DE102011075415A1 - Gear pump e.g. outer gear wheel pump, for use in fuel injection system of Otto engine to convey fuel from low pressure region into high pressure region, has axially displaceable sealing plates resiliently prestressed in direction of chamber - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Zahnpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Kraftstoffeinspritzsystem nach dem nebengeordneten Anspruch 12.The invention relates to a toothpump according to the preamble of
Bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, beispielsweise für Ottomotoren, welche mit einer Direkteinspritzung von Kraftstoff arbeiten, werden Einspritzdrücke von bis zu 200 bar benötigt. Häufig wird der benötigte Kraftstoffdruck in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt beispielsweise in einem Druckbereich zwischen 40 bar und 200 bar geregelt. In fuel injection systems of internal combustion engines, for example, for gasoline engines, which operate with a direct injection of fuel, injection pressures of up to 200 bar are needed. Frequently, the required fuel pressure is regulated as a function of an operating point, for example in a pressure range between 40 bar and 200 bar.
Zur Erzeugung des erforderlichen Kraftstoffdrucks werden überwiegend ventilgesteuerte Kolbenpumpen verwendet, die mechanisch von der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Diese Kolbenpumpen sind vergleichsweise aufwändig in der Herstellung. Zudem erzeugen Einkolbenpumpen häufig hohe Druckpulsationen auf der Hoch- und Niederdruckseite.To generate the required fuel pressure predominantly valve-controlled piston pumps are used, which are mechanically driven by the internal combustion engine. These piston pumps are relatively expensive to manufacture. In addition, single-piston pumps often generate high pressure pulsations on the high and low pressure sides.
Alternativ können auch Zahnpumpen zur Kraftstoffförderung oder Druckerzeugung eingesetzt werden. Dabei gibt es verschiedene Bauarten von Zahnpumpen, wie zum Beispiel Innenzahnradpumpen, Außenzahnradpumpen oder Zahnringpumpen. Zahnpumpen erzeugen im Vergleich zu Kolbenpumpen vergleichsweise geringe Druckpulsationen. Allerdings haben Zahnpumpen bei niedrigen Drehzahlen einen geringen volumetrischen Wirkungsgrad, so dass sie häufig überdimensioniert werden, um den zum Start der Brennkraftmaschine erforderlichen Druckaufbau bei niedrigen Drehzahlen zu gewährleisten. Aufgrund ihrer „Überdimensionierung“ fördern diese Pumpen bei höheren Drehzahlen zuviel Kraftstoff, der anschließend in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems zurückgeführt werden muss. Dadurch verringert sich der Wirkungsgrad des Kraftstoffeinspritzsystems.Alternatively, tooth pumps can also be used for fuel delivery or pressure generation. There are various types of tooth pumps, such as internal gear pumps, external gear pumps or gerotor pumps. Tooth pumps generate comparatively low pressure pulsations compared to piston pumps. However, toothed pumps have low volumetric efficiency at low speeds, so they are often oversized to ensure the pressure build-up required at low speeds to start the engine. Owing to their "oversizing", these pumps deliver too much fuel at higher speeds, which then has to be returned to the low pressure area of the fuel injection system. This reduces the efficiency of the fuel injection system.
Viele der bei Kolbenpumpen angewandten Methoden zur Fördermengenregelung sind bei Zahnpumpen nicht einsetzbar, da die Fördermenge bei Zahnpumpen im Wesentlichen von der Geometrie der Einlass-Abschnitte und der Auslass-Abschnitte der Zahnpumpe abhängt. Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die
Zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Zahnpumpen ist es aus der
In dem Buch
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Zahnpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.The problem underlying the invention is achieved by a dental pump according to
Bei der erfindungsgemäßen Zahnpumpe ist mindestens eine Dichtplatte in Richtung des Pumpenraums federnd vorgespannt, so dass beim Anlauf der Pumpe und bei sehr niedrigen Drehzahlen und unterhalb des Betriebsdruckes der Axialspalt zwischen der Dichtplatte und den Zahnrädern minimiert wird.In the tooth pump according to the invention at least one sealing plate is resiliently biased in the direction of the pump chamber, so that is minimized during start-up of the pump and at very low speeds and below the operating pressure of the axial gap between the sealing plate and the gears.
Um einen symmetrischen Aufbau zu erreichen, wird vorgeschlagen, an beiden Seiten der Zahnräder eine vorgespannten Dichtplatte anzuordnen. Allerdings lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile auch mit nur einer Dichtplatte realisieren. In diesem Fall sind das Ritzel und das Hohlrad vorzugsweise axial verschiebbar gelagert. To achieve a symmetrical structure, it is proposed to arrange a biased sealing plate on both sides of the gears. However, the advantages according to the invention can also be realized with only one sealing plate. In this case, the pinion and the ring gear are preferably mounted axially displaceable.
Dadurch wird die notwendige Fördermenge bzw. der erforderliche Druck bei niedrigen Drehzahlen auch von kleinen Pumpen erreicht. In Folge dessen ist es auch möglich, eine kleinere Pumpe einzusetzen. Dies hat den Vorteil, dass bei mittleren und hohen Pumpendrehzahlen das Fördervolumen bzw. die Fördermenge der Zahnpumpe relativ klein ist und somit nur eine vergleichsweise kleine überschüssige Kraftstoffmenge in den Niederdruckbereich zurückzuführen ist. In Folge dessen ist bei mittleren und höheren Betriebsdrehzahlen der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Pumpe besser, was sich insgesamt positiv auf den Energieverbrauch auswirkt.As a result, the necessary flow rate or the required pressure at low speeds is also achieved by small pumps. As a result, it is also possible to use a smaller pump. This has the advantage that at medium and high pump speeds, the delivery volume or the delivery rate of the gear pump is relatively small and thus only a relatively small excess amount of fuel is due to the low pressure area. As a result, at medium and higher operating speeds, the efficiency of pump according to the invention better, which has an overall positive effect on energy consumption.
Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Zahnpumpe eine Selbstregelungscharakteristik auf, die dazu führt, dass sich bei hohen Betriebsdrehzahlen und hohen Betriebsdrücken der Axialspalt zwischen der Dichtplatte und den Zahnrädern selbststätig vergrößert. Durch die daraus resultierende innere Leckage werden die Fördermenge und der Druck der erfindungsgemäßen Zahnpumpe begrenzt, sodass die erfindungsgemäße Zahnpumpe für den vorgesehenen Einsatzzweck ohne Ventile, beziehungsweise mit deutlich einfacheren Druckregelventilen und ohne externe Ansteuerung beispielsweise durch ein Steuergerät der Motorsteuerung arbeiten kann. Dadurch werden die Komplexität des Systems reduziert und die Herstellungskosten verringert. Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit des Systems gesteigert.Furthermore, the tooth pump according to the invention has a self-regulation characteristic, which causes the axial gap between the sealing plate and the gears to increase automatically at high operating speeds and high operating pressures. Due to the resulting internal leakage, the flow rate and the pressure of the tooth pump according to the invention are limited, so that the tooth pump according to the invention for the intended use without valves, or with much simpler pressure control valves and without external control, for example, by a control unit of the engine control can work. This reduces the complexity of the system and reduces manufacturing costs. At the same time, the reliability of the system is increased.
Bei der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe ist mindestens eine Dichtplatte vorgespannt. Weil ein Teil der dem Pumpenraum abgewandten Seite der Dichtplatten durch einen Dichtring von dem im Pumpenraum herrschenden Druck entkoppelt ist, sind mit zunehmenden Betriebsdruck die vom Pumpenraum aus auf die Dichtplatten wirkenden hydraulischen Kräfte größer als die von den Federelementen auf die Dichtplatten ausgeübten Kräfte zuzüglich der von „außen“ nach innen auf die Dichtplatten wirkenden hydraulischen Kräfte, die den Axialspalt tendenziell verkleinern würden. In the gear pump according to the invention at least one sealing plate is biased. Because a part of the pump chamber facing away from the side of the sealing plates is decoupled by a sealing ring of the prevailing pressure in the pump chamber, with increasing operating pressure from the pump chamber acting on the sealing plates hydraulic forces are greater than the forces exerted by the spring elements on the sealing plates plus the force of "Outside" on the inside acting on the sealing plates hydraulic forces that would tend to reduce the axial gap.
In Folge dessen ist bei niedrigen Drehzahlen der Axialspalt minimal, was sich positiv auf den volumetrischen Wirkungsgrad auswirkt. Mit zunehmender Drehzahl und damit meistens einhergehend mit zunehmendem Druck vergrößert sich der Axialspalt und der Bedarf an Antriebsleistung wird verringert, was sich positiv auf den mechanischen Wirkungsgrad und den Verschleiß auswirkt. As a result, at low speeds, the axial gap is minimal, which has a positive effect on the volumetric efficiency. With increasing speed and thus usually accompanied by increasing pressure, the axial gap increases and the demand for drive power is reduced, which has a positive effect on the mechanical efficiency and the wear.
Um die Funktion der Zahnpumpe in allen Betriebszuständen und bei allen Drehzahlen sicherzustellen ist weiter vorgesehen, dass eine den Zahnrädern abgewandte Seite der mindestens einen Dichtplatte gegen den Einlass und den Auslass der Zahnpumpe abgedichtet ist. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass zwischen der Dichtplatte und dem Gehäuse ein oder mehrere Dichtringe vorgesehen sind. Alternativ ist es auch möglich, die Abdichtung durch eine Balgdichtung zwischen der Dichtplatte und dem Gehäuse herzustellen. Diese Balgdichtung kann als Wellrohr ausgeführt sein.In order to ensure the function of the toothpump in all operating states and at all rotational speeds, it is further provided that a side of the at least one sealing plate facing away from the toothed wheels is sealed against the inlet and the outlet of the toothpump. This can be done according to the invention in that one or more sealing rings are provided between the sealing plate and the housing. Alternatively, it is also possible to make the seal by a bellows seal between the sealing plate and the housing. This bellows seal can be designed as a corrugated pipe.
Um die erfindungsgemäße Vorspannung der Dichtplatte unabhängig von dem im Pumpenraum herrschenden Druck und der Drehzahl sicherzustellen, ist in erfindungsgemäßer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Dichtplatte von einer oder mehreren Federn, bevorzugt Schraubendruckfedern oder Tellerfedern, und/oder federnd ausgebildeten Dichtelementen in Richtung des Pumpenraums vorgespannt wird. Es ist auch möglich, die mindestens eine Dichtplatte als Membran auszubilden, so dass die Dichtplatte in eingebautem Zustand federnd und mit einer einstellbaren Vorspannung gegen die Zahnräder gepresst wird. Bei dieser Ausführung kann auf separate Federelemente, sei es in Form von Schraubenfedern, sonstigen Drahtfedern oder Tellerfedern, verzichtet werden. In order to ensure the inventive bias of the sealing plate regardless of the prevailing pressure in the pump chamber and the speed is provided in the inventive design that the sealing plate is biased by one or more springs, preferably helical compression springs or disc springs, and / or resilient sealing elements in the direction of the pump chamber , It is also possible to form the at least one sealing plate as a membrane, so that the sealing plate is resiliently pressed in the installed state and with an adjustable bias against the gears. In this embodiment can be dispensed with separate spring elements, whether in the form of coil springs, other wire springs or disc springs.
Des Weiteren ist es möglich, die Membran mit der mindestens einen Dichtplatte und dem Gehäuse dichtend zu verbinden. Dies kann beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder durch ein anderes stoffschlüssiges Fügeverfahren erfolgen. In diesem Fall übernimmt die Membran neben der Funktion der Federelemente auch noch die Funktion der Dichtringe.Furthermore, it is possible to sealingly connect the membrane with the at least one sealing plate and the housing. This can be done for example by gluing, welding or by another cohesive joining method. In this case, the membrane also takes over the function of the sealing rings in addition to the function of the spring elements.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorspannung mit der die Dichtplatte beim Stillstehen der Pumpe gegen die Zahnräder gepresst wird, einstellbar ist. Dadurch kann das Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Zahnpumpe auf einfache Weise an verschiedene Einsatzbereiche angepasst werden. Außerdem können Serienstreuungen hinsichtlich der Federrate der zur Vorspannung der Dichtplatte eingesetzten Federelemente korrigiert werden.It is particularly advantageous if the pretensioning with which the sealing plate is pressed against the gears when the pump is stationary is adjustable. As a result, the operating behavior of the tooth pump according to the invention can be easily adapted to different fields of use. In addition, series variations can be corrected in terms of the spring rate of the spring elements used to bias the sealing plate.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die Zahnräder axial verschiebbar sind. Dann nämlich ist es möglich, nur auf einer Seite der Zahnräder eine axial verschiebbare Dichtplatte vorzusehen. Der Dichtspalt zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse auf der dieser einen Dichtplatte gegenüberliegenden Seite stellt sich dann selbsttätig durch eine Axialverschiebung der Zahnräder relativ zum Gehäuse ein, wenn die auf der anderen Seite vorhandene Dichtplatte gegen die Zahnräder federnd vorgespannt wird. Dadurch werden der Montageaufwand und die Zahl der benötigten Bauteile reduziert. Furthermore, it may be advantageous if the gears are axially displaceable. For then it is possible to provide an axially displaceable sealing plate only on one side of the gears. The sealing gap between the gears and the housing on the side opposite this a sealing plate side is then automatically by an axial displacement of the gears relative to the housing, when the present on the other side sealing plate is resiliently biased against the gears. As a result, the assembly costs and the number of required components are reduced.
Es ist erfindungsgemäß möglich, wie in den
Die erfindungsgemäße Zahnpumpe kann als Außenzahnradpumpe, als Innenzahnradpumpe, als Zahnringpumpe oder als Planetenrotorpumpe ausgebildet sein. The tooth pump according to the invention can be designed as an external gear pump, as an internal gear pump, as a toothed ring pump or as a planetary rotor pump.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen: Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be explained with reference to the drawings. In the drawing show:
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.The same reference numerals are used for functionally equivalent elements and sizes in all figures, even in different embodiments.
Die
In
Wenn das außenverzahnte Ritzel
In
Wie sich aus der
Über die Antriebswelle
An den Stirnseiten des Ritzels
In der Regel ist der Spalt zwischen dem Deckelteil
Durch die Dichtringe
In dem zweiten Deckteil
In
Bei mittleren Drehzahlen und abhängig von den Druckverhältnissen am Einlass
Wenn der konstruktiv vorgegebene maximale Axialspalt A, wie in
In
Auf der Abszisse ist in
Eine erste Linie
Das zugehörige Antriebsmoment M ist durch eine zweite Linie
Eine dritte Linie 56 stellt die Fördermenge Q einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe über der Drehzahl n dar. Daraus wird deutlich, dass die Pumpe schon bei einer gegenüber einer herkömmlichen Zahnradpumpe (siehe die Linie
Das Antriebsmoment M der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe ist durch eine vierte Linie
Aus dem direkten Vergleich der Linien
In
Auf die erste Teilfläche AHD wirkt der im Hochdruckbereich
Die insgesamt auf die dem Pumpenraum
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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