可调节的冷却剂泵及其调节方法 【技术领域】
本发明涉及内燃机用的一种通过皮带轮传动的可调节的冷却剂泵及其调节方法。 背景技术 在内燃机的不断的最佳化的过程中，出于排放和油耗的考虑，必需使发动机在 冷启动后尽快升到工作温度。 这样既可使摩擦损耗降到最小 ( 发动机油的粘度随不断增 加的油温而减小并由此减小全部油润滑部件上的摩擦 )，同时又减少废气排放值 ( 因为净 化器只有在所谓 “跳动温度” 后才起作用，达到这个温度之前的时间段对废气排放影响 明显 ) 和明显降低油耗。
发动机研发过程中的一系列试验表明， “死水” 或冷启动阶段的 “零泄漏” 是 对发动机升温的很有效的措施。
其中为了使废气温度尽快降到要求的水平，气缸头在冷启动阶段切不可有冷却剂流过。 对此，要求汽车制造厂的泄漏流量应小于 0.5 升 / 小时 ( “零泄漏” )。
此外，汽车内燃机的油耗试验表明，通过协调一致的热管理 ( 即通过采取可使 内燃机在能源和热机方面达到最佳运行的各种措施 )，可使内燃机节省 3 ％至 5 ％的燃 油。
所以在现有技术中，对内燃机的曲轴通过皮带轮传动的可调冷却剂泵也预先作 了说明，其叶轮可啮合地 ( 例如通过摩擦副 ) 由泵轴进行传动。
用这类冷却剂泵可实现简单的两点调节，用这种两点调节可改变冷却剂泵的冷 却能力。
为了首先进行较短时间的发动机加热，在发动机冷启动时用这种结构型式可断 开冷却剂泵的传动。
在发动机达到它的工作温度后，相应的摩擦离合器 ( 带有这种离合器结构自身 功能引起的磨损问题 ) 接通，也即冷却剂泵的传动接通。
这样，大量仍为冷态的冷却剂立即被泵入加热到工作温度的发动机中，于是发 动机立刻被强制冷却。
但通过这种方式已部分地抵销了发动机快速加热所预期的一些优点。
此外，在重接通时，尤指在较大冷却剂泵的情况下，由于需要质量加速而必需 克服很大的转矩，从而必然引起很高的部件载荷。
所以专利申请者既在 DE 10 2005 004 315 B4 又在 DE 10 2005 062200 B3 中提出两 个在此期间适用的解决方案，该方案可有效控制冷却剂输送量，以便一方面通过 “零泄 漏” 保证发动机的最佳加热，另一方面在发动机加热后 ( 即在 “连续运行” 中 ) 这样影 响发动机温度，使在发动机的整个工作范围内既可明显减少有害物质排放，又可明显减 少摩擦损失，同时还可显著降低油耗。
在这种解决方案中，在泵壳内布置了一个沿泵轴的轴线移动支承的、带有一个 可变遮盖叶轮的流出区的外圆柱的环形滑阀，该滑阀在克服复位弹簧的弹力的情况下或 者像 DE 10 2005 004 315 B4 提出的方案那样以电磁方式即借助泵壳内布置的电磁线圈作 用到一个与滑阀刚性连接的衔铁上而可直线移动，或者像 DE 10 2005 062 200 B3 建议的 方案那样借助气动或液压操作的执行器 ( 该执行器以液压方式作用到固定布置在该滑阀 上的、在泵壳内导向的活塞杆上 ) 而可直线移动。
这种可进行直线导向移动的、可变遮盖叶轮流出区的滑阀结构是很紧凑、很简 单而又很牢固的解决方案，它保证了高的运行安全性和高的可靠性。
但这类解决方案的缺点 ( 与汽车发动机舱中常常为冷却剂泵提供极有限的安装 空间有关 ) 是由于电磁线圈或液压或气动执行器及其连接线而必需相当大的 “安装空 间”。
此外， DE 10 2006 034 960 B4 提出了一种带有一个 ( 与 DE 10 2005004 315 B4) 电磁的或还带有一个通过传动机构借助伺服电动机可移动的滑阀的冷却剂泵。 这种结构 的一大缺点是，用 DE 10 2006 034 960 B4 提出的这种解决方案不可能实现 “零泄漏” 或 “零输送”，因为一方面所建议的小缝隙密封仍有可能泄漏，另一方面结合图 4 所述的 “一起运动的” O 型密封圈的密封是不可靠的，因为在不断旋转的 O 型密封圈和静止的 壳体之间的高的相对速度在运行中不可避免地会导致 O 型密封圈的损坏。
DE 10 2006 034 960 B4 的上述两种结构型式像已述及的那样又是一方面由于电 磁线圈的电磁方案和另一方面由于伺服电动机的 “传动技术” 方案而需要相当大的 “安 装空间”。
由于电磁方案要使泵壳纳入磁路中，所以对每种结构型式和规格即对发动机的 每种使用场合都必须重新修改设计和更改部件。
DE 10 2006 034 960 B4 提出的对滑阀的电磁式直接传动的另一个缺点在于，这 种传动由于安装空间限制和大的 / 或由于大的起始空隙而只可能以有限的可靠性对滑阀 的可靠操作施加足够的力 / 行程。
此外， DE 10 2005 004 315 B4、 DE 10 2005 062 200 B3 和 DE 10 2006034 960 B4 提出的结构型式的制造和安装费用都很昂贵，而且不能实现标准化，因为如已述及，上 述解决方案的大部分功能部件对每种泵规格都必须按不同的设计图纸单独进行加工。
此外，其中 DE 10 2005 062 200 B3 提出的解决方案需要在工厂就地进行无空气 的注液。
DE 197 09 484 A1 提出了机械传动的冷却剂泵的另一种结构型式。这种方案通过 扩大敞开的叶轮和壳体之间的缝隙产生旁路。 该缝隙在 DE 197 09 484 A1 提出的解决方 案的情况下可借助电磁铁来进行改变，而电磁铁的相关控制则借助脉冲宽度调制的电压 来进行。
这种解决方案也存在明显的缺点 ：用 DE 197 09 484 A1 提出的解决方案绝对不 可能实现零泄漏即零输送量 ；此外即使在打开旁路时也不可能明显减少泵的功率消耗 ( 虽然泵的背压在打开旁路时下降了，但增加了体积流量 )，也就是说这个解决方案只可 能实现低的效率。发明内容 所以本发明的目的在于研发内燃机用的一种可调节的冷却剂泵以及这种通过皮 带轮传动的 ( 用滑阀 ) 可调节的冷却剂泵的调节方法，这种冷却剂泵消除了现有技术的上 述诸多缺点，一方面通过 “零泄漏” 保证了发动机的最佳的加热，另一方面在发动机加 热后又能在连续运行中很精确地控制发动机温度，使发动机的整个工作范围既可明显减 少有害物质排放又可明显降低摩擦损失和油耗 ；此外即使在发动机舱内的冷却剂泵很有 限的安装空间的情况下仍可进行滑阀的可靠操作以及即使在调节失效时也能保证冷却剂 泵的继续工作 ( 故障安全功能 ) ；此外，其特点为加工和安装工艺很简单的、很经济的、 对不同泵尺寸可实现 “标准化的”、最佳利用发动机舱存在的安装空间的结构型式，而 且不需要在工厂就地进行无空气的注液 ；此外总是在高效率情况下保证高的安全性和可 靠性，而且还可简便而经济地进行发动机管理。
根据本发明，这个目的是通过按照本发明独立权利要求所述特征的内燃机用的 一种由皮带轮传动的冷却剂泵的调节装置和方法来实现的。
本发明的诸多有利实施细节和特征可从各项从属权利要求中以及从结合本发明 解决方案的附图进行的本发明解决方案的以下说明中得知。
附图说明 图 1 示出了可调节冷却剂泵的侧视剖面图，滑阀的位置位于其后终端位置内 ( 即 “开启” 工作位置内 )。
具体实施方式
在这种结构型式时，一根由皮带轮 3 传动的泵轴 4 与一个抗扭地布置在该泵轴 4 的流体侧的自由端上的叶轮 5 布置在泵壳 1 的泵轴承 2 中。
此外，在泵内腔 8 中，布置了一个压力操作的、通过一个复位弹簧 6 进行弹簧加 载的、带有一个后壁 7 和一个可变覆盖叶轮 5 流出区的外圆柱面 9 的滑阀。
在泵壳 1 内，在叶轮 5 和泵轴承 2 之间的密封槽 10 内布置了一个轴密封圈 11。
根据本发明，在泵壳 1 上布置了一个工作壳体 12，并在该工作壳体上布置电磁 执行器 13 的壳体。 其中在工作壳体 12 内布置了一个工作套筒 14，后者在泵轴侧的工作 壳体 12 内与压力室 15 相邻，而该压力室则通过压力通道 16 流入环形通道 17 中，后者在 叶轮侧对面的密封槽 10 内旋转对称于泵轴 4 的旋转轴线布置在泵壳 1 的套筒槽 18 中。
就这点而言，执行器 13 的壳体与工作套筒 14 用一块料制成，乃是有利的。
在套筒槽 18 中布置一个带有密封片 20 和底部 21 的环形活塞工作套筒 19，且泵 轴 4 可在其中自由旋转，也是本发明的重要特征。
在环形活塞工作套筒 19 的外壁 22 内，靠近底部 21 设置有流向环形通道 18 的通 流孔 23。
在环形活塞工作套筒 19 的叶轮侧端，在明显伸出环形活塞工作套筒 19 的外壁 22 的环形活塞工作套筒 19 的内壁 24 上，定位套 25 以力连接的方式与一块刚性布置其上的 壁板 26 固定。
另一个特征是，离环形活塞工作套筒 19 的底部 21 大约相当于通流孔 23 直径的距离处，布置有一个可在环形活塞工作套筒 19 中移动的异形密封圈 27，后者在叶轮侧以 形状连接的方式与一个带有支撑部 28 的环形活塞 29 连接。 在环形活塞 29 上，滑阀的后 壁 7 以形状连接方式布置在其叶轮侧的端部。
就这点而言，如果异形密封圈 27 嵌入一个对应的并设置在环形活塞 29 上的锁定 槽中乃是有利的。 但如果在密封片 20 和泵壳 1 之间布置一个密封圈也是有利的。
根据本发明，复位弹簧 6 布置在壁板 26 和紧贴环形活塞 29 的滑阀的后壁 7 之 间。
又一个特征是，在壁板 26 的外缘上布置了一个带有弹性密封唇的旁通密封件 30，该密封件在 “关闭” 滑阀的情况下阻止了在壁板 26 和滑阀的后壁 7 之间引起旁通泄 漏的压力增加。
按本发明设置带有弹性密封唇的旁通密封件 30 同时实现了公差补偿。
在外柱面 9 的端面和对应的对接面之间，保证了螺旋壳体中的主要密封。
两个上述密封位置与滑阀共同作用可最佳地实现本发明解决方案的主要要求即 在最小功率消耗情况下 “零泄漏”( 零输送 ) 的功能，以便在需要时在发动机热运转阶段 运转安全地和可靠地安全停止冷却剂体积流量。 按本发明布置的圆柱形的在环形活塞工作套筒 19 中导向的、弹簧加载的环形活 塞 29 可通过异形密封件 27 的确切的加压实现滑阀 9 的可靠的、行程精确的移动，并同时 是一种最佳安装空间的、紧凑的加工和安装工艺简单的以及经济而很耐用的解决方案， 这种解决方案总是能够保证高度的运行安全性和可靠性。
本发明的主要特征还有，在工作套筒 14 中靠近压力室 15 布置了一个工作室 31， 并在工作室 31 和压力室 15 之间布置了一个带有孔板的排放阀膜 32。
根据本发明，在工作室 31 中布置了一个可在活塞杆 33 上进行直线移动的工作活 塞 34。 在这个工作活塞 34 旁边，在工作室一侧布置了一个带有贯通孔 36 的环形槽 35。 此外，靠近环形槽 35 在工作室一侧在工作活塞 34 上固定了一个布置在工作活塞 34 上的 带有孔板的入口阀膜 37。
在工作套筒 14 上，在工作管 31 对面布置了一个压缩弹簧装置 38，也是特征之 一。
根据本发明，在工作室 31 和压缩弹簧装置 38 之间布置了一个包封住活塞杆 33 的密封件 39。
本发明的又一个主要特征为，在工作室 31 和密封件 39 之间在工作套筒 14 内布 置了一个流入腔 40，该腔的壁设置有流入孔 41，该孔流入一个设置在工作壳体 12 和工作 套筒 14 之间的环形腔 43 中，后者通过一个或多个流入孔 42 与泵内腔 8 连通。
又一个特征是，在环形腔 43 和流入孔 41 之间布置了一过滤元件 44。
根据本发明，在工作活塞 34 对面的活塞杆 33 的端部布置了一个衔铁 45，该衔铁 可在一个布置在执行器 13 外壳中的线圈架上的电磁线圈 46 的磁场内在执行器 13 中进行 直线移动。
另一个特征是，在布置在工作套筒 14 上的压缩弹簧装置 38 和布置在衔铁 45 上 的簧座 47 之间在弹簧室 48 内布置了一个压缩弹簧 49。
如果在靠近衔铁 45 的执行器 13 中布置一个最好带有一个或多个缓冲元件的衔铁
挡块 50，乃是有利的。
根据本发明，在执行器 13 的外壳中布置了一个引入弹簧室 48 区域的流入孔 51， 并在衔铁 45、在衔铁挡块 50 和在执行器 13 的外壳中分别布置了相邻的 / 相互过渡的流出 孔 52。
由于活塞杆密封件 39 以一个 ( “干的” ) 充满空气的区段隔离了操作装置的控 制冷却剂的区域，流入孔 51 和流出孔 52 可与周围进行自由的气体交换，从而保证了在电 磁线圈 46 区域内的衔铁 45 的摩擦小的平移运动。
在这种情况下，活塞杆的相对小的直径再次减少了活塞杆密封件 39 区域内的活 塞杆上的摩擦损失。
影响上述图 1 中所示的可调节冷却剂泵的输送量的本发明方法的特征为 ：通过 电流强度和 / 或加到电磁线圈上的电流脉冲的持续时间的改变，使在磁场 46 中作用到衔 铁 45 上的力改变，从而结合压缩弹簧 49 作用到衔铁 45 上而可确切地改变工作活塞 34 的 振荡频率和 / 或振荡幅度 ( 振幅 ) ；工作活塞 34 借助布置在活塞杆 33 对应端上的衔铁 45 在电磁线圈 46 的磁场内产生重复的 ( 周期性的 ) 移动，并处于确切的平移振荡状态中。
这种电磁操作结合本发明的装置实现了按许多小的 “分行程” 减少的 “泵输送 量”，这种泵输送量由于本发明的特殊装置便可引起滑阀及其外圆柱面 9 和布置其上的组 件产生移动。 所以本发明的工作原理第一次在最小装配空间、很小重量、最佳气隙和最佳力 和行程比的情况下借助本发明的特别装置保证在滑阀及其异形密封件 27、环形活塞 29、 后壁 7、外圆柱面 9 和全部在其上布置的本发明组件上达到任意大的操作力和工作行程。
在本实施例中，工作活塞 34 例如以 20 赫兹频率进行振荡，在这种情况下，带有 图 1 所示装置的相应振幅 ( 和工作活塞 34 的行程 ) 借助于在电磁线圈 46 上脉动式施加的 电流即可确切地发生变化。
根据本发明，本发明冷却剂泵的输送量的调节是这样实现的 ：一方面在工作室 一侧在工作活塞 34 上设置了一个带有通孔 36 的环形槽 35，此外如图 1 所示，在工作室一 侧在工作活塞 34 上又布置了一个带孔板的阀膜 37。
另一方面，同时在工作室 31 和压力室 15 之间布置了一个带孔板的排放阀膜 32。 如果这时工作活塞 34( 如上所述 ) 处于振荡状态，则冷却剂从通过进入孔 42 与泵内腔 8 连通的环形腔 43 中通过过滤元件 44 经流入孔 41 被吸入流入腔 40，并同时通过工作活塞 34 的通孔 36 被压入设置在该工作活塞上的环形槽 35 中，并从该处经带有孔板的入口阀膜 37 被压入工作室 31 中，然后再从该处经带有孔板的排出阀膜 32 被引入压力室 15 中。
被引入压力室 15 的冷却剂经压力通道 16 被引入环形通道 17，并从该处经通流孔 23 流入环形活塞工作套筒 19，并在该处引起异形密封件 27 的规定的压力加载以及弹簧加 载的环形活塞 29 的压力加载，于是该环形活塞产生平移运动并由于本发明的装置而引起 滑阀 9 的移动。
由于孔板的本发明布置方式，既在工作活塞 34 的入孔阀膜 37 又在排出阀膜 32( 即在工作室 31 和压力室 15 之间 ) 出现一股除了刚才所述的、来自工作活塞 34 的本发 明 “泵送体积流量” 外，同时还在环形活塞工作套筒 19 之间有一股虽然很小的、但总是 反向流动的本发明 “泄漏体积流量” 经工作腔 31 流入泵内腔中。
这两股本发明体积流量的叠加 “相互作用” 可通过工作活塞 34 的振荡幅度和 / 或振荡频率借助本发明解决方案进行改变，由于在压力室 15 中总是有工作压力，这种相 互作用便可引起按本发明布置在环形活塞工作套筒 19 中的弹簧加载的环形活塞 29 的可靠 的、行程精确的移动并由此引起在环形活塞 29 上布置的滑阀 9 的可靠的、行程精确的移 动，而该滑阀则实现本发明可调冷却剂泵的输送量的精确变化。
在这种情况下，通过本发明装置即可在滑阀的环形活塞 29 上产生任意大的操作 力和操作行程。
此外，由于本发明操作机构，即使在安装空间很有限的情况下也可用极小的能 量为滑阀的操作提供足够的活塞力。
这也与在冷却循环中容许持续几秒钟直至滑阀达到所处的位置为止有关。
由于这个原因，易于实现标准化的、制造成本低廉的本发明解决方案在能耗极 小 ( 低于 5 瓦 ) 的情况下即可保证高的泵效率和发动机效率。
本发明的 “中性的” 结构型式使本发明的执行器 13 可作为标准化部件用于各种 水泵中。
由此带来的产品效应就可决定性地改善不同汽车 ( 发动机系列 ) 在各式各样安装 空间的应用中的经济性和可变性。
本发明操作机构由于一股 “泵送流量” 和一股 “泄漏流量” 的叠加而成为一个 结构容积最佳的、紧凑的、制造和安装工艺简单的以及总的来说很经济和很耐用的解决 方案，所以即使在 ( 冷却剂泵的操作机构的 ) 安装空间很有限的情况下也可实现滑阀的可 靠操作。
在调节失效时，也能借助本发明方案保证冷却剂泵的继续工作 ( “故障安全功 能 )。
在这种情况下，和 “泄漏流量” 有关的压缩弹簧 6 便把滑阀推入工作位置 “开 启”。
在环形活塞 29 被弹簧加载 “返回” 到 “故障安全位置” 时，冷却剂从环形活 塞工作套筒 19 经排放阀膜 32 的孔板 ( 即在工作室 31 和压力室 15 之间 ) 并经工作活塞的 入口阀膜 37 的孔板被压回到泵内腔中，于是滑阀移到工作位置 “开启”，即 “故障安全 位置”。
此外，本发明解决方案不需要滑阀的操作机构在工厂现场进行无空气的注水， 因为滑阀移动时所需的工作介质即冷却液可直接从泵内腔中吸取。
本发明解决方案还有一个优点，那就是过滤元件 44 在整个使用寿命过程中都无 需进行更换，这是因为始终只有很小的体积流量 ( 且其总是只 “来” 随即 “回” ) 经过 滤元件 44 进行交换的缘故。
附图标记
1 泵壳 31 工作室
2 泵轴承 32 排出阀膜
3 皮带轮 33 活塞杆
4 泵轴 34 工作活塞
5 叶轮 35 环形槽6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30复位弹簧 36 通孔 后壁 37 入口阀膜 泵内腔 38 压缩弹簧装置 外圆柱面 39 活塞杆密封件 密封槽 40 流入腔 轴密封圈 41 流入孔 工作壳体 42 入孔 执行器 43 环形腔 工作套筒 44 过滤元件 压力室 45 衔铁 压力通道 46 电磁线圈 环形通道 47 弹簧座 套筒槽 48 弹簧室 环形活塞工作套筒 49 压缩弹簧 密封片 50 衔铁挡块 底部 51 外壁 52 通流孔 内壁 定位套 壁板 异形密封圈 密封片支撑部 环形活塞 旁通密封 流入孔 流出孔