Feder überflüssig macht. In Konkretisierung der Erfindung ist es deshalb vorgeschlagen, dass das Laufrad eine zusätzliche Verschlusskontur aufweist, welche in Richtung der Leitscheibe zeigt und das die Verschlusskontur mit der zumindest einen Öffnung der Leitscheibe in Eingriff bringbar ist und diese teilweise oder ganz verschließt.

Im Weiteren ist es vorgesehen, dass die Verschlusskontur mehr als ein Verschlusselement aufweist. Die einzelnen Verschlusselemente können sich in ihren Abmaßen (Länge, Krümmung, Steigung, Durchmesser) voneinander unterscheiden.

Die Verschlusselemente können kegelig ausgeführt sein, d.h. die Verschlusselemente verjüngen sich vom Laufrad hin in Richtung der Deckscheibe.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Verschlusselemente flügelartig ausgeführt sind. Zum Beispiel als in Umfangsrichtung gelegene Sichelkörper mit veränderlicher Höhe, welche am Laufrad angeordnet sind oder aber auch in radialer Richtung gelegene Finnen mit veränderlicher Höhe, diese können wiederum direkt an den Flügeln des Laufrades angeordnet sein. Nach einer Weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Stelleinheit einen Aktuator umfasst, welcher unabhängig von der Drehzahl des Laufrades aktuiert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 4 dargestellt, die nachfolgend detailliert beschrieben sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.

Es zeigen:

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem Pumpengehäuse 1 . In welchem eine antreibbare Welle 2a gelagert ist, an deren einem Ende ein Laufrad 4 befestigt ist. Das Laufrad 4 weist in den Saugraum 7 hineinragende Flügel 6 auf. Das Laufrad 4 und die Deckscheibe 9 sind miteinander verbunden. Bei der Rotation des Laufrades 4 wird Fluid über einen Saugstutzen 10 des Pumpengehäuses 1 in den Saug- räum 7 befördert. Zwischen dem Laufrad 4 und der Deckscheibe 9 ist eine über eine Stelleinheit 3 axial verschiebbare Leitscheibe 12 angeordnet. Die Leitscheibe 12 weist eine zum Laufrad 4 korrespondierende Kontur und eine in Richtung des Laufrads 4 orientierte Auskragung 13 auf. Um eine schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors zu erreichen und die Motortemperatur ge- zielt einzustellen, muss die Kühlmittelpumpe regelbar bzw. schaltbar sein. Hierzu wird ein Volumenstrom bedarfsgerecht eingestellt. Um den Volumenstrom einzustellen wird die Leitscheibe 12 axial im Pumpengehäuse 1 verschoben. Die innerhalb zwischen Laufrad 4 und Deckscheibe 9 verschoben Leitscheibe 12 verändert den Öffnungsgrad und steuert somit den Durchlass des Volumen- Stroms. Die Stelleinheit 3 umfasst sowohl die Welle 2a und eine in der Welle 2a axial verschiebbare Schubstange 2b, sowie einen die Schubstange 2b aktuie- renden Aktuator 14. Die Schubstange 2b steht in direkter Verbindung mit der Leitscheibe 12. Die Verschiebung der Leitscheibe 12 wird durch den Aktuator 14 gesteuert. Der Aktuator 14 soll möglichst bauraumneutral in die Kühlmittel- pumpe integriert sein. Aus diesem Grund gilt es, die auf die Leitscheibe 12 aus dem Volumenstrom resultierenden Kräfte so gering wie möglich zu halten, um auch den Aktuator 14 bauraumgünstig auswählen zu können. Damit nun das Kräfteniveau auf die Leitscheibe 12 und somit auf den Aktuator 14 verringert werden kann, werden erfindungsgemäß Öffnungen 1 1 in die Leitscheibe 12 eingebracht. Durch das Einbringen der Öffnungen 1 1 wird der effektive Druckunterschied zwischen Leitscheibenvorderseite (Fläche die der Deckscheibe zugewandt ist) und Leitscheibenrückseite (Fläche die dem Laufrad zugewandt ist) reduziert. Dies hat wiederum eine Reduzierung der auf die Leitscheibe 12 wirkenden Fluidkräfte des Volumenstroms zur Folge. Der Strömungsaustausch zwischen Leitscheibenvorder- und Leitscheibenrückseite wird somit erleichtert. Im Weiteren generiert das radial geförderte Fluid an der Leitscheibenrückseite ein Druckpolster. Dieser Druck führt zu einer Kraftkomponente in Richtung „Leitscheibe schließen", was wiederum die resultierende Kraft in Richtung „Leitbscheibe öffnen" reduziert und dadurch den Aktuator 14 in seiner Verfahrfunktion entlastet. Die Leitscheibe 12 ist geschlossen, wenn die Leitscheibenvorderseite an der Deckscheibe 9 anliegt und kein Volumenstrom mehr fließen kann. Der Öffnungsgrad der Leitscheibe 12 ist ein Indiz für die Menge des die Kühlmittelpumpe durchfließenden Volumenstroms. Im Diagramm aus Figur 4 wird der Zusammenhangen zwischen der Anzahl der in die Leitscheibe 12 eingebrachten Öffnungen 1 1 , dem Öffnungsgrad der Leitscheibe 12 und die auf die Leitscheibe 1 2 einwirkenden Fluidkräfte ersichtlich. Mit steigender Anzahl an Öffnungen 1 1 , bei gleichem Öffnungsrad der Leitscheibe 12, nehmen die Kräf- tekurven ab. Ab einem bestimmten Öffnungsgrad kehren sich die Kräftekurven jedoch teilweise ins Negative um. Dies hat eine Krafteinwirkung auf die Leitscheibe 12 in Richtung„Leitscheibe schließen" zur Folge, somit wird eine Fail- Safe-Lösung benötigt. Dies bedeutet, dass die Leitscheibe 12 nicht ungewollt geschlossen werden darf, solange eine Kühlung des Motors noch erforderlich ist. Eine Lösung dafür wäre, der Einsatz einer zusätzlichen Feder 8. Die Feder ist innerhalb der Stelleinheit 3 eingebracht und wirkt auf die Schubstange 2b ein. Diese Feder 8 muss eine Vorspannung aufweisen, so dass selbst bei Ausfall des Aktuators 14 die Leitscheibe 12 über die Schubstange 2b in Richtung des Laufrades 4 in eine Grundstellung zurück verschoben wird. Um diese nega- tiven Kräfte durch eine sogenannte„Failsafe-Feder" wieder aufzuheben, müsste man die gesamten Kräftekurven um die Vorspannung dieser Feder 8 erhöhen müssen. Dies hätte wiederum zur Folge, dass die durch die Öffnungen 1 1 erreichte Kräftereduzierung teilweise wieder eingebüßt werden würde. Was dazu führt, dass ein leistungsstarker und somit ein einen größeren Bauraum einneh- mender Aktuator 14 zum Einsatz kommen müsste.

Als erfindungsgemäße Weiterbildung wird deshalb ein variables zu- und abschalten der Öffnungen 1 1 der Leitscheibe 12 in Abhängigkeit des Öffnungsgrades vorgeschlagen. Dies wird durch eine Verschlusskontur 5 realisiert, wel- che in das mit Flügel 6 versehene Laufrad 4 eingebracht ist. Dies kann in das Stahleinlegeteil des Laufrades 4 oder in dessen Umspritzung oder auch in die Flügel des Laufrades selbst eingebracht sein, wie in den Figuren 2 bis 3 dar- gestellt ist. Durch das axiale Verfahren der Leitscheibe 12, in Richtung des Laufrades 4 greifen die flügelartig ausgebildeten Verschlusselemente 5a in eine oder in mehrere dazu korrespondierende Öffnungen 1 1 ein und verschließen diese. In dem in der Figuren 4 gezeigten Diagrammen, ist eine idealisierte Kräf- tekurve 20 dargestellt. Die idealisierte Kräftekurve 20 zeigt eine nahezu gleichbleibende Krafteinwirkung auf die Leitscheibe 12 auf, unabhängig von deren Öffnungsgrad. Diese idealisierte Kräftekurve 20 kann nur umgesetzt werden, wenn nach Erreichung des jeweiligen markierten Arbeitspunktes S _x auf einen der nächst gelegenen Arbeitspunkte„gesprungen" wird. Dies wird durch eine Veränderung der Anzahl der Öffnungen 1 1 der Leitscheibe 12, sowie dem Öffnungsgrad der Leitscheibe 12 erreicht.

Umgesetzt wird dies durch ein stufenloses Freigeben der Öffnungen 1 1 der Leitscheibe 12, um einen„sanftes", stetiges, nicht ruckartiges Ändern des Kräfteniveaus zu erreichen. Eine ruckfrei Verstellung wirkt sich positiv auf die Güte der Steuerung/Regelung der Leitscheibenposition auf, da es zu keinen ruckartigen Kraft- und somit Positionssprüngen der Leitscheibe 12 kommt. Ermöglicht wird dieses sprunglose Freigeben auf Grund der Geometrie der Verschlusskontur 5 und der Anzahl der Öffnungen 1 1 in der Leitscheibe 12.

Dieses stufenlose freigeben der Öffnungen 1 1 wird durch die besondere Aus- gestaltung der Verschlusselemente 5a erreicht. Sowohl die kegelige Form also auch die in ihrer Höhe ansteigende flügelartige Form der Verschlusselemente 5a lassen dies zu. Die Verschlusselemente 5a greifen teilweise in die Öffnungen 1 1 der sich axial zwischen Laufrad 4 und Deckscheibe 9 verschiebenden Leitscheibe 12 ein. Auf Grund der sich verschiebenden Leitscheibe 1 2 ändert sich der Öffnungsgrad und auf Grund der Verschlusskontur 5 werden zudem eine unterschiedliche Anzahl von Öffnungen 1 1 entweder teilweise oder komplett freigegeben oder verschlossen. Figur 2b und 2d zeigen die Leitscheibe 12 in einer geöffneten Position mit verschlossenen Öffnungen 1 1 . Dies entspricht im Diagramm einem Arbeitsbereich von 1 00% Öffnungsgrad bis zum Arbeitspunkt S1 . Wenn die Leitscheibe 12 weiter in Richtung„Schließen" verschoben wird, werden die Öffnungen 1 1 stufenlos freigegeben auf Grund der in der Höhe ansteigenden Verschlusselemente 5a. Somit werden nach und nach mehrere Öffnungen freigegeben. Dies entspricht im Diagramm dem Arbeitsbereich zwischen den Arbeitspunkten S1 bis S2 und im Weiteren den Arbeitspunkten S2 bis S3. Die Figuren 2a und 2c zeigen die Leitscheibe 1 2 in geschlosse- nem Zustand mit unverschlossenen Öffnungen 1 1 . Dies entspricht im Diagramm, je nach Öffnungsgrad, dem Arbeitsbereich zwischen den Arbeitspunkten S3 bis S4 bzw. 0% Öffnungsgrad.

Bezugszahlenliste

1 Pumpenge äuse

2a Welle

2b Schubstange

3 Stelleinheit

4 Laufrad

5 Verschlusskontur

5a Verschlusselement

6 Flügel

7 Saugraum

8 Feder

9 Deckscheibe

10 Saugstutzen

1 1 Öffnung

12 Leitscheibe

13 Auskragung

14 Aktuator

20 idealisierte Kräftekurve

S1 Arbeitspunkt 1

S2 Arbeitspunkt 2

S3 Arbeitspunkt 3

S4 Arbeitspunkt 4