DE102012006782B4

DE102012006782B4 - Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe mit einem durch das Pumpenfluid durchströmtem Gleitlager mit Vertiefungen im Bereich des Lagerspalts zwischen Kolben und Zylinder

Info

Publication number: DE102012006782B4
Application number: DE102012006782.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Feckler; Mike Heck; Axel Müller; Olaf Ohligschläger; Tabea Reinschmidt; Robert Wellnitz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: CN103362771B; DE102012006782A1; CN103362771A; US9394890B2; US20130280103A1

Abstract

Eine durch einen Elektromagneten (2) angetriebene Hubkolbenpumpe (1) soll eine Lagerung des Kolbens (9) in einem Zylinder (10) aufweisen, die vor lokaler Überhitzung geschützt ist und aus der Zersetzungs- und Reaktionsprodukte sowie eventuell anfallende Verschleißprodukte abgeführt werden.Dazu sind in dem Lagerspalt (11) zwischen dem Kolben (9) und dem Zylinder (10) längliche Vertiefungen in einer der beiden Lageroberflächen vorgesehen, die von der Flüssigkeit teilweise durchströmt werden, die von dem Kolben (9) im Zusammenwirken mit anderen Bauteilen der Hubkolbenpumpe wirksam für die Förderleistung der Hubkolbenpumpe gefördert wird.Hubkolbenpumpen der beschriebenen Art finden als Dosierpumpen und als Förderpumpen Anwendung in kraftstoffbetriebenen Standheizungen, Zusatzheizungen und Abgasreinigungsanlagen in Fahrzeugen.

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 4328621 C2 und der DE 10 2011 111 926 A1 , und sie haben sich bewährt.
Mit der Verbreitung von Kraftstoffen mit höherem Anteil von nicht erdölbasierten Inhaltsstoffen wie zum Beispiel von 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 oder durch die schlechteren Schmiereigenschaften im Vergleich zu rein erdölbasierten Medien.
Aus den Druckschrifen US 1396296 A1 , US 2337821 A und US 3153987 A ist es bekannt, sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung verlaufende Nuten auf der Kolbenoberfläche vorzusehen, die geeignet sind, die Schmierung zu verbessern und gegebenenfalls Abriebprodukte in den Nuten festzuhalten. Die Nuten sind zum Teil durch Bohrungen mit der Arbeitsseite des Pumpenkolbens verbunden.
Auch die Druckschiften US 2231861 A , US 2371846 A und US 5140905 A zeigen Pumpen mit axialen Umfangsnuten, die über Bohrungen mit Flüssigkeit versorgt werden.
Die Druckschriften FR 1407722 A und US 2937659 A zeigen einen Pumpenkolben mit einem darin aufgenommenen Rückschlagventil, der den geförderten Volumenstrom durch Nuten im Kolben zur Druckseite hin abführt. Die Druckschrift US 4644851 A zeigt einen Kompressor, dessen Kolbenlagerung durch Druckfelder unterstützt wird, die von der Arbeitsseite des Kolbens her mit Medium versorgt werden.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, durch den Lagerspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder einen Flüssigkeitsstrom zu leiten, der die Lagerung kühlt und eventuell anfallende Zersetzungs- und Reaktionsprodukte 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 Merkmale des ersten oder des nebengeordneten zweiten Anspruchs gelöst. Der letzte Anspruch beschreibt ein Verfahren zum Betrieb der Hubkolbenpumpe.
Eine durch einen Elektromagneten angetriebene Hubkolbenpumpe enthält neben den notwendigen Anschlüssen, zwei Ventilen und Gehäusebauteilen einen Kolben, der in einem Zylinder abdichtend gelagert ist und den Ankerkolben des Elektromagneten trägt. Die Lagerung muss mindestens in einem Abschnitt ein sehr geringes Lagerspiel aufweisen, damit eine druckunabhängige Förderung und präzise Dosierung erreicht wird, und sie muss die Querkräfte des Ankerkolbens aufnehmen, wobei der ankerraumseitige Lagerabschnitt bei einer Bestromung des Elektromagneten am höchsten belastet wird.
Zur Kühlung des Lagers und zum Abtransport anfallender Zersetzungs- und Reaktionsprodukte sowie potentieller Verschleißprodukte sind in dem Lagerspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder lange, gewendelte Vertiefungen, zum Beispiel spiralförmige Nuten oder flache Gewinde, in mindestens einer der beiden Oberflächen vorhanden. Diese Vertiefungen werden von einem Anteil der Flüssigkeit durchströmt, die ohnehin im Zuge der Verdrängung von dem Kolben der Hubkolbenpumpe gefördert wird, weil ein dazu vorgesehener fluidleitender Kanal, vorzugsweise eine Querbohrung im Kolben, das im Kolben liegende Rückschlagventil mit den Vertiefungen verbindet.
In einer ersten Ausführung wird ein Teil des Förderstroms der Hubkolbenpumpe zu den Vertiefungen über eine widerstandsarme fluidische Verbindung, zum Beispiel eine Querbohrung in dem Kolben, geleitet. Die Vertiefungen stehen über eine weitere widerstandsarme fluidische Verbindung mit dem Ankerraum in Verbindung. Die fluidischen Verbindungen werden von einer Teilmenge des Förderstroms durchströmt, die von dem Kolben im Zusammenwirken mit dem Zylinder wirksam für die Abgabeleistung der Hubkolbenpumpe gefördert wird.
Dabei wird die Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe, welche durch die Vertiefungen in den Oberflächen geleitet wird, durch eine Querbohrung, die eine zweite Längsbohrung in dem Kolben anschneidet, in die zweite Längsbohrung und dann durch eine weitere die zweite Längsbohrung anschneidende Querbohrung in den Ankerraum geleitet, und eine andere Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe von der ersten Längsbohrung durch eine zentral in dem Kolben angeordnete und die Aufteilung der Teilmengen des Förderstroms bestimmende Bohrung in die zweite Längsbohrung und dann durch eine weitere die zweite Längsbohrung anschneidende Querbohrung in den Ankerraum geleitet.
Dabei erstrecken sich die genannten Vertiefungen nicht bis in den Ankerraum. Dadurch kann die hochbelastete Lagerzone, die an den Ankerraum angrenzt, ohne Vertiefungen ausgeführt werden.
In einer zweiten Ausführung sind ebenfalls in einem Lagerspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder eine oder mehrere Vertiefungen in mindestens einer der beiden Lageroberflächen vorhanden.
Dabei erstreckt sich jede Vertiefung über einen erheblichen Teil der Länge des Kolbens oder des Zylinders und die Vertiefungen erstrecken sich nicht bis in den Ankerraum und nicht in den Verdrängeraum, und die Vertiefungen sind gewendelt, um einen großen Teil der Gegenfläche zu überstreichen.
Dabei stehen die Vertiefungen über eine widerstandsarme fluidische Verbindung, zum Beispiel eine Querbohrung in dem Kolben, mit dem Ventil in Verbindung, und zusätzlich stehen die Vertiefungen über eine weitere widerstandsarme fluidische Verbindung und über eine Längsbohrung in dem Kolben mit dem Ankerraum in Verbindung.
Dabei werden die fluidischen Verbindungen von einer Teilmenge des Förderstroms durchströmt, die von dem Kolben im Zusammenwirken mit dem Zylinder wirksam für die Abgabeleistung der Hubkolbenpumpe gefördert wird, wobei die Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe, welche durch die Vertiefungen in den Oberflächen geleitet wird, durch eine Querbohrung im Zylinder und durch weitere fluidleitende Kanäle, die sich außerhalb des Kolbens befinden, zum Ankerraum geführt wird.
Eine andere Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe wird von der ersten Längsbohrung durch eine die Längsbohrung anschneidende und eine Fluidverbindung zum Ankerraum herstellende und die Aufteilung der Teilmengen des Förderstroms bestimmende Querbohrung geleitet.
In der ersten und der zweiten Ausführung wird nur ein Teil des Pumpenförderstroms durch die Lagerzone geleitet und der übrige Förderstrom durch eine drosselnde Verbindung von der ersten zur zweiten Längsbohrung geführt, wobei die Größe der Querbohrungen einerseits und die drosselnde Verbindung andererseits die Aufteilung der Teilströme bestimmt.
Die bisher beschriebenen Ausführungen beziehen sich auf Hubkolbenpumpen, die den Flüssigkeitsstrom vom Einlass in den Verdrängerraum und dann durch den Ankerraum zum Auslass führen. Die technische Lehre dieser Erfindung lässt sich aber auch auf solche Hubkolbenpumpen anwenden, die den Flüssigkeitsstrom vom Einlass in den Ankerraum und dann durch den Verdrängerraum zum Auslass führen. Dabei ergibt sich eine andere Richtung der Durchströmung des Lagers, aber alle wesentlichen Merkmale der Erfindung bleiben erhalten.
Die beschriebenen Ausführungen sind geeignet, den Lagerspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu kühlen und gegebenenfalls zusätzlich die anfallenden Zersetzungs- und Reaktionsprodukte sowie potentielle Verschleißprodukte abzuführen. Die beschriebenen Ausführungen weisen eine Lagerzone am ankerraumseitigen Ende des Zylinders auf, die nicht durch Vertiefungen unterbrochen ist.
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 PulsPausen-Verhältnis ist auf den Druck am Auslass der Pumpe abgestimmt, und die Flankensteilheiten der Pulse sind auf die Anforderungen der Flüssigkeitsströmung durch den Zylinder 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. Der Grundfrequenz der gepulsten elektrischen Leistung ist dazu eine zusätzliche Pulsweitenmodulation überlagert, um die momentane elektrische Leistung dem Bedarf anzupassen und um die genannte Flankensteilheit einzustellen. Die Beeinflussung der Flankensteilheit durch die beschriebene überlagerte Pulsweitenmodulation läßt sich auch als eine gezielte Erzeugung von geeigneten Oberwellen beschreiben.
Hubkolbenpumpen der beschriebenen Art finden als Dosierpumpen und als Förderpumpen Anwendung in kraftstoffbetriebenen Standheizungen, Zusatzheizungen und Abgasreinigungsanlagen in Fahrzeugen.
Bilder:

1 zeigt eine Dosierpumpe entsprechend dem Stand der Technik
2 zeigt die Hubkolbenpumpe der ersten Ausführung mit drei Querbohrungen im Kolben.
3 zeigt die Hubkolbenpumpe der zweiten Ausführung mit einer Querbohrung im Zylinder
4 zeigt den Verlauf der Spannung und des Stromes für eine charakteristische Ansteuerung mir einer Beeinflussung der Flankensteilheit.

Beispielhafte Ausführung
Die durch einen Elektromagneten 2 angetriebene Hubkolbenpumpe 1 enthält zwei Rückschlagventile 5 und 6 sowie einen Kolben 9, der in einem Zylinder 10 abdichtend gelagert ist, und den Ankerkolben 12 des Elektromagneten 2 trägt.
Der Förderstrom der Hubkolbenpumpe 1 wird in einer ersten Ausführung gemäß 2 teilweise von dem Ventil 6 durch die Querbohrung 13 zu Vertiefungen in der Oberfläche des Kolbens 9 oder des Zylinders 10, dann durch die Querbohrung 14 in die Längsbohrung 17 des Kolbens und dann durch die Querbohrung 16 in den Ankerraum 4 geleitet. Die Vertiefungen erstrecken sich nicht bis in den Ankerraum und nicht bis in den Verdrängerraum 3.
In der zweiten Ausführung gemäß 3 wird der Förderstrom von der durchströmten Lagerzone 22 durch eine Querbohrung 30 im Zylinder und durch weitere fluidleitende Kanäle 31 zum Ankerraum geführt. Entsprechend der zweiten Ausführung wird ein Teilstrom durch eine Querbohrung 16 im Kolben zum Ankerraum geleitet werden, wobei die Größe dieser Querbohrung die Aufteilung der Teilströme bestimmt.
Im Betrieb weist die gesteuerte elektrische Spannung oder der geregelte elektrische Strom zur Versorgung des Elektromagneten 2 einen pulsförmigen zeitlichen Verlauf auf, wie in 4 dargestellt. Diesem kann eine zusätzliche Pulsweitenmodulation überlagert sein, um die elektrische Leistung bedarfsgerecht zu vermindern und den Oberwellengehalt und die Flankensteilheit der Pulse zu beeinflussen. Dabei bestimmt die Grundfrequenz die Fördermenge der Hubkolbenpumpe, das zugehörige Puls-Pausen-Verhältnis ist auf den Druck am Auslass der Hubkolbenpumpe abgestimmt und die Flankensteilheiten der Pulse sind auf die Anforderungen der Flüssigkeitsströmung durch den Zylinder abgestimmt.
Bezugszeichenliste

1.: Hubkolbenpumpe
2.: Elektromagnet
3.: Erster Verdrängerraum
4.: Ankerraum
5.: Erstes Rückschlagventil
6.: Zweites Ventil
7.: Einlass
8.: Auslass
9.: Kolben
10.: Zylinder
11.: Lagerspalt
12.: Ankerkolben
13.: Erste Querbohrung
14.: Zweite Querbohrung
15.: Längsbohrung
16.: Dritte Querbohrung
17.: Zweite Längsbohrung
21.: Erste Lagerzone
22.: Zweite Lagerzone
23.: Dritte Lagerzone
29.: Bohrung
30.: Querbohrung
31.: Fluidleitende Kanäle

Claims

Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe (1) mit einem Kolben (9), der das Fluid verdrängt und einen Ankerkolben (12) eines Elektromagneten (2) trägt und dazu in einem Zylinder (10) abdichtend gelagert ist, wobei die Hubkolbenpumpe (1) durch zwei Ventile gesteuert wird, nämlich durch ein erstes einlassseitiges Rückschlagventil (5) und ein zweites Ventil (6), das in dem Ankerkolben (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lagerspalt (11) zwischen dem Kolben (9) und dem Zylinder (10) eine oder mehrere Vertiefungen in mindestens einer der beiden Lageroberflächen vorhanden sind, wobei sich jede Vertiefung über einen erheblichen Teil der Länge des Kolbens (9) oder des Zylinders (10) erstreckt und die Vertiefungen sich nicht bis in den Ankerraum (4) und nicht in den Verdrängeraum (3) erstrecken, und wobei die Vertiefungen gewendelt sind, um einen großen Teil der Gegenfläche zu überstreichen, und wobei die Vertiefungen über eine widerstandsarme fluidische Verbindung, zum Beispiel eine Querbohrung (13) in dem Kolben (9), mit dem Ventil (6) über eine Längsbohrung (15) in dem Kolben (9) in Verbindung stehen und die Vertiefungen über eine weitere widerstandsarme fluidische Verbindung mit dem Ankerraum (4) in Verbindung stehen und die fluidischen Verbindungen von einer Teilmenge des Förderstroms durchströmt werden, die von dem Kolben (9) im Zusammenwirken mit dem Zylinder (10) wirksam für die Abgabeleistung der Hubkolbenpumpe gefördert wird wobei die Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe, welche durch die Vertiefungen in den Oberflächen geleitet wird, durch eine Querbohrung (14), die eine zweite Längsbohrung (17) in dem Kolben anschneidet, in die zweite Längsbohrung (17) und dann durch eine weitere die zweite Längsbohrung (17) anschneidende Querbohrung (16) in den Ankerraum (4) geleitet wird, und eine andere Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe von der ersten Längsbohrung (15) durch eine zentral in dem Kolben (9) angeordnete und die Aufteilung der Teilmengen des Förderstroms bestimmende Bohrung (29) in die zweite Längsbohrung (17) und dann durch eine weitere die zweite Längsbohrung (17) anschneidende Querbohrung (16) in den Ankerraum geleitet wird.
Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe (1) mit einem Kolben (9), der das Fluid verdrängt und einen Ankerkolben (12) eines Elektromagneten (2) trägt und dazu in einem Zylinder (10) abdichtend gelagert ist, wobei die Hubkolbenpumpe (1) durch zwei Ventile gesteuert wird, nämlich durch ein erstes einlassseitiges Rückschlagventil (5) und ein zweites Ventil (6), das in dem Ankerkolben (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lagerspalt (11) zwischen dem Kolben (9) und dem Zylinder (10) eine oder mehrere Vertiefungen in mindestens einer der beiden Lageroberflächen vorhanden sind, wobei sich jede Vertiefung über einen erheblichen Teil der Länge des Kolbens (9) oder des Zylinders (10) erstreckt und die Vertiefungen sich nicht bis in den Ankerraum (4) und nicht in den Verdrängeraum (3) erstrecken, und wobei die Vertiefungen gewendelt sind, um einen großen Teil der Gegenfläche zu überstreichen, und wobei die Vertiefungen über eine widerstandsarme fluidische Verbindung, zum Beispiel eine Querbohrung (13) in dem Kolben (9), mit dem Ventil (6) über eine Längsbohrung (15) in dem Kolben (9) in Verbindung stehen und die Vertiefungen über eine weitere widerstandsarme fluidische Verbindung mit dem Ankerraum (4) in Verbindung stehen und die fluidischen Verbindungen von einer Teilmenge des Förderstroms durchströmt werden, die von dem Kolben (9) im Zusammenwirken mit dem Zylinder (10) wirksam für die Abgabeleistung der Hubkolbenpumpe gefördert wird, wobei die Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe, welche durch die Vertiefungen in den Oberflächen geleitet wird, durch eine Querbohrung (30) im Zylinder (10) und durch weitere fluidleitende Kanäle (31), die sich außerhalb des Kolbens (9) befinden, zum Ankerraum (4) geführt wird, und eine andere Teilmenge des Förderstroms der Hubkolbenpumpe (1) von der ersten Längsbohrung (15) durch eine die Längsbohrung (15) anschneidende und eine Fluidverbindung zum Ankerraum (4) herstellende und die Aufteilung der Teilmengen des Förderstroms bestimmende Querbohrung (16) geleitet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung oder der elektrische Strom zur Versorgung des Elektromagneten (2) einen sich wiederholenden pulsförmigen zeitlichen Verlauf aufweist, der zusätzlich im Sinne einer Pulsweitenmodulation unterbrochen wird, wobei die Grundfrequenz die Fördermenge bestimmt, das zugehörige Puls-Pausen-Verhältnis auf den Druck am Auslass der Pumpe abgestimmt ist und die Flankensteilheiten der ansteigenden und abfallenden Flanken der zugehörigen Pulse auf die Anforderungen der Flüssigkeitsströmung durch die Lagerung im Zylinder abgestimmt sind.