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Die
Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe
zur Förderung
eines flüssigen
Mediums gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Flügelzellenpumpen,
die auch als Drehschieberpumpen bezeichnet werden, weisen in der Regel
einen ringförmigen
Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten drehend angetriebenen Rotor
auf. Der Rotor ist an seinem äußeren Umfang mit
einer Mehrzahl von radial angeordneten Führungsschlitzen versehen, die
zur Aufnahme von radial verschiebbaren Flügeln oder Drehschiebern dienen,
welche den Raum zwischen dem äußeren Umfang
des Rotors und dem inneren Umfang des Stators in mehrere getrennte
Kammern unterteilen. Um die Kammern gegeneinander abzudichten, werden die
Flügel
oder Drehschieber im Allgemeinen von Druckfedern in den Führungsschlitzen
gegen den inneren Umfang des Stators angepresst.
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Flügelzellen-
oder Drehschieberpumpen werden unter anderem zur Förderung
von flüssigen Medien
eingesetzt, wie zum Beispiel als Kraftstoff- oder Schmierölpumpen
von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen, wobei sie zumeist von der
Brennkraftmaschine angetrieben werden, so dass ihre Fördermenge
von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Dabei ist es sowohl bei
Kraftstoffpumpen als auch bei Schmierölpumpen von Brennkraftmaschinen
bereits bekannt, zwischen der Druckseite und der Saugseite der Flügelzellenpumpe
eine Rückführleitung
vorzusehen. Diese zumeist mit einem Überdruck- oder Druckregelventil
bestückte
Leitung dient bei Kraftstoffpumpen zum Zurückführen von überschüssigem Kraftstoff, während sie
bei Schmierölpumpen
zum Abbau von übermäßig hohen Öldrücken auf
der Druckseite dient.
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Insbesondere
dann, wenn Flügelzellenpumpen
als Schmierölpumpen
von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, kann das Problem auftreten,
dass bei hohen Rotordrehzahlen nicht genügend Schmieröl aus einer Ölwanne der
Brennkraftmaschine in die Kammern der Flügelzellenpumpe angesaugt wird. Diese
Unterversorgung mit Schmieröl
hat zur Folge, dass es innerhalb der Pumpe zu Kavitationserscheinungen
kommen kann, die unter ungünstigen
Umständen
zu einer Beschädigung
der Pumpe führen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, von der Druckseite
der Pumpe zu deren Saugseite zurück
gefördertes
flüssiges
Medium zu nutzen, um die Versorgung der Pumpe mit flüssigem Medium
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das saugseitige Ende der Rückführleitung
mit einer in einem Saugkanal der Flügelzellenpumpe angeordneten,
in Strömungsrichtung des
flüssigen
Mediums durch den Saugkanal ausgerichteten Düse versehen ist, so dass das
durch die Rückführleitung
von der Druckseite zur Saugseite der Pumpe zurück geförderte und mit hoher Geschwindigkeit
durch die Düse
in den Saugkanal austretende flüssige
Medium eine Beschleunigung des flüssigen Mediums im Saugkanal
in Richtung der Pumpe sowie eine verstärkte Ansaugung von flüssigem Medium
in den Saugkanal bewirkt.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Flügelzellenpumpe saugseitig durch
eine als Befüllhilfe
dienende Strahlpumpe zu ergänzen,
in der das durch die Rückführleitung
von der Druckseite zur Saugseite zurück geförderte und unter Druck stehende
flüssige
Medium als Treibmedium mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse ausgestoßen wird
und dabei das im Saugkanal befindliche flüssige Medium als Saugmedium
durch Impulsaustausch beschleunigt, wobei die infolge der Beschleunigung
im Saugkanal erzeugte höhere
Strömungsgeschwindigkeit
einen Druckabfall und damit eine stärkere Ansaugung von weiterem
flüssigem
Medium in den Saugkanal bewirkt, was beides für eine bessere Versorgung der Flügelzellenpumpe
mit dem angesaugten flüssigen Medium
sorgt.
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Um
zu vermeiden, dass bei niedrigen Fördervolumina der Flügelzellenpumpe
bzw. bei niedrigen Rotordrehzahlen die nutzbare Fördermenge
der Flügelzellenpumpe
infolge des durch die Rückführleitung
zurückströmenden flüssigen Mediums
nicht mehr ausreichend hoch ist, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung vor, in der Rückführleitung
zwischen der Druckseite und der Saugseite der Pumpe ein Schaltventil
anzuordnen, das in Abhängigkeit
vom Fördervolumen
der Pumpe und/oder von der Drehzahl des Pumpenrotors betätigt werden kann,
um es bedarfabhängig
bei hohen Rotordrehzahlen zu öffnen
und bei niedrigen Rotordrehzahlen zu schließen.
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Parallel
zum Schaltventil kann ein Überdruck-
oder Druckregelventil in der Rückführleitung vorgesehen
werden, mit dem unabhängig
von der Rotordrehzahl übermäßige Drücke auf
der Druckseite abgebaut werden können.
Alternativ kann zu diesem Zweck jedoch auch eine Flügelzellenpumpe
mit interner Druckregelung verwendet werden.
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Eine
besonders gute Beschleunigung des flüssigen Mediums im Saugkanal
wird erreicht, wenn sich gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Strömungsquerschnitt
der Rückführleitung
innerhalb der Düse
verengt, so dass das von der Druckseite zur Saugseite zurück geförderte flüssige Medium
innerhalb der Düse
beschleunigt wird und mit verhältnismäßig hoher
Geschwindigkeit aus der Düse
austritt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Längsmittelachse
eines von der Düse
begrenzten Strömungskanals,
durch den das unter Druck stehende flüssige Medium aus der Düse austritt,
mit einer Längsmittelachse
des Saugkanals fluchtet, wodurch für eine besonders gleichmäßige Beschleunigung
des flüssigen
Mediums im Saugkanal gesorgt werden kann, vor allem wenn die Düse und der
Saugkanal koaxiale kreisförmige
Strömungsquerschnitte
begrenzen.
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In
konstruktiver Hinsicht kann eine solche Ausgestaltung am besten
dadurch realisiert werden, dass die vor dem Einlass der Flügelzellenpumpe
angeordnete Strahlpumpe einen vom saugseitigen Ende der Rückführleitung
gebildeten Injektor umfasst, der vorzugsweise die Form eines koaxial
zur Längsmittelachse
des Saugkanals in den Saugkanal ragenden und an seinem freiem Ende
mit der Düse versehenen
Rohrs besitzt.
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Die
erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe wird
mit Vorteil als Schmierölpumpe
für eine
Brennkraftmaschine eingesetzt, um Schmieröl aus einer Ölwanne zu
den gewünschten
Schmierstellen der Brennkraftmaschine zu fördern. Das Schmieröl wird dabei
zweckmäßig durch
einen Saugschnorchel in den einlassseitigen Saugkanal der Flügelzellenpumpe
angesaugt, wobei das angesaugte Schmieröl bei hohen Rotordrehzahlen
bzw. Fördervolumina
der Flügelzellenpumpe
im Saugkanal durch eine Injektion von unter Druck stehendem Schmieröl von der Druckseite
der Pumpe in den Saugkanal beschleunigt und dadurch die Versorgung
der Pumpe mit Schmieröl
verbessert wird.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Schaltplan einer als Schmierölpumpe
für eine
Brennkraftmaschine dienenden erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe;
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2 eine
geschnittene perspektivische Ansicht von Teilen der Flügelzellenpumpe,
eines Saugschnorchels und eines Injektors.
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3 einen
Schaltplan entsprechend 1, jedoch mit einigen Modifikationen.
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Die
in 1 der Zeichnung dargestellte, als Flügelzellenpumpe 1 ausgebildete
Schmierölpumpe für eine Brennkraftmaschine
(nicht dargestellt) dient dazu, Motor- oder Schmieröl 2 aus
einer Ölwanne 3 der
Brennkraftmaschine anzusaugen und es durch einen Ölfilter 4 zu
verschiedenen Lagerstellen der Brennkraftmaschine zu fördern.
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Die
Flügelzellenpumpe 1 selbst
weist einen konventionellen Aufbau auf und ist daher in der Zeichnung
nicht näher
dargestellt. Allgemein umfasst die Pumpe 1 wie bekannte
Flügelzellenpumpen
einen ringförmigen
Stator und einen innerhalb des Stators drehbar gelagerten, von der
Brennkraftmaschine drehend angetriebenen Rotor, der in bekannter
Weise an seinem äußeren Umfang
eine Mehrzahl von radial offenen Führungsschlitzen besitzt. Die
Führungsschlitze
sind mit radial verschiebbaren Flügeln bestückt, die von Druckfedern radial
nach außen
gegen den inneren Umfang des Stators gedrückt werden und den Raum zwischen
dem äußeren Umfang
des Rotors und dem inneren Umfang des Stators in mehrere getrennte
und gegeneinander abgedichtete Kammern unterteilen. Durch die Bewegung
der Kammern in Drehrichtung des Rotors wird das Schmieröl von einem
Einlass 5 der Pumpe 1 zu deren Auslass 6 gefördert.
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Zum
Ansaugen des Schmieröls 2 aus
der Ölwanne 3 dient
ein Saugschnorchel 7, durch den das Schmieröl 2 zum
Einlass 5 der Flügelzellenpumpe 1 gefördert wird.
Wie am besten in 2 dargestellt, weist der Saugschnorchel 7 einen
in das Schmieröl 2 in
der Ölwanne 3 eintauchenden
Schnorchelteil 8 und einen durch ein grobmaschiges Sieb 9 vom
Schnorchelteil 8 getrennten, zum Anschluss an die Flügelzellenpumpe
dienenden gebogenen Anschlussstutzen 10 auf.
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Der
Anschlussstutzen 10 weist ein Stirnende 11 auf,
das dichtend in einen erweiterten äußeren Endabschnitt 12 des
Einlasses 5 der Flügelzellenpumpe 1 eingesetzt
ist und zusammen mit dem Einlass 5 einen zylindrischen
Saugkanal 13 begrenzt, durch den das von der Flügelzellenpumpe 1 angesaugte Schmieröl in den
Raum zwischen dem äußeren Umfang
des Rotors und dem inneren Umfang des Stators strömt.
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Das
von der Flügelzellenpumpe 1 durch
den Auslass 6 ausgestoßene,
unter einem hohen Druck stehende Schmieröl 2 wird durch eine Ölförderleitung 14 zum Ölfilter 4 gefördert, wie
in 1 dargestellt. Aus der Ölförderleitung 14 zweigt
eine Ölrückführleitung 15 ab,
durch die die ein Teil des von der Flügelzellenpumpe 1 geförderten
Schmieröls
von der Druckseite der Flügelzellenpumpe 1 zu
deren Saugseite zurückgeführt werden
kann, um einen übermäßig hohen Öldruck auf
der Druckseite der Flügelzellenpumpe 1 abzubauen
und/oder um die Ansaugung von Schmieröl 2 aus der Ölwanne 3 bei
hohen Drehzahlen zu verbessern.
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Die Ölrückführleitung 15 verzweigt
sich in zwei parallele Rückführleitungsabschnitte 16, 17,
von denen einer 16 seitlich in den Saugkanal 13 mündet. Der
Rückführleitungsabschnitt 16 enthält ein Überdruckventil 18,
um die zuerst genannte Funktion zu erfüllen, d. h. einen übermäßig hohen Öldruck auf
der Druckseite der Flügelzellenpumpe 1 abzubauen.
Das Überdruckventil 18 öffnet selbsttätig, wenn
der Druck auf der Druckseite einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt,
wodurch Schmieröl 2 durch
die Ölrückführleitung 15 und
das Überdruckventil 18 direkt in
den Saugkanal 13 geleitet wird.
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Um
die zuletzt genannte Funktion zu erfüllen, d. h. die Ansaugung von
Schmieröl 2 aus
der Ölwanne 3 bei
hohen Drehzahlen zu verbessern, weist der andere der beiden parallelen
Rückführleitungsabschnitte 17 ein
Schaltventil 19 auf, das von einer Steuereinheit 20 geöffnet wird,
wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. die Drehzahl des von der
Brennkraftmaschine angetriebenen Rotors der Flügelzellenpumpe 1 einen
vorbestimmten Schaltwert übersteigt.
Außerdem
ist das saugseitige Ende des Ölrückführleitungsabschnitts 16 als
röhrenförmiger,
zum Einlass 5 der Flügelzellenpumpe 1 hin
gerichteter Injektor 21 ausgebildet, der ins Innere des Saugkanals 13 ragt
und an seinem freien Ende eine Düse 22 mit
einer Querschnittsverengung 23 aufweist. Die Querschnittsverengung 23 dient
dazu, die Strömungsgeschwindigkeit
des durch den Injektor 21 in den Saugkanal 13 injizierten
Schmieröls 2 bei
seinem Austritt aus der Düse 22 zu
erhöhen.
Infolge der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem mit einer hohen
Strömungsgeschwindigkeit
aus der Düse 22 austretenden
Schmieröl 2 und
dem mit einer sehr viel geringeren Strömungsgeschwindigkeit aus dem Saugschnorchel 7 zugeführten, um
den Injektor 21 herum im Saugkanal 13 befindlichen
Schmieröl 2 kommt
es in der Grenzschicht zwischen den beiden Strömungen zum Auftreten von Scherspannungen. Diese
Scherspannungen bewirken eine Impulsübertragung von der schnelleren,
in der Mitte des Saugkanals 13 verlaufenden Schmierölströmung auf
die langsamere Schmierölströmung entlang
der zylindrischen Umfangswand des Saugkanals. Durch diese Impulsübertragung
wird langsameres Schmieröl 2 in der
Nähe der
Grenzschicht mitgerissen und beschleunigt, wodurch das Schmieröl 2 insgesamt
mit einer höheren
Geschwindigkeit zum Einlass 5 der Flügelzellenpumpe 1 transportiert
wird. Nach dem Gesetz von Bernoulli führt die Geschwindigkeitszunahme
des Schmieröls 2 im
Saugkanal 13 zu einem Absinken des Drucks im Saugkanal 13.
Dies wiederum hat zur Folge, dass vermehrt Schmieröl 2 durch den
Saugschnorchel 7 aus der Ölwanne 3 angesaugt wird,
wo durch insgesamt die Versorgung der Flügelzellenpumpe 1 mit
Schmieröl
verbessert und damit das Auftreten von Kavitation im Inneren der
Flügelzellenpumpe 1 verhindert
werden kann.
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Um
zu verhindern, dass die Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen
nicht ausreichend mit Schmieröl 2 versorgt
wird, wird das Schaltventil 19 von der Steuereinheit 20 geschlossen,
wenn die die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. die Drehzahl des
von der Brennkraftmaschine angetriebenen Rotors der Flügelzellenpumpe 1 unter
den vorbestimmten Schaltwert sinkt.
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Wie
am besten in 2 dargestellt, ist der röhrenförmige Injektor 21 als
integraler Teil des Saugschnorchels 7 ausgebildet und besteht
im Wesentlichen aus einem langgestreckten geraden Rohr 24,
das oberhalb des Siebs 9 durch eine Wand 25 des
gebogenen Anschlussstutzens 10 hindurch ins Innere desselben
ragt und an seinem freien Ende mit der als Einsatz ausgebildeten
Düse 22 versehen
ist. Die Ausrichtung des Rohrs 24 und der Düse 22 ist derart,
dass die Längsmittelachsen
eines vom Rohr 24 bzw. von der Düse 22 umschlossenen
Strömungskanals
koaxial zur Längsmittelachse
des zylindrischen Saugkanals 13 ausgerichtet sind. Auf
diese Weise hat die in Richtung des Einlasses 5 der Flügelzellenpumpe 1 weisende
Düse 22 in
Umfangsrichtung einen konstanten Abstand von der zylindrischen Wand
des Stirnendes 11 des Anschlussstutzens 10, wodurch
eine zur Längsmittelachse
des Saugkanals 13 rotationssymmetrische Beschleunigung
des Schmieröls
im Saugkanal 13 gewährleistet
werden kann.
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3 zeigt
einen Schaltplan entsprechend 1, jedoch
mit einigen Modifikationen: Zum Beispiel handelt es sich bei der
in 3 schematisch dargestellten Flügelzellenpumpe 1 um
eine als zweistufige Regelölpumpe
mit pumpeninterner Druckregelung ausgebildete schaltbare Flügelzellenpumpe, die
einen verstellbaren Stator besitzt, so dass eventuelle Überdrücke auf
der Druckseite durch Anpassung der Fördermenge abgebaut werden können. Das Überdruckventil 18 in
der Ölrückführleitung 15 zwischen
der Druckseite und der Saugseite ist daher ebenso entbehrlich wie
zwei parallele Rückführleitungsabschnitte 16, 17.
An deren Stelle tritt eine unverzweigte Ölrückführleitung 15, deren
saugseitiges Ende als Injektor 21 ausgebildet ist. Weiter
enthält die Ölrückführleitung 15 in 3 an
Stelle eines von einer Steuereinheit 20 gesteuerten Schaltventils 19 ein
druckschwellengeschaltetes Rückschlagventil 26,
das selbsttätig öffnet, wenn
der Öldruck
auf der Druckseite der Flügelzellenpumpe 1 bei
hohen Drehzahlen einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt,
und selbsttätig
schließt,
wenn der Öldruck
bei niedrigeren Drehzahlen wieder unter den Schwellenwert absinkt.
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Diese
beiden Modifikationen des Schaltplans in 1, d. h.
die Verwendung einer Regelölpumpe 1 mit
pumpeninterner Druckregelung einerseits und eines druckabhängig öffnenden
Rückschlagventils 26 in
der Ölrückführleitung 15 andererseits
können selbstverständlich auch
einzeln realisiert werden.
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- 1
- Flügelzellenpumpe
- 2
- Schmieröl
- 3
- Ölwanne
- 4
- Ölfilter
- 5
- Einlass
Flügelzellenpumpe
- 6
- Auslass
Flügelzellenpumpe
- 7
- Saugschnorchel
- 8
- Schnorchelteil
- 9
- grobmaschiges
Sieb
- 10
- Anschlussstutzen
Saugschnorchel
- 11
- Stirnende
Anschlussstutzen
- 12
- erweiterter
Endabschnitt Einlass
- 13
- Saugkanal
- 14
- Ölförderleitung
- 15
- Ölrückführleitung
- 16
- Rückführleitungsabschnitt
- 17
- Rückführleitungsabschnitt
- 18
- Überdruckventil
- 19
- Schaltventil
- 20
- Steuereinheit
- 21
- Injektor
- 22
- Düse
- 23
- Querschnittsverengung
- 24
- Rohr
- 25
- Wand
Anschlussstutzen
- 26
- Rückschlagventil