DE102012006780B4

DE102012006780B4 - Elektromagnetische Hubkolbenpumpe mit Kolbengleitlager, wegen der Pumpwirkung einer gerichteten Schleppströmung durchflossen

Info

Publication number: DE102012006780B4
Application number: DE102012006780.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Feckler; Mike Heck; Axel Müller; Olaf Ohligschläger; Tabea Reinschmidt; Robert Wellnitz; René Schulz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: DE102012006780A1

Abstract

Durch einen Elektromagneten (2) angetriebene Hubkolbenpumpe (1) mit einem Kolben (9), der die Flüssigkeit verdrängt und den Ankerkolben (12) des Elektromagneten (2) trägt und dazu in einem Zylinder (10) in einem Lager mit einer Mehrzahl von Lagerzonen, zum Beispiel mit den Lagerzonen (21), (22) und (23), gelagert ist, wobei der Elektromagnet (2) von einer elektrischen Ansteuerung (36) pulsierend mit elektrischer Energie versorgt wird dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Lagerzonen (22) und (23) mit Flüssigkeit durchspült werden, indem bei einer zyklischen Hubbewegung des Kolbens (9) eine zusätzliche Pumpwirkung durch die Ausnutzung einer Schleppströmung für die Flüssigkeit im Lager erzeugt wird, und dass die Flüssigkeit umlaufend aus dem an die dritte Lagerzone (23) angrenzenden Ankerraum (4) angesaugt und durch geeignete fluidleitende Kanäle (35) in den Ankerraum (4) zurückgepumpt wird, indem die Umlaufnuten (33) in der mittleren Lagerzone (22) im Kolben (9) durch ihre asymmetrisch ausgeführten Kanten bei einer zyklischen Hubbewegung des Kolbens (9) im Zylinder (10) eine gerichtete Schleppströmung der Flüssigkeit im Spalt und damit eine Pumpwirkung erzeugen, wobei die Kanten einlassseitig und auslassseitig unterschiedliche Konturen wie zum Beispiel Kantenradien, Fasen oder aus Radien und Fasen zusammengesetzte Formelemente aufweisen, und dass die Pulse des elektrische Stroms zur Versorgung des Elektromagneten (2) gleiche oder unterschiedliche Flankensteilheiten des Anstiegs und des Abfalls aufweisen, die auf eine Verstärkung der Pumpwirkung durch die asymmetrischen Nutkanten abgestimmt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine durch einen Elektromagneten angetriebene Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Durch Elektromagnete angetriebene Hubkolbenpumpen zum Fördern und Dosieren von Kraftstoff sind bekannt, zum Beispiel aus der DE 43 28 621 C2 , und sie haben sich bewährt. Mit der Verbreitung von Kraftstoffen mit höherem Anteil an nichtfossilen Stoffen, wie z. B. Biodiesel oder Alkoholen und damit auch von Wasser mussten die Materialien der Reibpartner, insbesondere der Kolben und des Zylinders, angepasst werden, dennoch stellen sich unter bestimmten Betriebsbedingungen neuartige Verschleißerscheinungen bei solchen Dosierpumpen ein. Die Verschleißerscheinungen erklären sich beispielsweise durch lokale Überhitzungen bei einem örtlich begrenzten Schmierfilmversagen bzw. schlechteren Schmiereigenschaften im Vergleich zu rein fossilen Medien.
Die Druckschriften DE 10 42 382 A , EP 03 336 893 A1 , US 1 408 638 A , und DE 2 046 978 A zeigen Kolbenmaschinen mit verbesserter Schmierung durch vorteilhaft geformte Kolbenringe, Nuten und Schmierstoffversorgungskanäle. Die Druckschrift DE 1 453 603 A zeigt eine Kolbenpumpe mit einem Stufenkolben, wobei eine Teilfläche des Kolbens zur Versorgung der Kolbenschmierung herangezogen wird. Aus den Druckschriften DE 10 2008 040 996 A1 und DE 10 2009 046 975 A1 sowie der darin angegebenen Druckschrift DE 103 60 601 A1 ist bekannt, dass eine hydraulische Stangendichtung in einer dynamischen Anwendung eine unsymmetrische Schleppströmung erzeugen kann.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, durch den Lagerbereich des Kolbens einen Flüssigkeitsstrom zu leiten, der die Lagerung kühlt und eventuell anfallende Zersetzungs- bzw. Reaktionsprodukte des Kraftstoffs sowie potentielle Verschleißprodukte abführt. Dabei soll die Dosiergenauigkeit der Hubkolbenpumpe erhalten bleiben und die Herstellkosten sollen sich nicht wesentlich erhöhen. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, wobei die Unteransprüche die Lösungen näher ausführen.
Eine durch einen Elektromagneten angetriebene Hubkolbenpumpe enthält mindestens einen Verdrängerraum, zwei Ventile und einen Kolben, der in einem Zylinder abdichtend gelagert ist und den Ankerkolben des Elektromagneten trägt. Die Lagerung des Kolbens ist in drei Lagerzonen aufgeteilt. Zur Kühlung der Lagerung und zum Abtransport eventuell anfallender Verschleißprodukte ist mindestens der Lagerspalt der mittleren Lagerzone vergrößert, erforderlichenfalls ist auch der Lagerspalt der ankerraumseitigen Lagerzone vergrößert. Die Lagerspalte der ankerraumseitigen Lagerzone und der mittleren Lagerzone werden von Flüssigkeit durchströmt, die mit Hilfe einer gerichteten Schleppströmung von dem Kolben im Zusammenwirken mit anderen Bauteilen der Hubkolbenpumpe gefördert wird.
In einer bevorzugten Ausführung wird die erste verdrängerraumseitige Lagerzone durch eine Lagerbuchse und den Kolben gebildet, eine zweite Lagerzone weist eine Vergrößerung des Lagerspalts auf, und eine dritte Lagerzone weist wieder ein geringeres Lagerspiel auf. Die zweite Lagerzone ist über geeignete Kanäle fluidisch mit dem Ankerraum verbunden. Asymmetrische Formelemente an den umlaufenden Nuten im Kolben oder im Zylinder, zum Beispiel unterschiedlich große Kantenradien oder unterschiedliche Fasen, bewirken bei einer zyklischen Hubbewegung des Kolbens unterschiedlich starke Schleppströmungen im Spalt je nach der Bewegungsrichtung des Kolbens und ergeben damit eine gerichtete Pumpwirkung auf die Flüssigkeit in der zweiten Lagerzone. Bei dieser Ausführung wird die Förderleistung der Hubkolbenpumpe nicht beeinflusst, weil die zusätzliche Förderung pumpenintern im Kreis erfolgt und nach außen nicht wirksam ist. Die Förderung kann vom Ankerraum in die zweite Lagerzone oder umgekehrt erfolgen, je nach Orientierung der asymmetrischen Formelemente.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Hubkolbenpumpe besteht der Zylinder aus einem Träger und zwei Lagerbuchsen, wobei die Lagerspiele in den drei dadurch ausgebildeten Lagerzonen unterschiedlich groß ausgeführt sind, um eine gute Abdichtung für die erste Lagerbuchse, eine gute Lagertragfähigkeit für die zweite Lagerbuchse und eine gute Pumpwirkung für den mittleren Zylinderbereich zu erreichen.
In einer alternativen Weiterentwicklung der Hubkolbenpumpe besteht der Zylinder aus einem Träger und einer Lagerbuchse an dem an den Verdrängungsraum 3 angrenzenden Ende des Zylinders, wobei die Lagerbuchse ein kleineres Lagerspiel zum Kolben aufweist als der Träger, damit eine gute Abdichtung erreicht wird.
In einer weiteren Entwicklung der Hubkolbenpumpe ist eine der Lagerbuchsen oder es sind beide Lagerbuchsen zur besseren Kühlung in dem Träger in einer unterbrochenen Bohrung aufgenommen, deren flüssigkeitsgefüllte Unterbrechungszone durch einen fluidleitenden Kanal mit einem angrenzenden flüssigkeitsführenden Raum verbunden ist, wodurch ein Flüssigkeitsaustausch ermöglicht wird.
Die beschriebenen Ausführungen sind geeignet, den Lagerspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu kühlen und im Falle der Spülung eventuell anfallende Verschleißprodukte abzuführen.
Die technische Lehre zur Spülung und Kühlung des Lagers lässt sich auf Hubkolbenpumpen unterschiedlicher Bauart anwenden, vorzugsweise auf elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen der bekannten Bauarten mit

• drückendem oder ziehendem Anker,
• einem oder zwei Verdrängerräumen
• Förderung bei bestromtem Elektromagnet oder bei der Rückkehr des Ankers in die Ruhelage
• Steuerung nur durch Rückschlagventile oder durch eine Kombination aus einem Rückschlagventil und einer hubabhängigen Schlitzsteuerung
• einer Kombination eines Ventils zwischen den Verdrängerräumen mit einem Einlassventils oder mit einem Auslassventil.

Zum Betrieb der Hubkolbenpumpe wird eine gesteuerte elektrische Spannung oder ein geregelter elektrischer Strom für den Elektromagneten eingesetzt. Die elektrische Versorgung weist einen pulsförmigen zeitlichen Verlauf auf, wobei die Frequenz die Fördermenge der Hubkolbenpumpe bestimmt, das Puls-Pausen-Verhältnis ist auf den Druck am Auslass der Pumpe abgestimmt, und die Flankensteilheiten der Pulse sind auf die Anforderungen der Flüssigkeitsströmung in der Lagerung abgestimmt. Dabei kann eine große Flankensteilheit helfen, eine schnelle Änderung des Flüssigkeitsstroms zu bewirken, und diese ist vorteilhaft für den Abtransport von Verschleißprodukten aus dem Lagerbereich. Dem oben beschriebenen sich zyklisch wiederholenden Verlauf der elektrischen Spannung oder des elektrischen Stroms kann eine höherfrequente Pulsweitenmodulation überlagert sein, die der Regelung des elektrischen Stroms, der bedarfsgerechten Minderung der elektrischen Leistung und/oder der Formung der Flanken der niederfrequenten Pulse dient.
Die beiden Maßnahmen zur Erzeugung und Beeinflussung einer zusätzlichen Pumpwirkung, die Umlaufnuten mit asymmetrischen Kanten und Gestaltung der elektrischen Pulse mit abgestimmten Flankensteilheiten, können in vorteilhafter Weise kombiniert werden, damit sich ihre Wirkungen gegenseitig verstärken.
Hubkolbenpumpen der beschriebenen Art finden als Dosierpumpen und als Förderpumpen Anwendung in kraftstoffbetriebenen Standheizungen, Zusatzheizungen und Abgasreinigungsanlagen in Fahrzeugen.
Bilder:
1 zeigt die Hubkolbenpumpe der ersten Ausführung mit asymmetrischen Umlaufnuten.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms bei einer Überlagerung des Arbeitspulses mit einer höherfrequenten Pulsweitenmodulation
Beispielhafte Ausführung
Die Hubkolbenpumpe 1 gemäß 1 wird durch einen Elektromagneten 2 angetrieben und enthält einen mit einem Kolben 9, der die Flüssigkeit verdrängt und den Ankerkolben 12 des Elektromagneten 2 trägt. Dazu ist er in einem Zylinder 10 in einem Lager mit drei Lagerzonen 21, 22 und 23 gelagert. Mindestens die Lagerzonen 22 und 23 werden mit der Flüssigkeit durchspült, indem bei einer zyklischen Hubbewegung des Kolbens 9 eine zusätzliche Pumpwirkung durch die Ausnutzung einer Schleppströmung für die Flüssigkeit im Lager erzeugt wird. Die Flüssigkeit wird aus dem an die dritte Lagerzone 23 angrenzenden Ankerraum 4 angesaugt und durch geeignete fluidleitende Kanäle in den Ankerraum 4 zurückgepumpt, oder durch die fluidleitenden Kanäle angesaugt und durch die dritte Lagerzone 23 zurückgepumpt.
Die Umlaufnuten 33 in der mittleren Lagerzone 22 im Kolben 9 oder im Zylinder 10 erzeugen durch ihre asymmetrisch ausgeführten Kanten bei einer zyklischen Hubbewegung des Kolbens 9 im Zylinder 10 eine gerichtete Schleppströmung der Flüssigkeit im Spalt und damit eine Pumpwirkung, wobei die Kanten unterschiedliche Kantenradien, Fasen oder aus Radien und Fasen zusammengesetzte Formelemente aufweisen.
Wie in 1 dargestellt, besteht der Zylinder 10 vorzugsweise aus einem Träger 30 und zwei Lagerbuchsen 31 und 32, wobei die Lagerspiele in den drei Lagerzonen unterschiedlich groß ausgeführt sind, um eine gute Abdichtung für die erste Lagerbuchse 31, eine gute Lagertragfähigkeit für die zweite Lagerbuchse 32 und eine gute Pumpwirkung für den mittleren Zylinderbereich zu erreichen. In einer alternativen Ausführung besteht der Zylinder 10 aus einem Träger 30 und einer Lagerbuchse 31 an dem an den Verdrängungsraum 3 angrenzenden Ende des Zylinders, wobei die Lagerbuchse 31 ein kleineres Lagerspiel zum Kolben aufweist als der Träger 30. Die Lagerbuchsen 31 und 32 sind in einer vorteilhaften Ausführung in dem Träger 30 in einer unterbrochenen Bohrung aufgenommen, deren flüssigkeitsgefüllte Unterbrechungszone 34 mit dem Ankerraum 4 oder dem Verdrängerraum 3 verbunden ist, wodurch ein Flüssigkeitsaustausch mit den angrenzenden flüssigkeitsführenden Räumen ermöglicht wird.
Wie 2 darstellt, weist die von der elektrischen Ansteuerung 36 erzeugte elektrische Spannung oder der zugeordnete elektrische Strom zur Versorgung des Elektromagneten 2 einen pulsartigen sich zyklisch wiederholenden zeitlichen Verlauf auf, wobei die Frequenz die Fördermenge der Hubkolbenpumpe bestimmt, das Puls-Pausen-Verhältnis auf den Druck am Auslass der Hubkolbenpumpe abgestimmt ist und die Flankensteilheiten des Anstiegs oder des Abfalls der Pulse auf die optimale Pumpwirkung durch die asymmetrischen Nutkanten abgestimmt sind. In 2 sind nur beispielhaft unterschiedliche Flankensteilheiten für den Anstieg und den Abfall dargestellt. Dem oben beschriebenen sich zyklisch wiederholenden Verlauf des elektrischen Stroms oder der elektrischen Spannung ist eine höherfrequente Pulsweitenmodulation überlagert, die der Regelung des elektrischen Stroms, der bedarfsgerechten Minderung der elektrischen Leistung und/oder der Formung der Flanken der niederfrequenten Pulse dient.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Elektromagnet
3: Verdrängerraum
4: Ankerraum
9: Kolben
10: Zylinder
12: Ankerkolben
21: Erste Lagerzone
22: Zweite Lagerzone
23: Dritte Lagerzone
30: Träger
31: Erste Lagerbuchse
32: Zweite Lagerbuchse
33: Umlaufnut
34: Unterbrechungszone
35: Kanal
36: Ansteuerung (nicht dargestellt)

Claims

Durch einen Elektromagneten (2) angetriebene Hubkolbenpumpe (1) mit einem Kolben (9), der die Flüssigkeit verdrängt und den Ankerkolben (12) des Elektromagneten (2) trägt und dazu in einem Zylinder (10) in einem Lager mit einer Mehrzahl von Lagerzonen, zum Beispiel mit den Lagerzonen (21), (22) und (23), gelagert ist, wobei der Elektromagnet (2) von einer elektrischen Ansteuerung (36) pulsierend mit elektrischer Energie versorgt wird dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Lagerzonen (22) und (23) mit Flüssigkeit durchspült werden, indem bei einer zyklischen Hubbewegung des Kolbens (9) eine zusätzliche Pumpwirkung durch die Ausnutzung einer Schleppströmung für die Flüssigkeit im Lager erzeugt wird, und dass die Flüssigkeit umlaufend aus dem an die dritte Lagerzone (23) angrenzenden Ankerraum (4) angesaugt und durch geeignete fluidleitende Kanäle (35) in den Ankerraum (4) zurückgepumpt wird, indem die Umlaufnuten (33) in der mittleren Lagerzone (22) im Kolben (9) durch ihre asymmetrisch ausgeführten Kanten bei einer zyklischen Hubbewegung des Kolbens (9) im Zylinder (10) eine gerichtete Schleppströmung der Flüssigkeit im Spalt und damit eine Pumpwirkung erzeugen, wobei die Kanten einlassseitig und auslassseitig unterschiedliche Konturen wie zum Beispiel Kantenradien, Fasen oder aus Radien und Fasen zusammengesetzte Formelemente aufweisen, und dass die Pulse des elektrische Stroms zur Versorgung des Elektromagneten (2) gleiche oder unterschiedliche Flankensteilheiten des Anstiegs und des Abfalls aufweisen, die auf eine Verstärkung der Pumpwirkung durch die asymmetrischen Nutkanten abgestimmt sind.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (10) aus einem Träger (30) und zwei Lagerbuchsen (31) und (32) besteht, wobei die Lagerspiele in den drei Lagerzonen unterschiedlich groß ausgeführt sind, um eine gute Abdichtung für die erste Lagerbuchse (31), eine gute Lagertragfähigkeit für die zweite Lagerbuchse (32) und eine gute Pumpwirkung für den mittleren Zylinderbereich zu erreichen.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (10) aus einem Träger (30) und einer Lagerbuchse (31) an dem an den Verdrängungsraum (3) angrenzenden Ende des Zylinders besteht, wobei die Lagerbuchse (31) ein kleineres Lagerspiel zum Kolben aufweist als der Träger (30).
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchsen (31) und/oder (32) in dem Träger (30) in einer unterbrochenen Bohrung aufgenommen sind, deren flüssigkeitsgefüllte Unterbrechungszone (34) über fluidleitende Kanäle jeweils mit dem Ankerraum (4) oder dem Verdrängerraum (3) verbunden ist, wodurch ein Flüssigkeitsaustausch ermöglicht wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung oder der elektrische Strom zur Versorgung des Elektromagneten (2) einen pulsartigen sich zyklisch wiederholenden zeitlichen Verlauf aufweist, wobei die Frequenz die Fördermenge der Hubkolbenpumpe bestimmt, das Puls-Pausen-Verhältnis auf den Druck am Auslass der Hubkolbenpumpe abgestimmt ist und die Flankensteilheiten des Anstiegs oder des Abfalls der Pulse auf eine Verstärkung der Pumpwirkung durch die asymmetrischen Nutkanten abgestimmt sind, wobei dem oben beschriebenen sich zyklisch wiederholenden Verlauf des elektrischen Stroms oder der elektrischen Spannung eine höherfrequente Pulsweitenmodulation überlagert ist, die der Regelung des elektrischen Stroms, der bedarfsgerechten Minderung der elektrischen Leistung und/oder der Formung der Flanken der niederfrequenten Pulse dient.