JP6632721B2 - 内燃機関用冷却媒体ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用冷却媒体ポンプであって、駆動軸と、該駆動軸に少なくとも回動不能に配置されかつ冷却媒体を圧送可能な冷却媒体ポンプ羽根車と、該冷却媒体ポンプ羽根車の出口と周囲の圧送通路との間の環状ギャップの自由横断面を調整することができる変位可能な調整スライダと、前記駆動軸に少なくとも回動不能に配置された調整ポンプ羽根車を備えた調整ポンプと、前記調整ポンプ羽根車の回転により内部に圧力を形成可能な、前記調整ポンプの流れ通路と、該流れ通路の出口を、前記調整スライダの、軸方向で前記冷却媒体ポンプ羽根車とは反対の側に形成された、前記調整スライダの第１の圧力室に流体接続可能な圧力通路と、該圧力通路の流れ横断面を開閉可能な弁とを備えているものに関する。

このような冷却媒体ポンプは、内燃機関において圧送される冷却媒体の量を調整するために用いられ、これにより、内燃機関の過熱が防止される。これらのポンプの駆動は大抵、ベルト駆動装置またはチェーン駆動装置を介して行われ、冷却媒体ポンプ羽根車は、クランクシャフトの回転数またはクランクシャフトの回転数に対する固定比率でもって駆動される。

最新の内燃機関では、圧送される冷却媒体量が、内燃機関または自動車の所要冷却媒体量に適合され得る。有害物質エミッションの増大を回避し、かつ燃料消費量を減少させるためには、特にエンジンの冷間運転段階が短縮されることが望ましい。このことはとりわけ、この段階中に冷却媒体流が絞られるか、または完全に遮断されることにより行われる。

冷却媒体量の調整に関しては、様々なポンプ構成が知られている。電気的に駆動される冷却媒体ポンプの他に、クラッチ、特に流体動力学的なクラッチを介してその駆動装置に対し断接可能なポンプも周知である。特に廉価で簡単に形成される、圧送される冷却媒体流の調整手段は、軸方向に押しずらし可能な調整スライダを用いることであり、この調整スライダは、冷却媒体ポンプ羽根車を越えて押しずらされるようになっており、これにより、冷却媒体流を減少させるために、ポンプは周囲の圧送通路内へ圧送するのではなく、閉じられたスライダに対して圧送することになる。

このスライダの調整も、やはり様々な形式で行われる。純粋に電気式の変位の他に、とりわけスライダの液圧式の変位が有利であるということが判った。液圧式の変位は大抵、液圧液で満たされる環状のピストン室を介して行われ、ピストン室のピストンはスライダと結合されているので、この室を満たす際に、スライダは羽根車を越えて押しずらされる。スライダの戻しは、出口に対してピストン室を開放することにより行われ、このことは大抵、電磁弁を介して、かつスライダの戻し力を提供するばねの作用下で行われる。

スライダの移動に必要とされる冷却媒体量を追加的なピストン／シリンダユニット等の追加的な圧送ユニットを介して供与しなくてもよいようにするため、または作動用の別の液圧液を圧縮しなくてもよいようにするためには、機械的に調整可能な冷却媒体ポンプが知られており、これらの冷却媒体ポンプの駆動軸には第２の圧送羽根車が配置されており、第２の圧送羽根車を介して、スライダを変位させるための圧力が供与されるようになっている。これらのポンプは、例えばサイドチャンネルポンプまたはサーボポンプとして形成される。

このような、二次ポンプとして働くサイドチャンネルポンプを備えた冷却媒体装置は、独国特許出願公開第１０２０１２２０７３８７号明細書（DE 10 2012 207 387 A1）から公知である。このポンプの場合、３ポート２位置切換弁を介して、第１の位置で二次ポンプの吐出側が閉じられ、ポンプの吸込み側は冷却回路とスライダとに接続され、第２の位置で吐出側がスライダに接続され、吸込み側は冷却回路に接続される。スライダを戻すには、ばねが用いられるが、吸込み接続部に生じる負圧によりポンプを戻すことが望ましいため、ばねは、場合により省略可能であることが望ましい。詳細に説明された通路・流れ案内は開示されていない。概略的に図示された流れ案内は、最新の内燃機関においては多大な手間と所要構成空間とをもってしか、技術的に実現することができない。さらに、負圧によりスライダに作用する力が、変位時に作用する摩擦力を克服するために十分な大きさであるかどうかは不明である。

よって、冷却媒体ポンプの最大圧送量を保証する位置へのスライダの戻しが、通常運転におけるポンプ調整時と、電気系統ひいては電磁弁の故障時の非常運転の両方において、圧縮ばねを使用すること無く保証され得る内燃機関用冷却媒体ポンプを提供する、という課題が生じる。さらに、通路・冷却媒体案内が、最新の内燃機関に提供されているスペース状況において実現可能な冷却媒体ポンプを提供する、という課題もある。特に、ポンプは差込みポンプとして、クランクケースに形成された相応の凹部内に配置可能であることが望ましい。

前記課題は、独立請求項１記載の特徴を備えた冷却媒体ポンプにより解決される。

流れ通路が、調整スライダの、軸方向で冷却媒体ポンプ羽根車に向いた側に形成された、調整スライダの第２の圧力室と、接続通路を介して流体接続されていることにより、弁が故障した場合ひいては調整スライダの反対の側に形成された第１の圧力室への接続部が閉じられた場合に圧力が形成され、この圧力により調整スライダは、戻しばねを使用する必要無しに、冷却媒体ポンプ羽根車を開放する位置へ確実に押しずらされることになる。つまり、電気供給部の故障時でも、調整スライダの非常運転位置は保証され、この非常運転位置では、内燃機関に対する最大量の冷却媒体圧送が行われるので、内燃機関の過熱は回避される。

好適には、弁は簡単に制御可能でありかつ所要スペースの小さな３ポート２位置切換電磁弁であり、これにより冷却媒体ポンプのケーシングへの組込みが可能になる。弁を制御することにより、開放横断面積に相応して、調整スライダの完璧な位置調整にもつながる複数の中間位置に、弁を移動させることができる。

１つの好適な実施形態では、調整ポンプ羽根車は、冷却媒体ポンプ羽根車と一体的に形成されている。これに相応して、両羽根車は１つの製造ステップで製造・組立可能である。付加的に、軸方向の所要構成空間が減少される。

本発明の１つの有利な構成では、調整ポンプの流れ通路が第１の固定のケーシング部分内に配置されており、第１の固定のケーシング部分の、軸方向で流れ通路とは反対の側に、第２の圧力室が形成されている。これに相応してこのケーシング部分は、同時に第２の圧力室の軸方向画定部および調整ポンプの流れケーシングとして用いられる。付加的に、このケーシング部分は調整スライダ用の滑動面ひいてはガイドとして用いられてもよい。

これに関してさらに好適な１つの実施形態では、接続通路が、流れ通路を有する固定のケーシング部分内に形成されている。このことは、簡単な孔を形成することにより行われてよく、これにより、流れ通路と第２の圧力室との間に追加導管を組み込む必要は一切ない。これに相応して、冷却媒体ポンプの製造および組立ならびに冷却媒体ポンプの所要スペースが軽減される。

接続通路が、調整ポンプの入口領域から第２の圧力室内へ延びていると、スライダの調整に際して確実な機能が得られる。この配置形式に基づき、第２の圧力室内の圧力は、弁が閉じられた場合にのみ、つまり、ポンプの圧送圧力が出口の閉鎖に基づき入口にも生じた場合にのみ上昇する。その他の場合には、第２の圧力室内には常に、調整ポンプの入口領域における、比較的低い圧力しか存在しない。

好適には、調整ポンプ羽根車は、冷却媒体ポンプ羽根車の裏側において、軸方向で第２の圧力室と冷却媒体ポンプ羽根車との間に配置されている。これにより、この配置形式に基づき可能になる軸方向に短い構成形式の他に、各圧力室を圧送通路もしくは調整ポンプの羽根車に接続するための短い流路も達成される。

本発明のさらに好適な１つの構成では、調整ポンプはサイドチャンネルポンプであり、圧送通路も、軸方向で羽根車に対向して位置するように配置されてよい。このことは特に、小さな体積流量において高い圧送圧力を発生させるために適している。

有利には、圧力通路は調整ポンプの出口から第１のケーシング部分と第２のケーシング部分とを通って第１の圧力室まで延びており、この場合、第２のケーシング部分内には、弁により制御される通流横断面が形成されている。この構成形式に基づき、追加的な接続導管無しの極めてコンパクトな冷却媒体ポンプが達成される。

１つの別の有利な構成では、圧力通路は、第１のケーシング部分内では調整スライダの半径方向内側に形成されており、第１のケーシング部分は両圧力室を半径方向内側において画定している。つまり第１のケーシング部分は、同時に調整スライダの内側ガイドとして用いられてもよい。各通路を極めて短く形成することができるので、調整の応答時間が減少される。

これにより、調整スライダが、通常運転でも非常運転の場合でも純粋に液圧式に操作され、内燃機関の過熱防止用に十分な冷却媒体圧送量を提供するためにばね等の追加的な構成部材を一切必要としない内燃機関用冷却媒体ポンプが達成される。さらに、このポンプ用には極めて小さな構成空間しか必要とされない。さらに、本発明による冷却媒体ポンプは簡単かつ廉価に製造・組立可能である。

以下に、本発明による内燃機関用冷却媒体ポンプの１つの実施例を図示して説明する。
本発明による冷却媒体ポンプの側方断面図である。 本発明による冷却媒体ポンプを図１に対して回動させて示す側方断面図である。

本発明による冷却媒体ポンプは、アウタケーシング１０を有しており、アウタケーシング１０内にはらせん状の圧送通路１２が形成されており、圧送通路１２内に、やはりアウタケーシング１０内に形成された軸方向のポンプ入口１４を介して冷却媒体が吸い込まれるようになっており、冷却媒体は圧送通路１２を介して、アウタケーシング１０内に形成された接線方向のポンプ出口１６と、内燃機関の冷却回路内とへ圧送される。

このためには圧送通路１２の半径方向内側で、ラジアルポンプインペラとして形成された冷却媒体ポンプ羽根車２０が駆動軸１８に取り付けられており、冷却媒体ポンプ羽根車２０が回転することにより、冷却媒体が圧送通路１２内へ圧送される。冷却媒体ポンプ羽根車２０の、軸方向においてポンプ入口１４とは反対の側には、相応して冷却媒体ポンプ羽根車２０と共に回転させられる調整ポンプ羽根車２２が配置されている。この調整ポンプ羽根車２２は、サイドチャンネルとして第１のインナケーシング部分２６に形成された流れ通路２４に対して、軸方向で対向して位置するように配置された複数の羽根２３を有している。前記第１のケーシング部分２６には入口と出口３０とが形成されており、調整ポンプ羽根車２２は流れ通路２４と共に、冷却媒体の圧力を入口から出口３０に向かって高める調整ポンプ３２を形成している。

冷却媒体ポンプ羽根車２０および調整ポンプ羽根車２２の駆動は、ベルトホイール３６に係合しているベルト３４を介して行われ、ベルトホイール３６は、駆動軸１８の、軸方向で冷却媒体ポンプ羽根車２０とは反対の側の端部に取り付けられている。ベルトホイール３６は、複列式の玉軸受３８を介して支持されており、玉軸受３８の外輪４０はベルトホイール３６に圧着されていて、玉軸受３８の内輪４２は第２のインナケーシング部分４４に圧着されている。第２のケーシング部分４４は、軸方向の内部貫通開口４６を有しており、内部貫通開口４６内には、第１のケーシング部分２６の環状の突出部４８が突入しており、突出部４８を介して、第１のケーシング部分２６は第２のケーシング部分４４に取り付けられている。第２のケーシング部分４４は、シール部材５０が介在した状態でアウタケーシング１０に取り付けられている。このためにアウタケーシング１０は、軸方向でポンプ入口１４とは反対の側の端部に受容開口５２を有しており、受容開口５２内には第２のケーシング部分４４の環状の突出部５４が突入しており、突出部５４の周壁には、シール部材５０を配置した溝５６が形成されている。

前記突出部５４は同時に、調整スライダ５８用の後方ストッパとしても用いられ、調整スライダ５８の円筒状の周壁６０は、冷却媒体ポンプ羽根車２０を越えて押しずらすことができ、これにより、冷却媒体ポンプ羽根車２０の出口６４と圧送通路１２との間の環状ギャップ６２の自由横断面が調整される。つまり調整スライダ５８の位置に相応して、冷却媒体回路を通って圧送される冷却媒体の流量が調整されるようになっている。

調整スライダ５８は周壁６０の他に、内側開口６８を備えた底板６６を有しており、底板６６の外周部から周壁６０は、軸方向で第１のケーシング部分２６とアウタケーシング１０との間の環状ギャップ７０を通り、軸方向に引き続く環状ギャップ６２に向かって延在している。底板６６の内周部と外周部とには、それぞれ半径方向溝７２，７４が形成されており、半径方向溝７２，７４内にはそれぞれピストンリング７６，７８が配置されており、これらのピストンリング７６，７８を介して調整スライダ５８は、半径方向内側の領域では第１のケーシング部分２６に、かつ半径方向外側の領域ではアウタケーシング１０の受容開口５２に、滑動式に支持されている。

本発明では、調整スライダ５８の、冷却媒体ポンプ羽根車２０とは反対の側に第１の圧力室８０が位置しており、第１の圧力室８０は、軸方向では第２のケーシング部分４４と調整スライダ５８の底板６６とにより画定され、かつ半径方向外側に対してはアウタケーシング１０もしくは第２のケーシング部分４４の環状の突出部５４により画定され、かつ半径方向内側に対しては第１のケーシング部分２６により画定される。底板６６の、冷却媒体ポンプ羽根車２０に面した側には第２の圧力室８２が形成され、第２の圧力室８２は、軸方向では底板６６と第１のケーシング部分２６とにより画定され、半径方向外側に対しては調整スライダ５８の周壁６０により画定され、かつ半径方向内側に対しては第１のケーシング部分２６により画定される。両圧力室８０，８２内で調整スライダ５８の底板６６に加わる圧力の差に応じて、調整スライダ５８の周壁６０が相応して、環状ギャップ６２内へ押し込まれるか、または環状ギャップ６２から押し出されるようになっている。

このために必要な圧力差は調整ポンプ３２により形成され、３ポート２位置切換電磁弁として形成された弁８４を介して、各圧力室８０，８２にもたらされる。このためには第２のケーシング部分４４内に弁８４用の受容開口８６が形成されており、弁８４を介してその閉鎖体８８の位置に応じて、圧力通路９２の通流横断面９０が調整されるようになっている。前記圧力通路９２は、調整ポンプ３２の流れ通路２４の出口３０から、まず第１のケーシング部分２６の半径方向内側の領域へ延び、そこから軸方向で第２のケーシング部分４４内へ延びており、第２のケーシング部分４４内には圧力通路９２の調整可能な通流横断面９０が形成されており、通流横断面９０は、電磁弁８４の閉鎖体８８により開閉可能である。この調整可能な通流横断面９０から圧力通路９２はさらに、第１の圧力室８０内にまで延びている。第２の圧力室８２は、第１のケーシング部分２６内に形成された接続通路９４（図２）を介して流れ通路２４と接続されており、この場合、前記接続通路９４は、流れ通路２４から流入する領域から直接第２の圧力室８２内へ延びる孔により形成されている。調整弁の第３の流れ接続部（図示せず）は、冷却媒体ポンプの吸込み側に通じている。

冷却媒体ポンプが運転中に最大の冷却媒体量を圧送すべきときには、電磁弁８４に給電しないことにより、閉鎖体８８はばね力に基づき、圧力通路９２の通流横断面９０を閉鎖する位置へ押しずらされ、これにより冷却媒体ポンプ羽根車２０の出口６４のところの環状ギャップ６２が完全に開放されることになる。その結果、第１の圧力室８０内では冷却媒体により圧力が上昇させられることはなく、圧力室８０内の冷却媒体は、この状態では開放されている電磁弁８４の別の流れ接続部（図示せず）を介して、冷却媒体ポンプのポンプ入口１４へ流出することができるようになっている。代わりにこの状態では、調整ポンプ３２が閉じられた通流横断面９０に対して圧送するので、全流れ通路２４内で圧力が上昇し、この圧力は調整ポンプの入口領域にも作用し、これに相応して接続通路９４を介して第２の圧力室８２内でも上昇する。前記圧力が第２の圧力室８２内で高まった結果、調整スライダ５８の底板６６のところに圧力差が生じ、この圧力差により、調整スライダ５８が環状ギャップ６２を開放する位置へ押しずらされ、ひいては冷却媒体ポンプの最大圧送量が保証されることになる。電磁弁８４の電気供給部が故障した場合も、調整スライダ５８は同様に同じ位置を占めることになるので、この非常運転状態でも冷却媒体ポンプの最大圧送量は保証されることになり、このために戻しばねまたは別の非液圧的な力が必要になることはないと考えられる。第２の圧力室８２における極端に激しい圧力上昇は、とりわけ第１のケーシング部分２６と周壁６０との間のギャップ７０を介した漏れにより回避され、調整ポンプ３２により追加的に圧送された冷却媒体も、やはり冷却回路内への圧送用に利用される。冷却媒体は、第１の圧力室８０から戻し通路（図示せず）を介して流出することができ、戻し通路は、電磁弁８４から第２のケーシング部分４４を通り、引き続き駆動軸１８に沿って第１のケーシング部分２６の内部に延び、冷却媒体ポンプ羽根車２０に形成された孔を介して冷却媒体ポンプのポンプ入口１４に通じている。

冷却回路に対する冷却媒体流量の減少がエンジン制御装置により要求される場合、例えば冷間始動後の内燃機関の暖機運転中といった場合には、電磁弁８４に給電し、これにより閉鎖体８８が圧力通路９２の通流横断面９０を開放する。これに相応して、調整ポンプ３２の出口３０に生じている圧力が、圧力通路９２内および第１の圧力室８０内にも形成されるのに対し、同時に第２の圧力室８２内の圧力は下がる。それというのも、入口領域には冷却媒体の吸込みにより低下させられた圧力が生じているからである。この場合はまず、第２の圧力室８２内の冷却媒体も吸い込まれる。この状態では相応して、調整スライダ５８の底板６６のところに再び圧力差が生じており、この圧力差により、調整スライダ５８が環状ギャップ６２内へ押しずらされ、ひいては冷却回路内の冷却媒体流が中断されることになる。第１の圧力室８０内の圧力上昇が高まると、しばらくして流れ通路２４内および第２の圧力室８２内の圧力も上昇するが、これにより戻ることはない。それというのも、第２の圧力室８２から漏出する量は、第１の圧力室８０から漏出する量よりも多く、変位させるには付加的に摩擦力を克服せねばならないと考えられるからである。これに相応して調整スライダ５８は所望の位置に留まっており、極端に激しい圧力上昇が生じることはない。

調整可能な電磁弁８４を使用した場合、弁８４を複数の中間位置へ移動させることも可能であり、これにより、調整スライダ５８のあらゆる位置に対して力の均衡が得られることから、環状ギャップ６２の通流横断面の完全な調整が可能になる。

説明した冷却媒体ポンプは、とりわけコンパクトに構成されていて、簡単かつ廉価に製造・組立て可能である。調整ポンプを調整スライダの圧力室に液圧的に接続するための追加導管は省かれてよい。それというのも、追加導管は極めて短い距離にわたり簡単な孔として、２つのインナケーシング部分内に形成されてよいからである。調整スライダの変位は、専ら両圧力室内の支配的な液圧力を介して行われるので、戻しばね等の追加的な構成部材も省かれてよい。それにもかかわらず、確実な非常運転機能が保証される。それというのも、給電異常時には常に、環状ギャップを開放する位置へ調整スライダを押しずらす圧力差が、調整スライダを介して生ぜしめられるからである。付加的に、調整スライダの、環状ギャップを閉じる位置への変位に必要な力が、戻しばねの省略により軽減され、これにより、より迅速な変位が、より小さな横断面でもって可能である。

独立請求項の保護範囲が、説明した実施例に限定されていないことは明白である。特に別のケーシング分割、あるいは別の弁または別の構成の調整ポンプの使用も考えられる。また、通路案内または圧力室の画定も、独立請求項の保護範囲を逸脱すること無しに変更可能である。付加的に、例えば両ポンプ羽根車の２ピース構成も考えられる。

Claims (10)

1. 内燃機関用冷却媒体ポンプであって、
   駆動軸（１８）と、
   該駆動軸（１８）に少なくとも回動不能に配置されかつ冷却媒体を圧送可能な冷却媒体ポンプ羽根車（２０）と、
   該冷却媒体ポンプ羽根車（２０）の出口（６４）と周囲の圧送通路（１２）との間の環状ギャップ（６２）の通流横断面を調整することができる変位可能な調整スライダ（５８）と、
   前記駆動軸（１８）に少なくとも回動不能に配置された調整ポンプ羽根車（２２）を備えた調整ポンプ（３２）と、
   前記調整ポンプ羽根車（２２）の回転により内部に圧力を形成可能な、前記調整ポンプ（３２）の流れ通路（２４）と、
   該流れ通路（２４）の出口（３０）を、前記調整スライダ（５８）の、軸方向で前記冷却媒体ポンプ羽根車（２０）とは反対の側に形成された、前記調整スライダ（５８）の第１の圧力室（８０）に流体接続可能な圧力通路（９２）と、
   該圧力通路（９２）の通流横断面（９０）を開閉可能な弁（８４）と、
   を備えているものにおいて、
   前記流れ通路（２４）は、前記調整スライダ（５８）の、軸方向で前記冷却媒体ポンプ羽根車（２０）に向いた側に形成された、前記調整スライダ（５８）の第２の圧力室（８２）と、接続通路（９４）を介して流体接続されており、
   前記調整スライダ（５８）は、前記第１の圧力室（８０）と前記第２の圧力室（８２）とに加わる圧力差に応じて、前記環状ギャップ（６２）内へ押し込まれるか、または前記環状ギャップ（６２）から押し出されることを特徴とする、内燃機関用冷却媒体ポンプ。
2. 前記弁（８４）は、３ポート２位置切換電磁弁である、請求項１記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
3. 前記調整ポンプ羽根車（２２）は、前記冷却媒体ポンプ羽根車（２０）と一体的に形成されている、請求項１または２記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
4. 前記調整ポンプ（３２）の前記流れ通路（２４）は、第１の固定のケーシング部分（２６）内に形成されており、該第１の固定のケーシング部分（２６）の、軸方向で前記流れ通路（２４）とは反対の側に、前記第２の圧力室（８２）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
5. 前記接続通路（９４）は、前記流れ通路（２４）を有する前記固定のケーシング部分（２６）内に形成されている、請求項４記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
6. 前記接続通路（９４）は、前記調整ポンプ（３２）の入口領域から前記第２の圧力室（８２）内へ延びている、請求項１から５までのいずれか１項記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
7. 前記調整ポンプ羽根車（２２）は、前記冷却媒体ポンプ羽根車（２０）の裏側において、軸方向で前記第２の圧力室（８２）と前記冷却媒体ポンプ羽根車（２０）との間に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
8. 前記調整ポンプ（３２）は、サイドチャンネルポンプである、請求項１から７までのいずれか１項記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
9. 前記圧力通路（９２）は、前記調整ポンプ（３２）の前記出口（３０）から前記第１のケーシング部分（２６）と第２のケーシング部分（４４）とを通って前記第１の圧力室（８０）まで延びており、前記第２のケーシング部分（４４）内には、前記弁（８４）により制御される通流横断面（９０）が形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。
10. 前記圧力通路（９２）は、前記第１のケーシング部分（２６）内では前記調整スライダ（５８）の半径方向内側に形成されており、前記第１のケーシング部分（２６）は両前記圧力室（８０，８２）を半径方向内側において画定している、請求項９記載の内燃機関用冷却媒体ポンプ。

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