EP3371462B1 - Kühlmittelpumpe für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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EP3371462B1
EP3371462B1 EP16784874.6A EP16784874A EP3371462B1 EP 3371462 B1 EP3371462 B1 EP 3371462B1 EP 16784874 A EP16784874 A EP 16784874A EP 3371462 B1 EP3371462 B1 EP 3371462B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant pump
circumferential wall
internal combustion
combustion engine
coolant
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP16784874.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3371462A1 (de
Inventor
Stefan Rothgang
Sebastian Cramer
Michael-Thomas Benra
Andreas Burger
Stephan Zielberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0027—Varying behaviour or the very pump
    • F04D15/0038—Varying behaviour or the very pump by varying the effective cross-sectional area of flow through the rotor

Definitions

  • the invention relates to a coolant pump for an internal combustion engine with a drive shaft, a coolant pump impeller which is arranged at least in a rotationally fixed manner on the drive shaft and via which coolant can be conveyed, an outer housing in which a conveying channel of the coolant pump is formed and an adjustable control slide via which a flow cross section of a Annular gap between an outlet of the coolant pump impeller and the surrounding delivery channel can be regulated.
  • Such coolant pumps are used in internal combustion engines to regulate the amount of coolant delivered in order to prevent the internal combustion engine from overheating. These pumps are mostly driven by a belt or chain drive so that the coolant pump wheel is driven at the speed of the crankshaft or a fixed ratio to the speed of the crankshaft.
  • the amount of coolant delivered must be adapted to the coolant requirements of the internal combustion engine or the motor vehicle.
  • the engine's cold-running phase should be shortened. This takes place, among other things, in that the coolant flow is throttled or completely switched off during this phase.
  • the DE 10 2004 054 637 B4 discloses a controllable coolant pump with an electrically operated control slide, on the outer circumference of which a groove is formed with a piston ring arranged therein, which runs on an inner sliding surface of an outer housing of the electromagnet, so that the slide is supported over this surface.
  • a slide In the radially inner area there is only a line routing over webs on an outside of a hollow cylindrical part of the slide element, which extends in the direction of the electromagnet and serves as an armature.
  • Such a slide is unsuitable for a hydraulically controlled pump, however, since it is not tight in the radially inner area.
  • the bearing surface is very short in the extended position of the slide, so that tilting or blocking, in particular due to penetrating dirt particles, cannot be ruled out, especially since the inner guidance takes place via the webs in an axially distant area.
  • a coolant pump in which the delivery rate of the pump can be changed via an adjustable control slide.
  • This slide is operated either hydraulically or via a scissor mechanism.
  • the force for resetting the slide is provided by a spring element which acts on the slide.
  • the slide is guided via an inner hollow cylindrical section of the slide.
  • the task is therefore to create a coolant pump for an internal combustion engine in which an exact guidance of the control slide is guaranteed in all positions. This should also minimize leaks, so that the control slide for purely hydraulically operated control slide valves can be used on coolant pumps.
  • the frictional forces that occur should be minimized in order to reduce the necessary actuating forces and tightness should be achieved.
  • the available force application areas for hydraulic actuation should be made as large as possible to reduce the necessary pressures,
  • control slide has an inner hollow cylindrical circumferential wall and an outer hollow cylindrical circumferential wall which can be moved into the annular gap, which are connected to one another via a base and extend from the base in the direction of the coolant pump impeller, the inner hollow cylindrical circumferential wall on a machined outer surface a cylindrical section of a housing part of the coolant pump is mounted and the outer hollow cylindrical circumferential wall is guided on a machined inner surface of an axially extending annular projection of a housing part of the coolant pump, an exact inner guidance is ensured, which ensures in every position of the control slide over a sufficiently long guide section becomes.
  • the friction values are low due to the machined inner surfaces.
  • an outer guide is produced in the outer area of the control slide, through which the wear is reduced, for example by penetrating dirt particles. Furthermore, a separation that minimizes leakage can be achieved between the pressure spaces on the front and on the rear of the slide.
  • the outer hollow cylindrical circumferential wall of the control slide has a first axial section which slides within the annular projection and has a shoulder, from which the outer hollow cylindrical circumferential wall extends with an enlarged outer circumference in the direction of the coolant pump impeller.
  • a clearance fit is formed between the section of the outer circumferential wall, the diameter of which is larger, and the surrounding housing, so that on the one hand direct contact with the unmachined inner surface is avoided, which would lead to significantly higher actuating forces due to friction and on the other hand, the existing gaps between the housing and the control slide are minimized.
  • the outer diameter of this section with an enlarged diameter corresponds essentially to the outer diameter of the axially extending annular projection of the housing part.
  • the outer housing into which the coolant pump is inserted can correspondingly have a receiving opening with a constant diameter and the gaps for reducing the leakage can nevertheless be reduced.
  • the shoulder rests axially against one end of the annular projection of the housing part. In this way, the control slide can be prevented from getting stuck due to adhesive forces between the rear wall and the bottom of the slide and the retracted position of the slide can still be clearly defined.
  • a radial groove is provided on the radially inner side of the radially inner circumferential wall formed, in which a sealing ring is arranged, which is advantageously made of polytetrafluoroethylene and correspondingly has a high sliding ability and high corrosion resistance to known coolants such as glycol.
  • a radial groove, in which a sealing ring is arranged, is preferably formed on the radially outer side of the section of the radially outer circumferential wall with a smaller diameter.
  • This is also preferably made of PTFE, so that the tightness is also increased and the friction is reduced in the outer guide area.
  • a leakage flow between the front of the slide and its rear side is minimized accordingly, which reduces a creeping pressure equalization that occurs between the spaces in front of and behind the slide.
  • the actuating forces to be used are correspondingly low.
  • the floor separates a first pressure space from a second pressure space.
  • the two pressure chambers are sealed off from the other pressure chamber by the two sealing rings so that the control slide can be moved depending on a pressure difference between the two pressure chambers without pressure equalization occurring. Due to the low friction due to the good guidance and storage, different positions of the control slide can be approached with low pressure differences to be applied. At the same time, pressure equalization between the pressure chambers is reduced by the high level of tightness via the control slide.
  • a coolant pump for an internal combustion engine is thus created in which the control slide is guided very precisely, which reduces the frictional forces that occur, so that only low actuating forces are required to regulate the coolant flow.
  • large force application areas are made available for the hydraulic adjustment of the control slide.
  • the pressure rooms are very much well sealed against each other both in the inner area and in the outer area of the slide, so that only a minimized leakage flow can arise.
  • Figure 1 shows a side view of a coolant pump according to the invention in a sectional illustration.
  • the coolant pump consists of an outer housing 10 in which a spiral-shaped delivery channel 12 is formed, in which a coolant is sucked in via an axial pump inlet 14 also formed in the outer housing 10, which coolant is drawn in via the delivery channel 12 to a tangential pump outlet 16 and formed in the outer housing 10 is conveyed into a cooling circuit of the internal combustion engine.
  • This outer housing 10 can, for example, be designed in one piece with the crankcase or the cylinder head of an internal combustion engine and therefore usually has an inner surface that is not machined, but only a cast inner surface.
  • a coolant pump impeller 20 which is designed as a radial pump wheel, is fastened radially inside the feed channel 12 on a drive shaft 18.
  • a regulating pump impeller 22 is formed, which is rotated accordingly with the coolant pump impeller 20.
  • This regulating pump impeller 22 has blades 23 which are arranged axially opposite one another in the form of a side channel 24, which is formed in a first inner housing part 26.
  • an inlet (not shown) and an outlet (also not shown) are formed, so that the control pump impeller 22 with the flow channel 24 forms a control pump 28, via which the pressure of the coolant is increased from the inlet of the control pump 28 to the outlet.
  • the coolant pump impeller 20 and the regulating pump impeller 22 are driven by a belt of the internal combustion engine, which is rotated with the crankshaft of the internal combustion engine and engages a belt wheel 30 which is attached to the axial end of the drive shaft 18 opposite to the coolant pump impeller 20.
  • the belt wheel 30 is mounted via a two-row ball bearing 32, the outer ring 34 of which is pressed onto the belt wheel 30 and the inner ring 36 of which is pressed onto a second stationary housing part 38.
  • the second housing part 38 has an inner axial through opening 40 through which the drive shaft 18 protrudes with a shaft seal 42 in between and into which an inner annular projection 44 of the first housing part 26 protrudes, via which the first housing part 26 is centered on the second housing part 38.
  • the first housing part 26 is fastened to the second housing part 38 via screws 46 which axially penetrate the first housing part 26.
  • the second housing part 38 is fastened to the outer housing 10 with a seal 48 in between.
  • the outer housing 10 has, at its axial end opposite the pump inlet 14, a receiving opening 50 of constant diameter, into which an annular projection 52 of the second housing part 38 protrudes, a groove 56 on its delimiting flange-shaped wall 54, which rests axially against the outer housing 10 is formed, in which the seal 48 is arranged.
  • an axially displaceable control slide 58 is arranged within the receiving opening 50, the radially outer hollow cylindrical circumferential wall 60 of which can be pushed over the coolant pump impeller 20, that a free cross section of an annular gap 62 between an outlet 64 of the coolant pump impeller 20 and the delivery channel 12 is regulated.
  • the control slide 58 has an axially shorter inner hollow cylindrical peripheral wall 66 which is connected to the outer peripheral wall 60 via a bottom 68 closed between the peripheral walls 60, 66.
  • the two circumferential walls 60, 66 extend from the base 68 in the direction of the pump impeller 20.
  • the control slide 58 is supported according to the invention via a radial inside 70 of the hollow cylindrical inner circumferential wall 66, which is axially on a machined outer surface 72 of a cylindrical section 74 of the first housing part 26 is sliding.
  • the outer surface 72 is machined to a mean roughness value of approximately 0.3 ⁇ m, as a result of which a very low-friction mounting is achieved.
  • This inner bearing ensures very precise guidance of the control slide 58, by means of which tilting or tilting of the control slide 58 is reliably avoided even when pressures are applied.
  • the radially outer circumferential wall 60 has a first section 76 which extends axially from the bottom 68 and which slides with its radial outer side 78 on a mechanically machined inner surface 80 of the annular projection 52 and has a smaller outer diameter than a second section adjoining the first section 76 Section 82 of the outer circumferential wall 60, the outer diameter of which corresponds approximately to the outer diameter of the annular projection 52 and which can be displaced into the annular gap 62.
  • the circumferential wall 60 has a shoulder 84 from which the circumferential wall 60 with the enlarged diameter extends further axially in the direction of the annular gap 62 and with which the circumferential wall 60 in the fully retracted position against an end 86 of the annular projection 52 is applied so that this end 86 serves as a rear stop for the control slide 58.
  • the second section 82 of the circumferential wall 60 lies directly opposite an inner wall 88 of the receiving opening 50 of the outer housing 10, a clearance fit being selected between the inner wall 88 and the radial outer side 78 of the second section 82 of the circumferential wall 60, which minimizes the gaps in this area will.
  • a radial groove 90 is formed on the outside 78, in which a sealing ring 92 is arranged, which is preferably made of PTFE.
  • the sealing ring 92 is arranged in such a way that it rests against the machined inner surface 80 of the annular projection 52 of the second housing part 38 in every position of the control slide 58, so that this sealing ring 92 also achieves a good and long-lasting seal in addition to the low-friction and precise guidance through which leakage between the protrusion 52 and the outer peripheral wall 60 is minimized.
  • a radial groove 94 is also formed on the radial inner side 70 of the radially inner circumferential wall 66, in which a sealing ring 96 is also arranged, which is preferably made of PTFE, which is insensitive to the coolant and has good sliding properties.
  • a first pressure chamber 98 is formed on the side of the control slide 58 facing away from the coolant pump impeller 20, which is axially through the second housing part 38 and the bottom 68 of the control slide 58 and radially outward through the annular projection 52 of the second housing part 38 and radially inward the cylindrical section 74 of the first housing part 26 serving as a bearing surface is delimited and on the side of the bottom 68 facing the coolant pump impeller 20 a second pressure chamber 100 is formed, which is axially through the bottom 68 and the first housing part 26 and radially outward through the peripheral wall 60 of the control slide 58 and is again limited radially inward by the section 74 of the first housing part 26.
  • the outer circumferential wall 60 of the regulating slide 58 is pushed into or out of the annular gap 62 accordingly, so that to avoid pressure equalization between the two pressure chambers 98 , 100 the pressure chambers 98, 100 must be tightly sealed to one another, which is achieved on the one hand by the exact mounting and guidance of the control slide 58 and on the other hand by the sealing rings 92, 96.
  • the pressure difference necessary to adjust the control slide 58 is generated by the control pump 28 and fed to the respective pressure chamber 98, 100 by means of a valve 102, which is designed as a solenoid valve.
  • a valve 102 which is designed as a solenoid valve.
  • correspondingly arranged channels not visible in the figures are formed in the two housing parts 26, 38, via which pressurized coolant can be supplied to the respective pressure chamber 98, 100 or can be drained from it, so that the control slide valve as a result of this pressure difference 58 is pushed into the annular gap 62 to minimize the amount of coolant conveyed or pushed out of the annular gap 62 to maximize the amount of coolant conveyed into the cooling circuit.
  • the coolant pump described has a very precise and low-friction inner bearing and additional outer guidance, so that despite small gaps, only small actuating forces are required, which is reinforced by the good sliding properties of the sliding surfaces opposite the peripheral walls.
  • the long-lasting and easy-to-slide sealing rings used are additionally sealed against one another, so that the control slide can be adjusted with low actuating forces and pressure equalization between the pressure chambers is delayed.
  • large force application areas are made available on the bottom of the control slide for its hydraulic adjustment. Guiding over unmachined surfaces in the area of the receiving opening of the outer housing is avoided.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Antriebswelle, einem Kühlmittelpumpenlaufrad, welches zumindest drehfest auf der Antriebswelle angeordnet ist und über welches Kühlmittel förderbar ist, einem Außengehäuse in dem ein Förderkanal der Kühlmittelpumpe ausgebildet ist und einem verstellbaren Regelschieber, über den ein Durchströmungsquerschnitt eines Ringspalts zwischen einem Austritt des Kühlmittelpumpenlaufrades und dem umgebenden Förderkanal regelbar ist.
  • Derartige Kühlmittelpumpen dienen in Verbrennungsmotoren zur Mengenregelung des geförderten Kühlmittels, um ein Überhitzen des Verbrennungsmotors zu verhindern. Der Antrieb dieser Pumpen erfolgt zumeist über einen Riemen- oder Kettentrieb, so dass das Kühlmittelpumpenrad mit der Drehzahl der Kurbelwelle oder einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben wird.
  • In modernen Verbrennungsmotoren ist die geförderte Kühlmittelmenge an den Kühlmittelbedarf des Verbrennungsmotors oder des Kraftfahrzeugs anzupassen. Zur Vermeidung erhöhter Schadstoffemissionen und Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sollte insbesondere die Kaltlaufphase des Motors verkürzt werden. Dies erfolgt unter anderem dadurch, dass der Kühlmittelstrom während dieser Phase gedrosselt oder vollkommen abgeschaltet wird.
  • Zur Regelung der Kühlmittelmenge sind verschiedene Pumpenausführungen bekannt geworden. Neben elektrisch angetriebenen Pumpen sind Pumpen bekannt, die über Kupplungen, insbesondere hydrodynamische Kupplungen an ihren Antrieb angekoppelt oder von diesem getrennt werden können. Eine besonders kostengünstige und einfach aufgebaute Möglichkeit zur Regelung des geförderten Kühlmittelstroms ist jedoch die Verwendung eines axial verschiebbaren Regelschiebers, der über das Kühlmittelpumpenlaufrad geschoben wird, so dass zur Reduzierung des Kühlmittelstroms der Durchströmungsquerschnitt des Ringspaltes, über den das Pumpenlaufrad das Kühlmittel in den umliegenden Förderkanal pumpt, verringert oder vollständig geschlossen werden kann.
  • Die Regelung dieser Schieber erfolgt ebenfalls in unterschiedlicher Weise. Neben einer rein elektrischen Verstellung hat sich vor allem eine hydraulische Verstellung der Schieber bewährt. Hierzu befindet sich an der zum Pumpenlaufrad abgewandten Seite des Schiebers ein Druckraum, der über ein Magnetventil mit einer unter Druck stehenden hydraulischen Flüssigkeit gefüllt wird, um eine Druckdifferenz über den Schieber zu erzeugen, die zu einer Verschiebung des Regelschiebers führt. Eine Rückstellung des Schiebers erfolgt durch Öffnen des Kolbenraums zu einem Auslass, was zumeist über ein Magnetventil erfolgt sowie unter Einwirkung einer Feder, die die Kraft zur Rückstellung des Schiebers zur Verfügung stellt. Der hydraulische Druck kann beispielsweise durch eine auf der Antriebswelle angeordnete Sekundärpumpe erzeugt werden, so dass das Kühlmittel auch zur Verstellung des Regelschiebers genutzt wird.
  • Problematisch bei diesen Kühlmittelpumpen mit Regelschieber ist die exakte möglichst reibungsarme Führung dieser Schieber. Insbesondere bei Kühlmittelpumpen die in eine entsprechende Öffnung beispielsweise des Zylinderkurbelgehäuses eingesetzt werden, ist es schwierig, eine exakte Führung des Schiebers über die umliegenden Gehäusewände des Zylinderkurbelgehäuses sicher zu stellen, da es hierzu notwendig wäre, sowohl die Befestigung der Kühlmittelpumpe am Zylinderkurbelgehäuse, als auch die Lage des Schiebers zum Zylinderkurbelgehäuse mit sehr engen Toleranzen herzustellen. Des Weiteren ist eine Bearbeitung der Aufnahmeöffnung des Kurbelgehäuses sehr aufwendig.
  • Um dieses Problem zu lösen, wird in der DE 10 2004 054 637 B4 eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem elektrisch betätigten Regelschieber offenbart, an dessen Außenumfang eine Nut mit einem darin angeordneten Kolbenring ausgebildet ist, der auf einer inneren Gleitfläche eines Außengehäuses des Elektromagneten läuft, so dass der Schieber über diese Fläche gelagert wird. Im radial inneren Bereich besteht lediglich eine Linienführung über Stege an einer Außenseite eines hohlzylindrischen Teils des Schieberelementes, welches sich in Richtung des Elektromagneten erstreckt und als Anker dient. Für eine hydraulisch geregelte Pumpe ist ein derartiger Schieber jedoch ungeeignet, da er im radial inneren Bereich nicht dicht ist. Die Lagerfläche ist jedoch in der ausgefahrenen Stellung des Schiebers sehr kurz, so dass ein Verkanten oder Blockieren, insbesondere durch eindringende Schmutzpartikel, nicht auszuschließen ist, zumal die innere Führung über die Stege in einem axial entfernten Bereich erfolgt.
  • Des Weiteren ist aus der DE 10 2011 079 898 A1 eine Kühlmittelpumpe bekannt, bei der über einen verstellbaren Regelschieber die Förderrate der Pumpe verändert werden kann. Dieser Schieber wird entweder hydraulisch oder über einen Scherenmechanismus betätigt. Die Kraft zur Rückstellung des Schiebers wird über ein Federelement, welches auf den Schieber wirkt, bereitgestellt. Die Führung des Schiebers erfolgt über einen inneren hohlzylindrischen Abschnitt des Schiebers.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei der eine exakte Führung des Regelschiebers in allen Stellungen gewährleistet wird. Hierdurch sollen zusätzlich Leckagen minimiert werden, so dass der Regelschieber auch für rein hydraulisch betätigte Regelschieber an Kühlmittelpumpen eingesetzt werden kann. Die auftretenden Reibungskräfte sollen zur Reduzierung notwendiger Stellkräfte minimiert werden und eine Dichtheit erzielt werden. Die zur Verfügung stehenden Kraftangriffsflächen für die hydraulische Betätigung sollen zur Reduzierung der notwendigen Drücke möglichst groß ausgeführt werden,
  • Diese Aufgabe wird durch eine Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass der Regelschieber eine innere hohlzylindrische Umfangswand und eine äußere hohlzylindrische Umfangswand, die in den Ringspalt verschiebbar ist, aufweist, die über einen Boden miteinander verbunden sind und sich vom Boden in Richtung des Kühlmittelpumpenlaufrades erstrecken, wobei die innere hohlzylindrische Umfangswand auf einer bearbeiteten Außenfläche eines zylindrischen Abschnitts eines Gehäuseteils der Kühlmittelpumpe gelagert ist und die äußere hohlzylindrische Umfangswand auf einer bearbeiteten Innenfläche eines sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprungs eines Gehäuseteils der Kühlmittelpumpe geführt ist, wird eine exakte innere Führung sichergestellt, welche in jeder Position des Regelschiebers über einen ausreichend langen Führungsabschnitt gewährleistet wird. Die Reibungswerte sind aufgrund der bearbeiteten Innenflächen gering. Zusätzlich zu der inneren Lagerung wird eine äußere Führung im äußeren Bereich des Regelschiebers hergestellt, durch die der Verschleiß beispielswiese durch eindringende Schmutzpartikel reduziert wird. Des Weiteren ist eine die Leckage minimierende Trennung zwischen den Druckräumen an der Vorderseite und an der Rückseite des Schiebers erreichbar.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die äußere hohlzylindrische Umfangswand des Regelschiebers einen ersten axialen Abschnitt auf, der innerhalb des ringförmigen Vorsprungs gleitet und einen Absatz aufweist, von dem aus sich die äußere hohlzylindrische Umfangswand mit vergrößertem Außenumfang in Richtung des Kühlmittelpumpenlaufrades erstreckt. Durch diese Ausführung wird eine äußere Führung und daraus folgende gute Abdichtung in allen Stellungen des Regelschiebers aufrecht erhalten, ohne die Flächen, auf die der Druck der Flüssigkeit zur Verstellung wirkt verkleinern zu müssen.
  • In einer hierzu wiederum weiterführenden Ausführungsform ist zwischen dem Abschnitt der äußeren Umfangswand, dessen Durchmesser größer ist, und dem umgebenden Gehäuse eine Spielpassung ausgebildet ist, so dass einerseits eine direkte Berührung zur unbearbeiteten Innenfläche vermieden wird, was zu deutlich höheren erforderlichen Stellkräften durch Reibung führen würde und andererseits die vorhandenen spalte zwischen dem Gehäuse und dem Regelschieber minimiert werden.
  • Dabei entspricht der Außendurchmesser dieses Abschnitts mit vergrößertem Durchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser des sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprungs des Gehäuseteils. Das Außengehäuse, in das die Kühlmittelpumpe gesteckt wird, kann entsprechend eine Aufnahmeöffnung mit konstantem Durchmesser aufweisen und dennoch die Spalte zur Reduzierung der Leckage reduziert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Absatz in der vollständig zurückgezogenen Position des Regelschiebers axial gegen ein Ende des ringförmigen Vorsprungs des Gehäuseteils an. So kann ein Hängenbleiben des Regelschiebers durch Adhäsionskräfte zwischen der rückwärtigen Wand und dem Boden des Schiebers vermieden werden und dennoch die zurückgezogene Position des Schiebers eindeutig definiert werden.
  • Um die Reibungskräfte zusätzlich zu verringern und eine noch bessere Dichtigkeit über die Lagerfläche des Regelschiebers zu erhalten, ist an der radialen Innenseite der radial inneren Umfangswand eine Radialnut ausgebildet, in der ein Dichtring angeordnet ist, welcher vorteilhafterweise aus Polytetrafluorethylen hergestellt ist und entsprechend eine hohe Gleitfähigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit gegen bekannte Kühlmittel wie Glykol aufweist.
  • Vorzugsweise ist an der radialen Außenseite des Abschnitts der radial äußeren Umfangswand mit kleinerem Durchmesser eine Radialnut ausgebildet, in der ein Dichtring angeordnet ist. Dieser ist ebenfalls vorzugsweise aus PTFE hergestellt, so dass auch im äußeren Führungsbereich die Dichtigkeit erhöht und die Reibung verringert wird. Ein Leckagestrom zwischen der Vorderseite des Schiebers und seiner Rückseite ist entsprechend minimiert, wodurch ein auftretender schleichender Druckausgleich zwischen den Räumen vor und hinter dem Schieber reduziert wird. Die aufzuwendenden Stellkräfte sind entsprechend gering.
  • Entsprechend trennt der Boden einen ersten Druckraum von einem zweiten Druckraum. Dabei sind die beiden Druckräume durch die beiden Dichtringe gegenüber dem jeweils anderen Druckraum abgedichtet, so dass der Regelschieber in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen verschiebbar ist, ohne dass ein Druckausgleich entsteht. Durch die geringe Reibung aufgrund der guten Führung und Lagerung können verschiedene Stellungen des Regelschiebers mit geringen aufzubringenden Druckdifferenzen angefahren werden. Gleichzeitig wird ein Druckausgleich zwischen den Druckräumen durch die hohe Dichtigkeit über den Regelschieber reduziert.
  • Es wird somit eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, bei der der Regelschieber sehr exakt geführt wird, wodurch auftretende Reibungskräfte reduziert werden, so dass lediglich geringe Stellkräfte erforderlich sind, um den Kühlmittelstrom zu regeln. Zusätzlich werden große Kraftangriffsflächen zur hydraulischen Verstellung des Regelschiebers zur Verfügung gestellt. Dabei werden die Druckräume sehr gut sowohl im inneren Bereich als auch im äußeren Bereich des Schiebers gegeneinander abgedichtet, so dass lediglich ein minimierter Leckagestrom entstehen kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe für einen Verbrennungsmotor ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe in geschnittener Darstellung.
  • Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe besteht aus einem Außengehäuse 10, in dem ein spiralförmiger Förderkanal 12 ausgebildet ist, in dem über einen ebenfalls im Außengehäuse 10 ausgebildeten axialen Pumpeneinlass 14 ein Kühlmittel angesaugt wird, welches über den Förderkanal 12 zu einem im Außengehäuse 10 ausgebildeten tangentialen Pumpenauslass 16 und in einen Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine gefördert wird. Dieses Außengehäuse 10 kann beispielsweise einstückig mit dem Kurbelgehäuse oder dem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein und weist daher üblicherweise eine nicht bearbeitete, sondern lediglich gegossene Innenfläche auf.
  • Zur Förderung des Kühlmittels ist radial innerhalb des Förderkanals 12 auf einer Antriebswelle 18 ein Kühlmittelpumpenlaufrad 20 befestigt, welches als Radialpumpenrad ausgebildet ist. An der zum Pumpeneinlass 14 entgegengesetzten axialen Seite des Kühlmittelpumpenlaufrades 20 ist ein Regelpumpenlaufrad 22 ausgebildet, welches entsprechend mit dem Kühlmittelpumpenlaufrad 20 gedreht wird. Dieses Regelpumpenlaufrad 22 weist Schaufeln 23 auf, die axial gegenüberliegend zu einem als Seitenkanal ausgebildeten Strömungskanal 24 angeordnet sind, der in einem ersten inneren Gehäuseteil 26 ausgebildet ist. In diesem ersten Gehäuseteil 26 sind ein nicht dargestellter Einlass und ein ebenfalls nicht dargestellter Auslass ausgebildet, so dass das Regelpumpenlaufrad 22 mit dem Strömungskanal 24 eine Regelpumpe 28 bildet, über welche der Druck des Kühlmittels vom Einlass der Regelpumpe 28 zum Auslass erhöht wird.
  • Der Antrieb des Kühlmittelpumpenlaufrades 20 und des Regelpumpenlaufrades 22 erfolgt über einen Riemen des Verbrennungsmotors, der mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gedreht wird und in ein Riemenrad 30 greift, welches am zum Kühlmittelpumpenlaufrad 20 entgegengesetzten axialen Ende der Antriebswelle 18 befestigt ist. Das Riemenrad 30 ist über ein zweireihiges Kugellager 32 gelagert, dessen Außenring 34 am Riemenrad 30 und dessen Innenring 36 auf einem zweiten feststehenden Gehäuseteil 38 aufgepresst ist. Das zweite Gehäuseteil 38 weist eine innere axiale Durchgangsöffnung 40 auf, durch die die Antriebswelle 18 unter Zwischenlage einer Wellendichtung 42 ragt und in die ein innerer ringförmiger Vorsprung 44 des ersten Gehäuseteils 26 ragt, über den das erste Gehäuseteil 26 zum zweiten Gehäuseteil 38 zentriert ist. Das erste Gehäuseteil 26 wird über Schrauben 46, welche das erste Gehäuseteil 26 axial durchdringen am zweiten Gehäuseteil 38 befestigt. Das zweite Gehäuseteil 38 ist unter Zwischenlage einer Dichtung 48 am Außengehäuse 10 befestigt. Hierzu weist das Außengehäuse 10 an seinem zum Pumpeneinlass 14 entgegengesetzten axialen Ende eine Aufnahmeöffnung 50 konstanten Durchmessers auf, in die ein ringförmiger Vorsprung 52 des zweiten Gehäuseteils 38 ragt, an dessen begrenzender flanschförmiger Wand 54, die axial gegen das Außengehäuse 10 anliegt, eine Nut 56 ausgebildet ist, in der die Dichtung 48 angeordnet ist.
  • Zur Regelung der geförderten Kühlmittelmenge ist innerhalb der Aufnahmeöffnung 50 ein axial verschiebbarer Regelschieber 58 angeordnet, dessen radial äußere hohlzylindrische Umfangswand 60 derart über das Kühlmittelpumpenlaufrad 20 geschoben werden kann, dass ein freier Querschnitt eines Ringspalts 62 zwischen einem Austritt 64 des Kühlmittelpumpenlaufrades 20 und dem Förderkanal 12 geregelt wird.
  • Der Regelschieber 58 weist neben der radial äußeren hohlzylindrischen Umfangswand 60 eine axial kürzere innere hohlzylindrische Umfangswand 66 auf, die über einen zwischen den Umfangswänden 60, 66 geschlossenen Boden 68 mit der äußeren Umfangswand 60 verbunden ist. Die beiden Umfangswände 60, 66 erstrecken sich vom Boden 68 in Richtung des Pumpenlaufrades 20. Die Lagerung des Regelschiebers 58 erfolgt erfindungsgemäß über eine radiale Innenseite 70 der hohlzylindrischen inneren Umfangswand 66, welche auf einer bearbeiteten Außenfläche 72 eines zylindrischen Abschnitts 74 des ersten Gehäuseteils 26 axial gleitend geführt ist. Dabei wird die Außenfläche 72 auf einen Mittenrauwert von etwa 0,3µm bearbeitet, wodurch eine sehr reibungsarme Lagerung erzielt wird. Diese innere Lagerung sichert eine sehr exakte Führung des Regelschiebers 58, durch die ein Kippen oder Verkanten des Regelschiebers 58 auch bei anliegenden Drücken zuverlässig vermieden wird.
  • Die radial äußere Umfangswand 60 weist einen sich vom Boden 68 axial erstreckenden ersten Abschnitt 76 auf, der mit seiner radialen Außenseite 78 an einer mechanisch bearbeiteten Innenfläche 80 des ringförmigen Vorsprungs 52 gleitet und einen kleineren Außendurchmesser aufweist als ein sich an den ersten Abschnitt 76 anschließender zweiter Abschnitt 82 der äußeren Umfangswand 60, dessen Außendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des ringförmigen Vorsprungs 52 entspricht und der in den Ringspalt 62 verschiebbar ist. Durch die maschinelle Bearbeitung der Innenfläche 80 wird hier eine reibungsarme zusätzliche Führung des Regelschiebers 58 erzielt. Entsprechend weist die Umfangswand 60 einen Absatz 84 auf, von dem aus sich die Umfangswand 60 mit dem vergrößerten Durchmesser weiter axial in Richtung des Ringspaltes 62 erstreckt und mit dem die Umfangswand 60 in der vollständig zurückgezogenen Position gegen ein Ende 86 des ringförmigen Vorsprungs 52 anliegt, so dass dieses Ende 86 als rückwärtiger Anschlag für den Regelschieber 58 dient. Der zweite Abschnitt 82 der Umfangswand 60 liegt unmittelbar gegenüber zu einer Innenwand 88 der Aufnahmeöffnung 50 des Außengehäuses 10, wobei eine Spielpassung zwischen der Innenwand 88 und der radialen Außenseite 78 des zweiten Abschnitts 82 der Umfangswand 60 gewählt wird, wodurch die Spalte in diesem Bereich minimiert werden.
  • Am ersten axialen Abschnitt 76 der Umfangswand 60, der den kleineren Durchmesser aufweist, ist an der Außenseite 78 eine Radialnut 90 ausgebildet, in der ein Dichtring 92 angeordnet ist, der vorzugsweise aus PTFE hergestellt ist. Der Dichtring 92 ist derart angeordnet, dass er in jeder Position des Regelschiebers 58 an der bearbeiteten Innenfläche 80 des ringförmigen Vorsprungs 52 des zweiten Gehäuseteils 38 anliegt, so dass durch diesen Dichtring 92 neben der reibungsarmen und exakten Führung auch eine gute und lang haltbare Abdichtung erzielt wird, durch die Leckagen zwischen dem Vorsprung 52 und der äußeren Umfangswand 60 minimiert werden.
  • In entsprechender Weise ist auch an der radialen Innenseite 70 der radial inneren Umfangswand 66 ist eine Radialnut 94 ausgebildet, in der ebenfalls ein Dichtring 96 angeordnet ist, der vorzugsweise aus PTFE hergestellt ist, was gegen das Kühlmittel unempfindlich ist und gute Gleiteigenschaften aufweist. Somit besteht auch an der Innenseite 70 des Regelschiebers 58 eine hohe Dichtigkeit, so dass zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Regelschiebers 58 Leckagen auch bei anliegenden Druckdifferenzen beinahe vollständig vermieden werden.
  • Dies ist wichtig, da an der vom Kühlmittelpumpenlaufrad 20 abgewandten Seite des Regelschiebers 58 ein erster Druckraum 98 ausgebildet ist, der axial durch das zweite Gehäuseteil 38 und den Boden 68 des Regelschiebers 58 und radial nach außen durch den ringförmigen Vorsprung 52 des zweiten Gehäuseteils 38 und nach radial innen durch den als Lagerfläche dienenden zylindrischen Abschnitt 74 des ersten Gehäuseteils 26 begrenzt wird und an der zum Kühlmittelpumpenlaufrad 20 gewandten Seite des Bodens 68 ein zweiter Druckraum 100 ausgebildet ist, der axial durch den Boden 68 und das erste Gehäuseteil 26, nach radial außen durch die Umfangswand 60 des Regelschiebers 58 und nach radial innen erneut durch den Abschnitt 74 des ersten Gehäuseteils 26 begrenzt wird. Je nach am Boden 68 des Regelschiebers 58 in den beiden Druckräumen 98, 100 anliegender Druckdifferenz wird die äußere Umfangswand 60 des Regelschiebers 58 entsprechend in den Ringspalt 62 hinein- oder aus dem Ringspalt 62 herausgeschoben, so dass zur Vermeidung eines Druckausgleichs zwischen den beiden Druckräumen 98, 100 eine hohe Dichtigkeit der Druckräume 98, 100 zueinander erforderlich ist, welche einerseits durch die exakte Lagerung und Führung des Regelschiebers 58 und andererseits durch die Dichtringe 92, 96 erreicht wird.
  • Die zur Verstellung des Regelschiebers 58 notwendige Druckdifferenz wird durch die Regelpumpe 28 erzeugt und mittels eines Ventils 102, welches als Magnetventil ausgebildet ist, dem jeweiligen Druckraum 98, 100 zugeführt. Hierzu sind in den beiden Gehäuseteilen 26, 38 entsprechend angeordnete und in den Figuren nicht sichtbare Kanäle ausgebildet, über die unter Druck stehendes Kühlmittel dem jeweiligen Druckraum 98, 100 zugeführt werden kann beziehungsweise aus diesem abgelassen werden kann, so dass als Folge dieser Druckdifferenz der Regelschieber 58 zur Minimierung der geförderten Kühlmittelmenge in den Ringspalt 62 geschoben oder zur Maximierung der in den Kühlkreislauf geförderten Kühlmittelmenge aus diesem herausgeschoben wird.
  • Die beschriebene Kühlmittelpumpe weist eine sehr exakte und reibungsarme innere Lagerung und zusätzliche äußere Führung auf, so dass trotz geringer Spalte lediglich kleine Stellkräfte erforderlich sind, was durch die guten Gleiteigenschaften der den Umfangswänden gegenüberliegenden Gleitflächen noch verstärkt wird. Durch die verwendeten, lang haltbaren und gut gleitenden Dichtringe werden die Druckräume zusätzlich gegeneinander abgedichtet, so dass eine Verstellung des Regelschiebers mit geringen Stellkräften möglich ist und dabei ein Druckausgleich zwischen den Druckräumen verzögert ist. Zusätzlich werden große Kraftangriffsflächen am Boden des Regelschiebers zu dessen hydraulischer Verstellung zur Verfügung gestellt. Eine Führung über unbearbeitete Flächen im Bereich der Aufnahmeöffnung des Außengehäuses wird vermieden.
  • Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere sind andere Gehäuseteilungen oder eine andere Art der Aktuierung des Regelschiebers denkbar. So können beispielsweise die beiden Gleitflächen des Gehäuses an einem Gehäuseteil ausgebildet werden, was eine noch genauere Führung durch genauere herstellbare Toleranzen ermöglicht. Neben einer rein hydraulischen Verstellung sind auch elektrische Verstellungen oder eine Vorspannung mittels Druckfedern denkbar. Auch können gegebenenfalls andere Dichtringe mit guten Gleit- und Dichteigenschaften verwendet werden, die unempfindlich gegen Korrosion bei verwendeten Kältemitteln wie Glykol sind.

Claims (9)

  1. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine mit
    einer Antriebswelle (18),
    einem Kühlmittelpumpenlaufrad (20), welches zumindest drehfest auf der Antriebswelle (18) angeordnet ist und über welches Kühlmittel förderbar ist,
    einem Außengehäuse (10) in dem ein Förderkanal (12) der Kühlmittelpumpe ausgebildet ist,
    einem verstellbaren Regelschieber (58), über den ein Durchströmungsquerschnitt eines Ringspalts (62) zwischen einem Austritt (64) des Kühlmittelpumpenlaufrades (20) und dem umgebenden Förderkanal (12) regelbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Regelschieber (58) eine innere hohlzylindrische Umfangswand (66) und eine äußere hohlzylindrische Umfangswand (60), die in den Ringspalt (62) verschiebbar ist, aufweist, die über einen Boden (68) miteinander verbunden sind und sich vom Boden (68) in Richtung des Kühlmittelpumpenlaufrades (20) erstrecken, wobei die innere hohlzylindrische Umfangswand (66) auf einer bearbeiteten Außenfläche (72) eines zylindrischen Abschnitts (74) eines Gehäuseteils (26) der Kühlmittelpumpe gelagert ist und die äußere hohlzylindrische Umfangswand (60) auf einer bearbeiteten Innenfläche (80) eines sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprungs (52) eines Gehäuseteils (38) der Kühlmittelpumpe geführt ist.
  2. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die äußere hohlzylindrische Umfangswand (60) einen ersten axialen Abschnitt (76) aufweist, der innerhalb des ringförmigen Vorsprungs (52) gleitet und einen Absatz (84) aufweist, von dem aus sich die äußere hohlzylindrische Umfangswand (60) in einem zweiten Abschnitt (82) mit vergrößertem Außenumfang in Richtung des Kühlmittelpumpenlaufrades (20) erstreckt.
  3. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen dem Abschnitt (82) der äußeren Umfangswand (60), dessen Durchmesser größer ist und dem umgebenden Außengehäuse (10) eine Spielpassung ausgebildet ist.
  4. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Außendurchmesser des Abschnitts (82) der äußeren Umfangswand (60) mit vergrößertem Durchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser des sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprungs (52) des Gehäuseteils (38) entspricht.
  5. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Absatz (84) in der vollständig zurückgezogenen Position des Regelschiebers (58) axial gegen ein Ende (86) des ringförmigen Vorsprungs (52) des Gehäuseteils (38) anliegt.
  6. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an einer radialen Innenseite (70) der radial inneren Umfangswand (66) eine Radialnut (94) ausgebildet ist, in der ein Dichtring (96) angeordnet ist.
  7. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an einer radialen Außenseite (78) des ersten Abschnitts (76) der radial äußeren Umfangswand (60) mit kleinerem Durchmesser eine Radialnut (90) ausgebildet ist, in der ein Dichtring (92) angeordnet ist.
  8. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Boden (68) einen ersten Druckraum (98) von einem zweiten Druckraum (100) trennt, so dass der Regelschieber (58) in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen (98, 100) verschiebbar ist.
  9. Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Druckräume (98, 100) durch die beiden Dichtringe (92, 96) gegenüber dem jeweils anderen Druckraum (98, 100) abgedichtet sind.
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