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Die
Erfindung betrifft eine mehrstufige Pumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Zweistufige
Pumpen werden beispielsweise eingesetzt, wenn ein hoher Förderdruck
erreicht werden muss. Dabei sind im Prinzip zwei Pumpen in Reihe
hintereinander geschaltet, so dass sich die Teilförderdrücke der
beiden Stufen addieren. Derartige zweistufige Pumpen werden beispielsweise
in der Automobiltechnik bei Common-Rail-Systemen eingesetzt, bei
denen ein sehr hoher Einspritzdruck aufgebracht werden muss. Dabei
wird der Kraftstoff über eine
Vorförderpumpe
mit vergleichsweise geringem Druck beaufschlagt und dann über eine
in Reihe geschaltete Hochdruckpumpe auf den Common-Rail-Druck gebracht. Eine
derartige Pumpenanordnung ist beispielsweise aus der
DE 199 06 626 A1 bekannt.
Nachteilig bei derartigen Lösungen
ist, dass die gegen einen hohen Druck fördernde Pumpe in der zweiten
Stufe einen sehr guten volumetrischen Wirkungsgrad aufweisen muss
und eine entsprechend hochwertige teure Pumpe vorzusehen ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind auch Systeme bekannt, bei denen in dem
Fall, in dem ein hoher Fördervolumenstrom
bei vergleichsweise geringem Druck aufgebracht werden muss, die
beiden Pumpenstufen parallel geschaltet sind, so dass die Fördervolumina
beider Pumpen summiert werden. Üblicher
Weise werden für
eine derartige Aufgabenstellung zwei Pumpen mit gleichem Fördervolumen
eingesetzt. Werden diese zum Aufbringen eines hohen Förderdruckes
hintereinander geschaltet, so stellt sich die gleiche Problematik
wie bei den Common-Rail-Systemen: zumindest die hochdruckseitige Pumpe
muss qualitativ hochwertig ausgeführt sein.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige Pumpenanordnung zu
schaffen, mit der bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand
ein hoher Druck oder eine hoher Fördervolumenstrom erzeugt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine mehrstufige Pumpenanordnung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß sind eine
erste und eine zweite Pumpe vorgesehen, die zum Einstellen eines hohen
Druckmittelvolumenstroms parallel schaltbar sind. Die Pumpenanordnung
hat des Weiteren eine dritte Pumpe, die zur Einstellung eines hohen
Volumenstroms parallel zu den beiden anderen Pumpen betrieben wird,
so dass alle drei Pumpen Druckmittel in eine gemeinsame Verbraucherleitung
fördern.
Zur Hochdruckförderung
kann der Sauganschluss der zweiten Pumpe mit dem Druckanschluss
der ersten Pumpe und der Druckanschluss der dritten Pumpe mit einem
Tank verbunden werden, so dass der Hochdruck lediglich durch die
beiden erst genannten, in Reihe geschalteten Pumpen aufgebracht
wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Pumpenanordnung
und die Zusammenschaltung über
eine Ventilanordnung können
die drei Pumpen somit auf äußerst einfache
Weise geschaltet werden, um Hochdruck aufzubauen oder einen hohen
Fördervolumenstrom bereit
zu stellen. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
im Hinblick auf den Volumenstrom und den Förderdruck wesentlich flexibler
an die unterschiedlichen Anforderungen anpassen, wobei vergleichsweise
kleine Pumpen eingesetzt werden können und somit der vorrichtungstechnische
Aufwand gegenüber den
eingangs genannten Lösungen
minimal ist.
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Erfindungsgemäß wird es
bevorzugt, wenn die zweite, den Hochdruck bereitstellende Pumpe
mit einem geringeren Fördervolumen
als die beiden anderen Pumpen ausgeführt ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Lösung sind
die erste und die dritte Pumpe integral ausgeführt.
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Eine
derartige Konstruktion lässt
sich besonders einfach bei einer Innenzahnradpumpe mit einem Sauganschluss
und zwei Druckanschlüssen
realisieren. Dabei wird aus Kostengründen vorzugsweise ein Gerotor-Verdränger verwendet.
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Die
zu einem Tank führende
Tankleitung der Pumpenanordnung ist vorzugsweise über ein
Vorspannventil vorgespannt, wobei parallel zu diesem Vorspannventil
ein Saugventil angeordnet ist.
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Der
vorrichtungstechnische Aufwand lässt sich
weiter verringern, wenn Vorspannventil und Saugventil zu einer Rückschlagventilanordnung
zusammengefasst sind, wobei ein Schließkörper des Vorspannventils gegen
einen Sitz in einem Ventilglied des Saugventils vorgespannt ist.
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Der
Aufbau der Pumpenanordnung ist besonders einfach, wenn die zweite
Pumpe ebenfalls als Gerotorpumpe ausgeführt ist und alle drei Pumpen
von einer gemeinsamen Pumpenwelle angetrieben werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Ventilanordnung mit zwei Druckanschlüssen, einem Sauganschluss,
zwei Verbraucheranschlüssen
sowie einem Tankanschluss ausgeführt.
Ein erster Druckanschluss ist mit dem Druckanschluss der ersten
Pumpe, der zweite Druckanschluss mit dem Druckanschluss der dritten
Pumpe und der Sauganschluss der Ventilanordnung mit dem Niederdruck- oder
Sauganschluss der zweiten Pumpe verbunden. Der Druckanschluss der
zweiten, vorzugsweise kleineren Pumpe, ist direkt an eine zum Verbraucher
führende
Verbraucherleitung angeschlossen.
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Der
Ventilschieber kann so ausgeführt
sein, dass er zur Einstellung des hohen Volumenstroms den ersten
Druckanschluss der Ventilanordnung mit einem Verbraucheranschluss,
den Tankanschluss mit dem Niederdruckanschluss und den zweiten Druckanschluss
mit dem zweiten Verbraucheranschluss verbindet.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Schaubild einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung
mit drei Stufen;
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2 eine
Ventilanordnung der Pumpenanordnung gemäß 1;
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3 die
Pumpenanordnung aus 1 bei Hochdruckförderung
und
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4 ein
Ausführungsbeispiel
für ein
kombiniertes Vorspann- und Saugventil der Pumpenanordnung gemäß 1.
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Gemäß dem in 1 dargestellten
Schaubild hat die Pumpenanordnung 1 drei Pumpen 2, 4, 6, wobei
eine erste und eine dritte Pumpe 2, 4 durch eine
Gerotor- oder Zahnringpumpe mit einem gemeinsamen Rotor 8 ausgeführt ist.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die zweite Pumpe 6 ebenfalls als Gerotorpumpe ausgebildet,
wobei deren Fördervolumen
kleiner ist als dasjenige der vorgenannten ersten und dritten Pumpe 2, 4.
Selbstverständlich
können
auch andere Pumpenkonstruktionen eingesetzt werden.
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Das
Gerotorprinzip ist an sich bekannt, so dass hier nur die zum Verständnis der
Erfindung wesentlichen Erläuterungen
gemacht werden. Der Rotor 8 der integralen Gerotorpumpe
ist exzentrisch zu einem feststehenden Verdrängerring 10 auf einer Welle 11 gelagert,
wobei im Verdrängerring 10 und am
Rotor 8 eine Verzahnung, beispielsweise eine Zykloidenverzahnung
ausgebildet ist. Der Rotor 8 hat dabei einen Zahn weniger
als der Verdrängerring 10, so
dass sich bei der Drehung des Rotors 8 im Verdrängerring 10 zwischen
den dichtend aneinander liegenden Zahnflankenbereichen jeweils Kammern 12 ausbilden,
die sich ausgehend von dem oberen Zahn gemäß 1 bei einer
Drehung entgegen des Uhrzeigersinns zunächst kontinuierlich vergrößern (Saugseite)
und dann nach einem Drehwinkel von 180° verkleinern (Druckseite). Der
Saugseite ist eine sich über
einen weiten Winkelbereich erstreckende Saugniere 14 zugeordnet,
die in Druckmittelverbindung mit den Kammern 12 der Saugseite
steht.
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Druckseitig
sind eine der ersten Pumpe 2 zugeordnete Druckniere 16 und
eine der dritten Pumpe 4 zugeordnete Druckniere 18 vorgesehen.
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Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die zweite Pumpe 6 von der gleichen Welle 11 angetrieben,
so dass die Pumpenanordnung 1 sehr kompakt in einem gemeinsamen
Gehäuse
ausgebildet werden kann. Die zweite Pumpe 6 ist mit einem
kleineren Fördervolumen
ausgeführt,
so dass höhere Drücke aufgebracht
werden können
als bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel. Dies lässt sich beispielsweise
dadurch bewirken, dass der Rotor 20 und der Verdrängerring 22 mit
einem kleineren Durchmesser ausgeführt sind, so dass entsprechend die
Volumenänderung
der Kammern 24 geringer ist.
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Saugseitig
ist bei der zweiten Pumpe 6 eine Saugniere 26 und
druckseitig eine Druckniere 28 vorgesehen, die mit den
Kammern 24 der Saugseite bzw. der Druckseite verbunden
sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist die Saugniere 26 über
eine Tankleitung 29 und eine Rückschlagventilanordnung 30 mit
einem Tank 31 verbunden. Die Druckmittelverbindung der drei
Pumpen 2, 4, 6 zueinander und zu einer
zu einem nicht dargestellten Verbraucher führenden Verbraucherleitung 32 wird über eine
Ventilanordnung 34 gesteuert, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel
durch ein Ventil mit einem Ventilschieber 36 ausgebildet
ist.
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Einzelheiten
der Ventilanordnung 34 werden im Folgenden anhand 2 erläutert. Die
Ventilanordnung ist mit zwei Druckanschlüssen P1, P2, einem Sauganschluss
S, einem Tankanschluss T sowie mit zwei Verbraucheranschlüssen A und
B ausgeführt.
Der Ventilschieber 36 ist in einer Ventilbohrung 38 eines
Ventilgehäuses
geführt
und hat zwei endseitige Endbunde 40, 42 und zwei
dazwischen liegende Steuerbunde 44, 46. Die Ringstirnflächen der
Bunde bilden jeweils Steuerkanten 50, 52, 54, 56 bzw. 58 aus, über die
die Druckmittelverteilung zwischen den Anschlüssen steuerbar ist.
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Die
Ventilbohrung 38 ist in Radialrichtung zu drei Ringräumen 60, 62, 64 erweitert,
wobei der Verbraucheranschluss A in den links von dem Ringraum 60 gelegenen
und vom Endbund 40 begrenzten Teil der Ventilbohrung 38 einmündet. Der
andere Verbraucheranschluss B mündet
in den rechten Ringraum 64, der Druckanschluss P2 in den
sich links an den Ringraum 64 anschließenden Teil der Ventilbohrung 38,
der von dem Ringbund 46 begrenzt ist. Der andere Druckanschluss
P1 mündet
in den Ringraum 60 ein. Der mittlere Ringraum 62 ist
mit dem Sauganschluss S verbunden. Der Tankanschluss T mündet in
den vom Ringbund 44 begrenzten und links vom Ringraum 62 gelegenen
Bereich der Ventilbohrung 38 ein.
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Der
Ventilschieber 36 ist über
eine Federanordnung in eine Grundstellung vorgespannt – diese ist
in den 1 und 2 dargestellt. Die Grundposition
ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die beiden Verbraucheranschlüsse A, B
gegenüber
den Druckanschlüssen
P1 und P2 geöffnet
sind. Der Ventilschieber 36 lässt sich mechanisch, hydraulisch oder
elektrisch aus seiner Grundposition bewegen, um die Pumpenanordnung
so zusammen zu schalten, dass ein Verbraucher mit Hochdruck (geringer Druckmittelvolumenstrom)
oder hohem Druckmittelvolumenstrom (niedriger Druck) beaufschlagt
ist.
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Gemäß 1 ist
der Druckanschluss P1 über
eine Druckleitung 66 mit der Druckniere 18 und der
Druckanschluss P2 über
eine weitere Druckleitung 68 mit der Druckniere 16 der
ersten Pumpe 2 verbunden. Der Sauganschluss S steht über eine Saugleitung 70 mit
der Saugniere 26 der zweiten Pumpe 6 in Verbindung.
Die beiden Arbeitsanschlüsse
A, B münden
in die gemeinsame Verbraucherleitung 32 ein. Der Tankanschluss
T ist mit der Tankleitung 29 verbunden. Die Saugniere 14 ist
ebenfalls mit dem Tank 31 verbunden.
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Bei
einem vergleichsweise geringem Förderdruck
befindet sich der Ventilschieber 36 in der in den 1 und 2 gezeigten
Position. In dieser Position des Ventilschiebers 36 ist über die
Steuerkante 50 die Druckmittelverbindung zwischen dem Verbraucheranschluss
A und dem Druckanschluss P1 aufgesteuert. Der Tankanschluss T ist über die
Steuerkante 54 mit dem Ringraum 62 und damit mit
dem Sauganschluss S verbunden, während über die
Steuerkante 58 die Verbindung vom weiteren Druckanschluss
P2 zum Ringraum 64 und damit zum Verbraucheranschluss B
geöffnet
ist.
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Die
Rückschlagventilanordnung 30 ist
gemäß 1 durch
ein Saugventil 72 und ein parallel dazu geschaltetes Vorspannventil 74 ausgebildet,
die parallel in die Tankleitung 29 geschaltet sind. Über das
Vorspannventil 74 wird der Druck in der Tankleitung 29 auf
einen zur Federkraft des Vorspannventils 74 äquivalenten
Wert vorgespannt.
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In
der in 1 dargestellten Schaltposition des Ventilschiebers 36 wird
somit über
die Saugniere 14 Druckmittel aus dem Tank 31 in
die sich vergrößernden
Kammern 12 eingesaugt und ein Teil des Druckmittels mit
vergleichsweise geringem Druck beaufschlagt über die Druckniere 18,
die Druckleitung 66 und den Ringraum 60 zum Verbraucheranschluss A
und von dort zur Verbraucherleitung gefördert. Parallel dazu strömt ein Druckmittelvolumenstrom über die
Druckniere 16 der ersten Pumpe 2 und die weitere
Druckleitung 68 zum Druckanschluss P2 und von dort über den
Ringraum 64 zum weiteren Verbraucheranschluss B, so dass
dieser Druckmittelvolumenstrom zu dem über den Verbraucheranschluss
A geführten
Druckmittelvolumenstrom summiert wird.
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Die
Saugniere 26 der zweiten Pumpe 6 ist über die
Saugleitung 70 und den mittleren Ringraum 62 mit
dem Tankanschluss T und damit mit dem Tank 31 verbunden,
so dass Druckmittel in die Kammern 24 angesaugt und über die
Druckniere 28 mit Druck beaufschlagt über die Hochdruckleitung 69 in
die Verbraucherleitung 32 gefördert wird. D.h. in der in 1 dargestellten
Relativposition fördern
alle drei Pumpen 2, 4, 6 parallel Druckmittel
in die Verbraucherleitung 32, so dass der angeschlossene
Verbraucher mit einem vergleichsweise hohen Druckmittelvolumenstrom
bei vergleichsweise geringem Druck versorgt wird.
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In
dem Fall, in dem der Verbraucher mit Hochdruck beaufschlagt werden
soll, wird der Ventilschieber in die in 3 dargestellte
Position verschoben. Dabei ist über
die Steuerkante 50 die Verbindung vom Ringraum 60 zum
Verbraucheranschluss A und über
die Steuerkante 58 die Verbindung zwischen dem Druckanschluss
P2 und dem Ringraum 64 und damit dem Verbraucheranschluss B
zugesteuert. Die Steuerkante 56 öffnet dabei die Verbindung
des Druckanschlusses P2 mit dem mittleren Ringraum 62,
so dass der Sauganschluss S und der Druckanschluss P2 miteinander
verbunden sind. Über
die Steuerkante 52 ist die Verbindung zwischen dem Ringraum 60 und
dem Tankanschluss T aufgesteuert, so dass dieser mit dem Druckanschluss
P1 verbunden ist. Die Verbindung des Tankanschlusses T mit dem mittleren
Ringraum 62 ist über
die Steuerkante 54 abgesperrt. Demzufolge wird Druckmittel über die
Saugniere 14 aus dem Tank 31 angesaugt und über die
Druckniere 16 der ersten Pumpe 2 zum Druckanschluss
P2 der Ventilanordnung 34 und von dort über den Ringraum 62,
den Sauganschluss S und die Saugleitung 70 zur Saugniere 26 der
dritten Pumpe 6 gefördert.
Die Druckniere 18 ist dabei über die Druckleitung 66,
den Druckanschluss P1 und den Tankanschluss T mit dem Tank 31 verbunden
und fördert
somit das Druckmittel zurück
in den Tank 31. Das von der ersten Pumpe 2 auf einen
Zwischendruck beaufschlagte Druckmittel tritt über die Saugniere 26 in
die Kammern 24 der dritten Pumpe 6 ein, die – wie eingangs
erwähnt – mit einem geringeren
maximalen Fördervolumen
ausgeführt
ist als die beiden anderen Pumpen 2, 4. Das von
der dritten Pumpe 6 mit Hochdruck beaufschlagte Druckmittel
strömt
dann über
die Druckniere 28 in die Hochdruckleitung 69 und
von dort über
die Verbraucherleitung 32 zum Verbraucher. D.h. in der
in 3 dargestellten Schaltposition des Ventilschiebers 36 sind
die beiden Pumpen 2, 6 hintereinander geschaltet,
so dass die Pumpe 2 praktisch als Vorförderpumpe wirkt. Die dritte
Pumpe 4 fördert
in den Tank 31.
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In 4 ist
eine Möglichkeit
skizziert, die Rückschlagventilanordnung 30 möglichst
kompakt auszuführen.
Gemäß 4 ist
in der als Kanal ausgeführten
Tankleitung 29 ein Ventilsitz 76 ausgebildet,
gegen den ein Ventilglied 78 des Saugventils 72 mittels
einer Feder 80 vorgespannt ist. Die Feder 80 ist
an einem an der Kanalwandung fixierten Stützring 81 abgestützt.
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Im
Ventilglied 78 ist eine Durchgangsbohrung ausgebildet,
deren Umfangskante einen Sitz 82 für einen Schließkörper 84 ausbildet,
der zum Tank 31 hin öffnet.
Der Schließkörper 84 ist
kegelförmig ausgebildet
und hat einen rückseitigen,
nach hinten aus dem Ventilglied 78 vorstehenden Stützbolzen 86 für einen
Federteller 88, an dem eine Vorspannfeder 90 angreift, über die
im Schließkörper 84 gegen
den Sitz 82 gespannt ist. Die Vorspannfeder 90 ist
an der Rückseite
des Schließkörpers 84 an
einer umlaufenden Stützschulter 92 abgestützt. Der
Schließkörper 84 öffnet erst
nach Überwinden
der Vorspannkraft der Vorspannfeder 90 die Verbindung zum
Tank 81, so dass die Tankleitung 29 entsprechend
vorgespannt ist.
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Das
Saugventil 72 öffnet,
wenn die Druckdifferenz zwischen der Tankleitung 29 und
dem Tank 31 ausreicht, um die Kraft der Feder 80 zu überwinden. Der
Ventilkörper 78 hebt
dann von seinem Sitz 76 ab, so dass Druckmittel vom Tank 31 über die
Tankleitung 29 zur Saugniere 26 angesaugt werden
kann.
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Eine
derartige Konstruktion mit einem in den Schließkörper 78 des Saugventils 72 integrierten Vorspannventil 74 zeichnet
sich durch einen äußerst kompakten
Aufbau aus.
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Die
Anmelderin behält
sich vor, auf den Aufbau der Rückschlagventilanordnung
einen eigenen unabhängigen
Anspruch zu richten.
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Offenbart
ist eine mehrstufige Pumpenanordnung mit einer ersten und zweiten
Pumpe, die zum Einstellen eines hohen Druckmittelvolumenstroms parallel
schaltbar sind. Erfindungsgemäß sind eine
dritte Pumpe und eine Ventilanordnung vorgesehen, wobei über letztere
zur Hochdruckförderung
der Niederdruckanschluss der zweiten Pumpe mit dem Druckanschluss
der ersten Pumpe und der Druckanschluss der dritten Pumpe mit einem
Tank verbindbar sind. Zur Einstellung eines hohen Volumenstroms sind
die Druckanschlüsse
der drei Pumpen mit einer gemeinsamen Verbraucherleitung verbunden.
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- 1
- Pumpenanordnung
- 2
- 1.
Pumpe
- 4
- 3.
Pumpe
- 6
- 2.
Pumpe
- 8
- Rotor
- 10
- Verdrängerring
- 11
- Welle
- 12
- Kammer
- 14
- Saugniere
- 16
- Druckniere
- 18
- Druckniere
- 20
- Rotor
- 22
- Verdrängerring
- 24
- Kammer
- 26
- Saugniere
- 28
- Druckniere
- 29
- Tankleitung
- 30
- Rückschlagventilanordnung
- 31
- Tank
- 32
- Verbraucherleitung
- 34
- Ventilanordnung
- 36
- Ventilschieber
- 38
- Ventilbohrung
- 40
- Endbund
- 42
- Endbund
- 44
- Steuerbund
- 46
- Steuerbund
- 50
- Steuerkante
- 52
- Steuerkante
- 54
- Steuerkante
- 56
- Steuerkante
- 58
- Steuerkante
- 60
- Ringraum
- 62
- Ringraum
- 64
- Ringraum
- 66
- Druckleitung
- 68
- weitere
Druckleitung
- 69
- Hochdruckleitung
- 70
- Saugleitung
- 72
- Saugventil
- 74
- Vorspannventil
- 76
- Ventilsitz
- 78
- Ventilglied
- 80
- Feder
- 81
- Stützring
- 82
- Sitz
- 84
- Schließkörper
- 86
- Stützbolzen
- 88
- Federteller
- 90
- Vorspannfeder
- 92
- Stützschulter