DE19809123B4 - Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Pumpengehäuse und einer in dem Pumpengehäuse angetriebenen Pumpeinrichtung, wobei in das Pumpengehäuse ein Stellventil integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellventil (5) einen Drehschieber (6) aufweist, wobei der Drehschieber (6) wenigstens annähernd eine Hülsenform aufweist und mit einer axialen Sammelöffnung (7) zur Zufuhr oder Abfuhr von Kühlmedium zur Saug- oder Druckseite der Pumpeinrichtung (3) versehen ist, wobei in der Umfangswand des Pumpengehäuses (1) Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) für eine mit dem Kühler verbundene Kühlerleitung (8) und für zwei oder mehrere weitere Teilkreisläufe vorgesehen sind, wobei der Drehschieber (6) in seiner Umfangswand eine Steueröffnung (13) mit einer Öffnungsweite aufweist, durch die eine Verbindung von der Sammelöffnung (7) zu einer einzelnen Zulauf- oder Ablauföffnung (9, 10, 11) oder für einen Mischbetrieb eine überlappende Verbindung zu zwei benachbart zueinander liegende Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) geschaffen wird, und wobei in...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine ist es allgemein bekannt eine Wasserpumpe zu verwenden, wobei die Steuerung über Thermostate erfolgt, welche temperaturabhängig den Kühlkreislauf schalten. Der Antrieb der Wasserpumpe kann mechanisch über einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Riemenantrieb oder auch elektrisch vorgenommen werden. Zur Schaltung der Kühlmittelströme und des Heizungskreislaufes sind Taktventile, Schieber- und Drehventile mit Schrittmotorenantriebe aus der Praxis bekannt.
• Aus der gattungsgemäßen DE 44 38 552 C1 ist eine Temperaturregelvorrichtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bekannt, welche mit Betätigungselementen für eine auf einer Schaltwelle angeordnete Schaltklappe versehen ist. Die Schaltklappenwelle liegt dabei im Bereich einer gedachten Wandlinie der Kühlerrücklaufleitung bzw. Pumpenzuleitung und im Einmündungsbereich der Kurzschlussleitung in die Pumpenzuleitung. Zur Betätigung der Schaltklappe ist ein Temperaturdehnstoffelement, eine sogenannte Wachspatrone, vorgesehen. Mit dieser vorbekannten Regelvorrichtung sollen Druckverluste im Kühlkreislauf weitgehend vermieden werden.
• Eine mit einer Heizungsumwälzpumpe zusammenarbeitendes Misch ventil ist aus der DE 17 79 921 C3 bekannt. Hierbei ist in einem Ansaugstutzen, in den zwei weitere Stutzen münden, ein Steuerorgan in Form eines Drehschiebers angeordnet, welcher über ein Planetengetriebe von einem Anker eines Elektromotors angetrieben wird.
• Die US 46 44 909 beschreibt ein System zur Temperaturregelung des Kühlwassers von Brennkraftmaschinen, mit welchem das Problem des Zeitverzuges, welches bei mit Hilfe von Wachspatronen verstellbaren Thermostatventilen auftritt, gelöst werden soll. Hierbei wird unter anderem ein Drehschieber, welcher in ein Stellventil integriert ist, verwendet.
• In der GB 21 28 318 A ist ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, mit welchem im besonderen die Oberflächentemperaturen der Zylinder der Brennkraftmaschine geregelt werden sollen. Unter anderem wird hierbei eine Wasserpumpe und ein an die Wasserpumpe angeschlossenes Stellventil verwendet, wobei in das Stellventil ein Drehschieber integriert ist.
• Die DE 196 35 044 A1 zeigt ein Temperaturregelsystem für Fahrzeuge, bei welchem Kühlmittel höherer Temperatur aus dem Motor in einen Wärmeisolationsbehälter zu einer anderweitigen Verwendung abgeführt und aufbewahrt wird, nachdem der Motor abgestellt worden ist.
• Die DE 94 19 818 U1 offenbart eine regelbare elektrische Wasserpumpe zur Kühlung von Verbrennungskraftmaschinen, bei welcher die Wasserpumpe über einen Elektromotor angetrieben ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche in einer sehr kompakten Bauweise mehrere Glieder des Kühlkreislaufes und mehrere Funktionen von Stell- und Schaltelementen beinhaltet.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
• Durch die erfindungsgemäße Integration des Stellventiles in das Gehäuse der Wasserpumpe wird ein sehr kompaktes Bauteil erreicht, wobei gleichzeitig durch das Stellventil bei entsprechender Ausgestaltung mehrere Schaltstellungen realisierbar sind, so dass im Bedarfsfalle weitere Regelglieder in einem Kühl- und gegebenenfalls einem Heizungskreislauf einer Brennkraftmaschine entfallen können. Dabei können nicht nur die verschiedenen Funktionen bzw. Schaltstellungen realisiert werden, sondern darüber hinaus können auch die für eine Steuerung notwendigen mechanischen Teile in dem Pumpengehäuse aufgenommen werden oder entsprechend an das Pumpengehäuse angeflanscht werden. Dies gilt insbesondere für die erfindungsgemäße Anordnung von elektrischen und elektronischen Schnittstellen.
• Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann praktisch mit einem einzigen Gerät der gesamte Kreislauf zur Kühlung und gegebenenfalls auch zur Heizung für nahezu alle in der Praxis vorkommenden Fälle geregelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Stellventil sind sowohl einzelne Öffnungen ansteuerbar als auch Mischbetriebe möglich, so dass auf weitere Steuer- und Regelglieder im Kühl- und Heizungskreislauf verzichtet werden kann.
• Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Stellventiles als Drehschieber mit der axialen Zuführung oder Abführung des Kühlmediums und den Zu- oder Auslauföffnungen am Umfang des Pumpengehäuses ergeben sich keine resultierenden Kräfte auf den Drehschieber, so dass man mit geringen Stell- und Haltekräften für den Drehschieber auskommt. Darüber hinaus treten bei dem erfindungsgemäßen Stellventil nur geringe Druckverluste auf, bei gleichzeitig hohen Stellgeschwindigkeiten.
• Die axiale Öffnung in dem Drehschieber dient zur Zufuhr von Kühlmedium in dessen Innenraum, wenn der Drehschieber auf der Druckseite der Pumpeinrichtung angeordnet ist, wobei in diesem Falle die in der Umfangswand des Pumpengehäuses angeordneten Öffnungen Auslauföffnungen zur Weiterleitung des Kühlmediums darstellen.
• Umgekehrt, wenn der Drehschieber auf der Saugseite der Pumpeinrichtung angeordnet ist, so erfolgt die Abfuhr von Kühlmedium über die axiale Öffnung zur Saugseite der Pumpe und entsprechend eine Zufuhr in das Drehschieberinnere über die Steueröffnung durch die in der Umfangswand des Pumpengehäuses angeordneten Öffnungen.
• Bei Verwendung eines einfachen Temperaturdehnstoffelementes, z.B. einer Wachspatrone, als Antrieb für den Drehschieber wird man in der Umfangswand des Pumpengehäuses lediglich zwei Teilkreisläufe vorsehen, nämlich einen für die Kühlerleitung und den zweiten Teilkreislauf für die Kurzschlusskreislaufleitung des Kühlwassers während der Aufwärmphase.
• Bei Verwendung eines Stellmotors für den Drehschieber können auch mehrere Teilkreisläufe mit entsprechenden Zulauf- oder Auslauföffnungen in der Umfangswand des Pumpengehäuses vorgesehen sein. Eine mögliche Ausgestaltung besteht dabei darin, daß neben dem Teilkreislauf für die Kühlerleitung ein weiterer Teilkreislauf für eine Kurzschlusskreislaufleitung und ein dritter Teilkreislauf für einen Wärmetauscher eines Heizungskreislaufes vorgesehen sind.
• Alternativ oder in Kombination kann auch ein Teilkreislauf für eine Zusatzheizung und/oder eine Abgaswärmetauscheinrichtung vorgesehen sein.
• In den übrigen Unteransprüchen und in dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung aufgezeigt.
• Es zeigt:
• 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Wasserpumpe, teilweise im Schnitt;
• 2 eine perspektivische Darstellung der Wasserpumpe nach 1;
• 3 einen schematischen Querschnitt durch das in die Wasserpumpe integrierte Stellventil; und
• 4 bis 7 verschiedene Steuerstellungen des Stellventiles.
• Die in den Figuren dargestellte Wasserpumpe ist grundsätzlich von bekannter Bauart, weshalb nachfolgend nur auf die für die Erfindung wesentlichen Teile näher eingegangen wird. So kann die Wasserpumpe z.B. als Pumpeinrichtung eine in einem Pumpengehäuse 1 angeordnete Kreiselpumpe mit einem in einem Spiralkanal 2 angeordnetes Flügelrad 3 sein. Das Flügelrad 3 wird in bekannter Weise durch einen Antriebsmotor 4 angetrieben. Alternativ zu dem Antrieb über den Antriebsmotor 4 ist auch ein mechanischer Antrieb über einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Riementrieb, z.B. mit einem Keilriemen, für die Wasserpumpe denkbar.
• In einer axialen Erweiterung des Pumpengehäuses 1 bzw. im Bereich des in üblicher Weise vorhandenen Zulaufes zu dem Flügelrad 3 der Wasserpumpe ist ein Stellventil 5 mit einem Drehschieber 6 in Hülsenform angeordnet, wobei die Längsachse des Drehschiebers 6 koaxial zur Pumpenlängsachse bzw. des Flügelrades 3 liegt. Eine axiale Sammelöffnung 7 des Drehschiebers 6 bildet eine Zulauföffnung zu dem Flügelrad 3 der Wasserpumpe. Eine mit einem nicht dargestellten Kühler verbundene Kühlerleitung 8 mündet mit einer Zulauföffnung 9 in die Umfangswand des Pumpengehäuses 1.
• Wie aus den 3 bis 7 ersichtlich ist, ist die Umfangswand des Pumpengehäuses 1 zusätzlich noch mit zwei weiteren Zulauföffnungen 10 und 11 versehen, die für weitere Teilkreisläufe des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf vorgesehen sind. Auf der von der Sammelöffnung 7 abgewandten Seite ist der Drehschieber 6 stirnseitig abgeschlossen und auf dieser Seite auch mit einem Stellmotor 12 zur Verdrehung des Drehschiebers versehen.
• Der Drehschieber 6 ist in seiner Umfangswand mit einer Steueröffnung 13 versehen. Über die Steueröffnung 13 erfolgt in Abhängigkeit von der Drehstellung des Drehschiebers 6 eine Verbindung von der Zulauföffnung 9, 10 oder 11 zu der Sammelöffnung 7 und damit eine Verbindung zur Saugseite des Flügelrades 3 der Wasserpumpe.
• Wie aus den 3 bis 7 ersichtlich ist, sind – entsprechend der Drehstellung des Drehschiebers 6 – verschiedene Betriebsstellungen möglich und zwar nicht nur Einzelströmungen, sondern auch Mischbetriebsströmungen. Hierzu besitzt die Steueröffnung 13 in der Umfangswand des Drehschiebers 6 eine derartige Öffnungsweite, dass sowohl Einzelströmungen als auch Mischbetriebsströmungen möglich sind.
• Gemäß 3 müssen hierzu folgende Bedingungen erfüllt sein:

  
• Dabei bedeuten:

γ

Öffnungswinkel des Drehschiebers, entspricht Steueröffnung 13

δ

Winkel zwischen den Stutzen

φ

Winkelöffnung der Anschlussstutzen

β

freigeschalteter Öffnungswinkel des entsprechenden Stutzens

n

laufende Nummer der Zuläufe

m

laufende Nummer der Abläufe

δ₁ + δ₂ + δ₃ = 360°, wobei die einzelnen Winkel möglichst gleich gewählt werden sollten
β_max = φ Vollöffnung des Querschnittes
• In 3 sind die Winkel mittels Schnittdarstellung durch die Mittenebene der Anschlussquerschnitte dargestellt. Alle Winkel stehen in einem unmittelbaren Zusammenhang mit den Querschnittsfunktionen. Neben der relativ einfachen Form einer Bohrung für die Öffnungen können auch andere, nicht kreisrunde Querschnitte gewählt werden. Auf diese Weise kann man einen weiteren Freiheitsgrad bei der Festlegung des Stellverhaltens erreichen.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gehen die Anschlussstutzen radial von dem Pumpengehäuse 1 ab. Um eine strömungsgünstigere Form zu erreichen, ist es auch möglich die Anschlussstutzen halb-axial, d.h. gegen die Radiale geneigt an das Pumpengehäuse 1 anzusetzen.
• In den 4 bis 7 sind verschiedene Steuerstellungen der Steuervorrichtung 1 dargestellt. So zeigt 4 die Stellung im Normalbetrieb "Kühlen". In der 5 ist ein erster Mischbetrieb in der Warmlaufphase des Motores bei gleichzeitigem Heizbetrieb dargestellt, wobei die Zulauföffnung 9 der Kühlerleitung abgesperrt und die Zulauföffnungen 10 und 11 für die Kurzschlusskreislaufleitung und für den Heizungskreislauf offen sind. 6 zeigt einen zweiten Mischbetrieb in der Phase "Warmlaufen" und "Kühlen", wobei der Heizungskreislauf abgesperrt ist.
• Die 7 zeigt einen dritten Mischbetrieb in der Phase "Heizen und Kühlen", wobei die Zulauföffnung 10 für die Kurzschlusskreislaufleitung abgesperrt ist.
• Entsprechend dem in der 4 dargestellten Betrieb, sind auch im Bedarfsfalle noch andere einzelne Verbindungen von der Steueröffnung 13 des Drehschiebers 6 zu einer einzelnen Umfangsöffnung möglich.
• Anstelle des Heizungskreislaufes kann auch ein zweiter Kurzschlusskreis, z.B. für den Zylinderkopf, vorgesehen sein.
• Wie ersichtlich, kann der Drehschieber 6 jeden Kreislauf separat schalten. Zusätzlich können zwischen jeweils zwei Kreisläufen jegliche Mischstufen eingestellt sein.
• An dem Stellventil 5 liegen keine resultierenden Strömungskräfte vor, die ein Moment um die Drehachse des Drehschiebers 6 erzeugen würden. Dies bedeutet, Veränderungen der Drehschieberstellung infolge einer Durchströmung sind nicht möglich, weshalb die Antriebsleistung für den Stellmotor 12 entsprechend gering gehalten werden kann. Durch die geringen Stellkräfte ist im Normalfall auch keine besondere Lagerung des Drehschiebers 6 erforderlich. Da in jeder Winkelstellung Querschnitte in radialer Richtung freigeschaltet sind, treten außerdem auch nur sehr geringe Druckabfälle über der Steuervorrichtung auf, womit besondere Abdichtungen der einzelnen Zu- und Abläufe entfallen können.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegen alle drei Zulauföffnungen 9, 10 und 11 in der gleichen Radialebene, womit eine sehr kurze Baulänge erreicht wird.
• Bei einer vereinfachten Ausgestaltung kann das Stellventil 5 auch nur mit zwei Zulauf- oder Auslauföffnungen in der Umfangswand des Pumpengehäuses 1 versehen sein. In diesem Falle wird man die Umfangsöffnungen für die Kühlerleitung und die Kurzschlusskreislaufleitung vorsehen. Anstelle eines Stellmotors 12 genügt dann für die Änderung des Drehwinkels des Drehschiebers 6 eine einfache Wachspatrone. Alternativ ist es auch möglich, den Drehschieber 6 mit einem Bimetallstreifen als Verstelleinrichtung zu versehen.
• Eine Umfangsöffnung kann auch als Teilkreislauf für eine Zusatzheizung oder einen Abgaswärmetauscher vorgesehen sein. Auch Kombinationen verschiedener Teilkreisläufe sind im Rahmen der Erfindung selbstverständlich möglich.
• Wie aus dem Ausführungsbeispiel ersichtlich, ist nicht nur das gesamte Stellventil in dem Pumpengehäuse 1 der Wasserpumpe integriert, sondern gleiches gilt für eine elektrische und auch eine elektronische Schnittstelle, wobei über die elektrische Schnittstelle eine zentrale Energieversorgung der Wasserpumpe und des Stellmotores 12 vom Bordnetz aus vorgesehen sein kann. Eine elektronische Schnittstelle kann eine zentrale Anbindung für einen Datenaustausch, für Sollwertvorgaben und für einen weiteren Informationsaustausch dienen. Hierzu können die beiden Schnittstellen in einem gemeinsamen Gehäuse 14 sitzen, das an das Pumpengehäuse 1 bzw. den Antriebsmotor 4 angeflanscht ist.
• Durch die Integration des Stellventiles in das Pumpengehäuse 1 bietet sich die Möglichkeit, den Durchfluss aller wichtigen Teilströme in einem Kühlkreislauf zu schalten. Durch die Integration ist weiterhin auch eine kompakte, kostensparende und betriebssichere Gestaltung eines zentralen Arbeits- und Stellorganes für die Fahrzeugreparierung möglich. Ein Regelorgan für die Drehzahl der Wasserpumpe wird somit um die Kontrollfunktion für das Stellventil 5 erweitert.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden zwei wesentliche Merkmale eines Kühlsystemes vereint, nämlich:
• 1. eine wasserseitige Regulierung der Temperatur in dem Kühlkreislauf
• 2. eine Applikation dieser Regelung für alle am Stellventil 5 angeschlossene Teilkühlmittelströme.
• Insbesondere mit einer drehzahlgeregelten elektrischen Wasserpumpe und ein über den Stellmotor 12 elektrisch angetrie benes Stellventil 5 lässt sich eine genaue Temperierung von allen Teilkreisläufen erreichen. Hierzu wird man auch entsprechende Temperaturmessstellen für die Regelung der Pumpe und des Kühlkreislaufes in die Wasserpumpe integrieren.

Claims (14)

1. Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Pumpengehäuse und einer in dem Pumpengehäuse angetriebenen Pumpeinrichtung, wobei in das Pumpengehäuse ein Stellventil integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellventil (5) einen Drehschieber (6) aufweist, wobei der Drehschieber (6) wenigstens annähernd eine Hülsenform aufweist und mit einer axialen Sammelöffnung (7) zur Zufuhr oder Abfuhr von Kühlmedium zur Saug- oder Druckseite der Pumpeinrichtung (3) versehen ist, wobei in der Umfangswand des Pumpengehäuses (1) Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) für eine mit dem Kühler verbundene Kühlerleitung (8) und für zwei oder mehrere weitere Teilkreisläufe vorgesehen sind, wobei der Drehschieber (6) in seiner Umfangswand eine Steueröffnung (13) mit einer Öffnungsweite aufweist, durch die eine Verbindung von der Sammelöffnung (7) zu einer einzelnen Zulauf- oder Ablauföffnung (9, 10, 11) oder für einen Mischbetrieb eine überlappende Verbindung zu zwei benachbart zueinander liegende Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) geschaffen wird, und wobei in oder an dem Pumpengehäuse (1) eine elektrische Schnittstelle für eine zentrale Energieversorgung vom Bordnetz und eine elektronische Schnittstelle für eine zentrale Anbindung für einen Datenaustausch, für Sollwertvorgaben oder für einen weiteren Informationsaus tausch vorgesehen sind.
2. Wasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schnittstellen in einem gemeinsamen Gehäuse (14) angeordnet sind, das an das Pumpengehäuse (1) angeflanscht ist.
3. Wasserpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (6) mit einer Wachspatrone als Verstelleinrichtung versehen ist.
4. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (6) mit einem Bimetallstreifen als Verstelleinrichtung versehen ist.
5. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (6) mit einem Stellmotor (12) versehen ist.
6. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilkreislauf (10 bzw. 11) für eine Kurzschlusskreislaufleitung des Kühlwassers vorgesehen ist.
7. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teilkreislauf (10) für einen Heizungskreislauf vorgesehen ist.
8. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens zweite oder dritte Teilkreislauf (10 bzw. 11) für eine Zusatzheizung und/oder eine Abgaswärme tauscheinrichtung vorgesehen sind.
9. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) in einer gleichen Radialebene des Pumpengehäuses (1) liegen.
10. Wasserpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelabstände zwischen den Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) gleichmäßig über den Umfang des Pumpengehäuses (1) verteilt sind.
11. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass von den Zulauf- oder Auslauföffnungen (9, 10, 11) Anschlussstutzen in einem gegen die Radiale geneigten Winkel abzweigen.
12. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie über einen Antriebsmotor (4) elektrisch antreibbar ist.
13. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie über einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Riementrieb mechanisch antreibbar ist.
14. Wasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, die Pumpeinrichtung als Kreiselpumpe ausgebildet ist.