DE19957145C2 - Vorrichtung zum Umwälzen von Kühlflüssigkeit und Steuern von Kühlmittelströmen eines Kühlsystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwälzen von Kühlflüssigkeit und Steuern von Kühlmittelströmen eines Kühlsystems, insbesondere des Kühlsystems einer Brennkraftmaschine, nach dem Anspruch 1.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind solche Vor­ richtungen bekannt, welche z. B. Pumpen oder andersar­ tige Flüssigkeitsfördereinrichtung sein können, welche häufig in Kühlsystemen eingesetzt werden. Eine bevor­ zugte Ausführungsform stellen hierbei Zahnradpumpen oder Kreiselpumpen dar.

Kühlsysteme mit wenigstens zwei Teilkreisläufen weisen im allgemeinen Drossel- bzw. Stellmittel auf, durch welche Volumenströme der Kühlflüssigkeit in den jewei­ ligen Teilkreisläufen beeinflußt werden können.

Entsprechende Steuer- bzw. Schalteinrichtungen zur Be­ einflussung von wenigstens zwei Teilkreisläufen eines Kühlsystems sind beispielsweise aus den Schriften DE 44 16 039 C1 und DE 198 09 124 A1 bekannt. Eine Weiterentwicklung eines derartigen Drehschiebers ist in der DE 198 09 123 A1 beschrieben. Bei dieser Vor­ richtung zum Umwälzen von Kühlflüssigkeit und Steuern von Kühlmittelströmen eines Kühlsystems einer Brenn­ kraftmaschine mit wenigstens zwei Teilkreisläufen weist die Pumpe einen Druckanschluß und drei mit den Teilkreisläufen verbundene Sauganschlüsse auf. Der Sammelraum im Gehäuse der Pumpe enthält ein Flüssig­ keitsfördermittel in Form eines Flügelrades, welches durch eine Welle angetrieben wird, wobei die Wellen­ durchführung durch das Gehäuse üblicherweise durch Dichtungselemente abgedichtet ist. Der Druckanschluß ist mit dem Sammelraum permanent verbunden. Ein Dreh­ schieberelement zur Steuerung oder Regelung des Kühl­ mittelstromes der Teilkreisläufe ist in die Pumpe in­ tegriert. Hier ist also das Drehschieberelement zur Steuerung der wenigstens zwei Teilkreisläufe des Kühl­ systems in einen Teil des Pumpengehäuses integriert, so daß eine Baueinheit aus Flüssigkeitsfördereinrich­ tung und Steuer- bzw. Schalteinrichtung für die wenig­ stens zwei Teilkreisläufe erreicht werden kann.

Bei dieser Lösung ist es jedoch von Nachteil, daß der saugseitige Sammelraum der Flüssigkeitsfördereinrich­ tung nicht kontinuierlich mit Kühlflüssigkeit versorgt ist. Insbesondere in einer Stellung, in welcher sämt­ liche Teilkreisläufe geschlossen sind, kann es so zu einer Unterversorgung des saugseitigen Sammelraums der Kühlmittelfördereinrichtung mit Kühlmittel kommen, wo­ bei die den Sammelraum gegenüber der Umgebung abdich­ tenden Dichtungselemente der antreibenden Welle der Flüssigkeitsfördermittel "heißlaufen" und dabei beschädigt werden können.

Zusätzlich kennt der Stand der Technik Pumpenbypass­ leitungen, welche z. B. in der JP 02055 824A oder der DE 197 09 484 A1 beschrieben werden. Diese Bypasslei­ tungen dienen dabei zur Regelung des durch die Pumpe geförderten Volumenstroms.

Diese Art der Volumenstromregelung weist den Nachteil auf, daß in dem Pumpenbypass ein gewisser Volumenstrom parallel zur Pumpe zurückgefördert wird, so daß hier energetische Verluste in Kauf genommen werden müssen, um den Volumenstrom an Kühlmittel entsprechend steuern bzw. regeln zu können.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einer Vorrich­ tung zum Umwälzen von Kühlflüssigkeit und Steuern von Kühlmittelströmen eines Kühlsystems sicherzustellen, daß die den Sammelraum einer Pumpe nach außen abdich­ tenden Dichtungselemente einer antreibenden Welle der Flüssigkeitsfördermittel fortwährend mit Kühlmittel versorgt werden, und daß die Elemente zur Regelung bzw. Steuerung von wenigstens zwei Teilkreisläufen so­ wie zur Förderung der Kühlflüssigkeit in einer kompak­ ten Baueinheit platzsparend untergebracht sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vorteilhafterweise vor, daß ein Drehschieberelement in der Pumpe inte­ griert ist und einen Sammelraum, in welchem die Flüssigkeitsfördermittel der Pumpe laufen, umgibt. Dieser Sammelraum ist dabei permanent mit dem Druckanschluß der Pumpe verbunden und über das Drehschieberelement können die verschiedenen, von den unterschiedlichen Teilkreisläufen zu der Pumpe kommenden Sauganschlüsse ganz oder teilweise abgesperrt werden, so daß der Zu­ fluß von den jeweiligen Teilkreisläufen in den Sammel­ raum und damit zu dem druckseitigen Anschluß der Pumpe gesteuert bzw. geregelt werden kann.

Außerdem weist die Vorrichtung eine Bypassleitung auf, welche von dem permanent mit dem Sammelraum verbunde­ nen druckseitigen Anschluß der Pumpe zurück zu dem Sammelraum führt und ebenfalls über das den Sammelraum umgebende Drehschieberelement gesteuert bzw. geregelt werden kann. Damit ist sichergestellt, daß die den Sammelraum gegenüber der Umgebung abdichtenden Dich­ tungselemente der Pumpe, welche durch die laufenden Flüssigkeitsfördermittel einer mechanischen Reibung ausgesetzt sind, auch dann mit Kühlflüssigkeit umspült werden, wenn die beiden Teilkreisläufe des Kühlsystems durch das Drehschieberelement abgesperrt sind.

Durch die Bypassleitung kann bei komplett abgesperrten oder sehr stark reduzierten Durchlässen der beiden Teilkreisläufe der Sammelraum durchgehend mit Kühl­ flüssigkeit versorgt werden. Dies entspricht also ei­ nem internen Kurzschlußkreislauf in der Pumpe, so daß im Bypassbetrieb zwar nur eine sehr geringe Flüssig­ keitsmenge andauernd umgewälzt wird, von dieser Flüs­ sigkeitsmenge jedoch die Dichtungselemente durchgehend benetzt werden, so daß diese durch die Reibung an der Welle, welche die Flüssigkeitsfördermittel antreibt, nicht übermäßig erhitzt und damit beschädigt werden können.

Ein weiterer Vorteil liegt in der direkten Integration des Drehschieberelementes in den zentralen Bereich der Pumpe. Damit wird die Steuerung bzw. Regelung der Vo­ lumenströme der beiden Teilkreisläufe sowie sämtlicher Varianten von Einzel-, Drossel- und Mischbetrieb der beiden Teilkreisläufe einfach und effektiv mit der Förderung der Kühlflüssigkeit kombiniert. Es entsteht ein einfacher, platzsparender, leicht zu montierender und gegebenenfalls auch leicht auszuwechselnder Bau­ stein für das Kühlsystem. In diesem Baustein ist dabei die Steuerung bzw. Regelung der entsprechenden Teil­ kreisläufe und die Förderung der Kühlflüssigkeit an sich bereits integriert.

Anhand der Zeichnungen wird nachfolgend prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen prinzipmäßigen Aufbau eines mögli­ chen Kühlsystems mit einer Vorrichtung zum Umwälzen und Steuern;

Fig. 2 einen prinzipmäßigen Querschnitt durch die Vorrichtung;

Fig. 3 einen prinzipmäßigen Längsschnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 bis Fig. 7 mögliche Stellungen eines Drehschieber­ elements in einer Prinzipdarstellung der Vorrichtung analog zu Fig. 3.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines möglichen Kühlsystems 1 mit zwei Teilkreisläufen 2, 3. Die Mög­ lichkeit, weitere Teilkreisläufe anzuschließen, ist durch einen gestrichelten Pfeil prinzipmäßig angedeu­ tet. Die weiteren Teilkreisläufe könnten dabei z. B. Teilkreisläufe zur Beheizung eines Innenraums eines mit dem eine Brennkraftmaschine 4 versorgenden Kühlsy­ stem 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs sein.

Der Teilkreislauf 2, der sogenannte Kühlerkreislauf, verbindet eine prinzipmäßig angedeutete Pumpe 5 für die Kühlflüssigkeit von deren druckseitigem Anschluß, einem Druckanschluß 6, ausgehend mit einem Kühler 7. Von dem Kühler 7 führt der Kühlerkreislauf 2 zu einem Sauganschluß 8a der Pumpe 5 zurück.

Ein Kurzschlußkreislauf 3 beginnt ebenfalls am Druck­ anschluß 6 der Pumpe 5 und führt zu der Brennkraftma­ schine 4 und von dort zurück zu einem Sauganschluß 8b der Pumpe 5. Weiterhin zeigt das Kühlsystem 1 bzw. die Pumpe 5 eine Bypassleitung 9 bzw. einen Bypass, wel­ cher von dem Druckanschluß 6 zu einem Sauganschluß 8c der Pumpe 5 führt.

Diese Bypassleitung 9, sowie die mögliche Verschaltung der Teilkreisläufe 2, 3 und der Bypassleitung 9 zuein­ ander, wird im weiteren Verlauf des Ausführungsbei­ spiels noch eingehend erläutert werden.

Fig. 2 zeigt einen prinzipmäßigen Querschnitt durch die Vorrichtung zur Versorgung des Kühlsystems 1 mit Kühlflüssigkeit. Prinzipiell handelt es sich dabei um die Pumpe 5 mit einem integrierten Drehschieberelement 10. Die Pumpe 5 zeigt dabei einen im Inneren eines Ge­ häuses 11 angeordneten Sammelraum 12 in welchem sich Flüssigkeitsfördermittel 13, welche hier prinzipmäßig als Flügelrad angedeutet sind, bewegen. Die Flüssig­ keitsfördermittel 13 werden dabei von einer Welle 14 angetrieben, so daß sich in dem Sammelraum 12 ein Druck in der geförderten Kühlflüssigkeit aufbaut und die Kühlflüssigkeit über den Druckanschluß 6 zu den Teilkreisläufen 2, 3 und gegebenenfalls zu den in Fig. 1 gestrichelt angedeuteten Teilkreisläufen gelangt. Der Sammelraum 12 wird dabei an der Stelle, an der die Welle 14 in den Sammelraum 12 ragt, über Dichtungsele­ mente 15 bzw. Gleitringdichtungen gegenüber den die Pumpe 5 umgebenden Raum abgedichtet.

Fig. 3 zeigt in einem prinzipmäßigen Längsschnitt ge­ mäß der Linie III-III in Fig. 2 eine Darstellung an­ hand der die Funktionsweise des Drehschieberelements 10 und der Bypassleitung 9 näher erläutert werden soll. In Fig. 3 ist dabei auf die Darstellung der Flüssigkeitsfördermittel 13 sowie der Welle 14 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden.

In Fig. 3 ist erkennbar, daß der Sammelraum 12, wel­ cher bei eingebauter Welle 14 von der Gleitringdich­ tung gegenüber den die Pumpe 5 umgebenden Raum abge­ dichtet wird, von dem Drehschieberelement 10 wenig­ stens teilweise umgeben wird. Der Sammelraum ist, wie bereits in Fig. 2 zu erkennen war, permanent mit dem Druckanschluß 6 verbunden, während, wie dies in Fig. 3 deutlich erkennbar wird, die Sauganschlüsse 8a, 8b und 8c durch das Drehschieberelement 10 steuerbar bzw. re­ gelbar gegenüber dem Sammelraum 12 abgedichtet werden können.

Durch eine Bewegung des Drehschieberelements 10, des­ sen Antriebselemente hier nicht dargestellt sind, je­ doch in an sich bekannter Art und Weise ausgeführt sein können, wird also der saugseitige Zufluß von Kühlflüssigkeit aus den Teilkreisläufen 2, 3 bzw. der Bypassleitung 9 zu dem Sammelraum 12 steuerbar.

In Fig. 3 ist erkennbar, daß die Bypassleitung 9 in das Gehäuse 11 integriert ist und den permanent mit dem Sammelraum 12 verbundenen Druckanschluß 6 mit dem saugseitigen Anschluß 8c verbindet. Außerdem sind die Sauganschlüsse 8a, welcher mit dem Kühlerkreislauf 2 korrespondiert, und 8b, welcher mit dem Kurzschluß­ kreislauf 3 bzw. Motorkreislauf korrespondiert, darge­ stellt. Durch das Drehschieberelement 10 kann nun die Verbindung von dem Sammelraum mit den jeweiligen Sauganschlüssen 8a, 8b, 8c in der Art beeinflußt bzw. gesteuert werden, daß die verschiedensten, insbesonde­ re für den optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine 4 erforderlichen, Verschaltungen der Teilkreisläufe 2, 3 und des Bypasses möglich sind. Dabei kann neben dem reinen Schalten der Teilkreisläufe 2, 3 und die Bypassleitung 9 auch eine Teilöffnung des bzw. der je­ weiligen Sauganschlüsse 8a, 8b, 8c erfolgen, so daß auch eine drosselnde Beeinflussung der über den bzw. die jeweiligen Sauganschlüsse 8a, 8b, 8c geförderten Volumenströme möglich ist.

Die Schaltungen erfolgen dabei je nach Zustand der Brennkraftmaschine, so daß z. B. im Warmlaufbetrieb keine Umwälzung von Kühlmittel erfolgt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

In Fig. 4 ist erkennbar, daß hier auch durch eine Be­ einflussung des Querschnitts des Sauganschlusses 8b eine Beeinflussung des Volumenstroms der in dem Kurz­ schlußkreislauf 3 umgewälzten Kühlflüssigkeit erzielt werden kann.

In Fig. 5 ist dann erkennbar, wie es zu einer vollen Öffnung des Sauganschlusses 8b des Kurzschlußkreislau­ fes 3 kommt, so daß das Kühlmedium lediglich im Inne­ ren der Brennkraftmaschine umgewälzt wird.

Fig. 6 zeigt dann einen Mischbetrieb zwischen dem Kurzschlußkreislauf 3 und dem Kühlerkreislauf 2, so daß ein eingeschränkter Volumenstrom lediglich in der Brennkraftmaschine zirkuliert und ein Teil des Volu­ menstroms der Kühlflüssigkeit bereits über den Kühler, welcher z. B. von Fahrtwind gekühlt werden kann und die Kühlflüssigkeit dann dadurch in ihrer Temperatur ab­ kühlt, erfolgt.

Fig. 7 zeigt eine Schaltmöglichkeit, bei der lediglich der Kühlkreislauf 2 in Betrieb ist.

Diese Schaltungsmöglichkeiten mittels des Drehschiebe­ relements 10 sind daher im Grundprinzip bekannt, bie­ ten jedoch durch die integrierte Ausführung des Dreh­ schieberventils eine sehr effektive Möglichkeit der Verschaltung der einzelnen Teilkreisläufe 2, 3 bei sehr kleinem Bauvolumen der Pumpe 5.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist darüber hinaus zu erkennen, daß jetzt auch die Bypassleitung 9 entsprechend in die Möglichkeiten zur Schaltung einbezogen ist. In Fig. 3 ist, wie bereits erwähnt, ein Betrieb dargestellt, in welchem die Pumpe 5 läuft, ohne mit einem der Saugan­ schlüsse 8a, 8b verbunden zu sein. Würde an dieser Stelle die Bypassleitung 9 nicht existieren, würden die Flüssigkeitsfördermittel 13 kavitieren und die Wärmeabfuhr an der Gleitringdichtung der Welle 14 wür­ de nicht mehr gewährleistet werden. Dadurch würde sich die Gleitringdichtung aufgrund der weiterhin erfolgen­ den Bewegung der Flüssigkeitsfördermittel 13 und der Welle 14 durch die Reibung an der Welle 14 stark er­ hitzen und könnten dabei Schaden nehmen. Durch die Bypassleitung 9 ist man in der Lage, dies zu verhin­ dern, da hier praktisch ein weiterer pumpeninterner Teilkreislauf über die Bypassleitung 9 geschaffen wor­ den ist, welcher nun sicherstellt, daß der Sammelraum 12 durch eine pumpeninterne Umwälzung der Kühlflüssig­ keit durchgehend mit Kühlflüssigkeit versorgt ist und somit auch die Kühlung und insbesondere die Schmierung der Gleitringdichtungen der Welle 14 zu allen Zeit­ punkten des Betriebs sichergestellt werden kann.

Fig. 4 zeigt nun einen Betrieb, bei welchem der Kurz­ schlußkreislauf über den Sauganschluß 8b teilweise ge­ öffnet und dabei in Betrieb ist. Auch hier ist es sinnvoll, zur ausreichenden Versorgung des Sammelraums und damit zum Benetzen der Gleitringdichtungen mit Kühlflüssigkeit die Bypassleitung 9 mit ihrem Saugan­ schluß 8c zumindest teilweise zu öffnen, um so die durchgehende Versorgung des Sammelraums 12 mit Kühl­ flüssigkeit sicherzustellen.

Fig. 5 bis Fig. 7 zeigen dann wieder die an sich be­ kannten Schaltungen und Mischzustände der Teilkreis­ läufe 2, 3, bei denen auf das Einbeziehen der Bypassleitung 9 verzichtet werden kann.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Umwälzen von Kühlflüssigkeit und Steuerung von Kühlmittelströmen eines Kühlsystems (1), insbesondere des Kühlsystems (1) einer Brenn­ kraftmaschine (4), mit wenigstens zwei Teilkreis­ läufen (2, 3), mit den nachfolgenden Merkmalen:

• 1. 1.1 einer Pumpe (5), welche wenigstens einen Druckanschluß (6) und wenigstens zwei mit den Teilkreisläufen (2, 3) verbundene Sauganschlüs­ se (8a, 8b) aufweist;
• 2. 1.2 einem Drehschieberelement (10) zur Steuerung oder Regelung des Kühlmittelstroms der Teil­ kreisläufe (2, 3);
• 3. 1.3 einem Sammelraum (12) in einem Gehäuse (11) der Pumpe (5), welcher Flüssigkeitsfördermit­ tel (13) enthält, die durch eine Welle (14) angetrieben werden, welche durch das Gehäuse (11) hindurchgeführt und gegenüber diesem durch Dichtungselemente (15) abgedichtet ist;
• 4. 1.4 der Druckanschluß (6) mit dem Sammelraum (12) der Pumpe (5) permanent verbunden ist;
• 5. 1.5 das Drehschieberelement (10) in die Pumpe (5) integriert ist;
• 6. 1.6 das Drehschieberelement (10) den Sammelraum (12) umgibt;
• 7. 1.7 die wenigstens zwei Sauganschlüsse (8a, 8b) ge­ genüber dem Sammelraum (12) mit dem Drehschie­ berelement (10) jeweils wenigstens ganz oder teilweise verschließbar sind;
• 8. 1.8 die Pumpe (5) eine Bypassleitung (9) von dem Druckanschluß (6) zu dem Sammelraum (12) auf­ weist; und
• 9. 1.9 durch das Drehschieberelement (10) die Bypass­ leitung (9) ganz oder teilweise verschließbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Drehschieberelement (10) in der Art ausgebil­ det ist, daß wenigstens folgende Schaltungen ein­ stellbar sind:

• 1. 2.1 eine Verbindung des Sammelraums (12) aus­ schließlich mit jeweils einem der Teilkreis­ läufe (2, 3);
• 2. 2.2 eine Verbindung des Sammelraums (12) mit je­ weils einem Teil eines der Teilkreisläufe (2, 3);
• 3. 2.3 eine Verbindung des Sammelraums (12) mit je­ weils einem Teil von jeweils wenigstens zwei der Teilkreisläufe (2, 3); und
• 4. 2.4 eine Verbindung des Sammelraums (12) aus­ schließlich mit der Bypassleitung (9).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungselemente (15) der Pumpe (5) als Glei­ tringdichtungen ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsfördermittel (13) als Flügelrad ausgebildet sind, wobei das Flügelrad auf der Wel­ le (14) angeordnet ist.