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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Frischgasleitung und einer Abgasleitung, weiterhin aufweisend einen brennkraftmaschinenexternen Fluidkreislauf mit zumindest einem in die Abgasleitung eingesetzten Wärmetauscher im Form eines Verdampfers, einer Expansionsmaschine, einen Kühler in Form eines Kondensators und eine Fördereinrichtung, wobei die Expansionsmaschine dazu ausgelegt ist, direkt oder indirekt mechanische Energie zu erzeugen.
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Stand der Technik
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Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der
DE 198 39 396 A1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist einen brennkraftmaschinenexternen Fluidkreislauf auf, dem Energie in Form von Abwärme der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dazu ist in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine ein Verdampfer eingesetzt, in dem ein Fluid des Fluidkreislaufs verdampft. Der so erzeugte Dampf wird einer Expansionsmaschine in Form einer Turbine zugeführt, die von dem Dampf angetrieben wird und direkt oder indirekt mechanische Energie erzeugt. Danach wird der gegebenenfalls teilweise kondensierte Dampf einem Kondensator und dann wiederum dem Verdampfer zugeführt. Dabei wird das Fluid von einer geeigneten Fördereinrichtung durch den Fluidkreislauf gepumpt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem brennkraftmaschinenexternen Fluidkreislauf bereitzustellen, bei der die Fördereinrichtung des externen Fluidkreislaufs hinsichtlich ihrer Funktion optimiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Fördereinrichtung eine regelbare Zahnradpumpe ist.
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Eine regelbare Zahnradpumpe ermöglicht es, sowohl den Volumenstrom und/oder den Druck des Fluids an die in dem Fluidkreislauf beziehungsweise an die in dem Fluidprozess erforderlichen Größen verzögerungsfrei anzupassen. Damit kann die Förderung des Fluids bedarfsgerecht erfolgen und es findet kein Energieverlust durch eine ständige Förderung beziehungsweise einer Erzeugung eines zu großen Drucks des Fluids statt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Zahnradpumpe eine Innenzahnradpumpe. Eine Innenzahnradpumpe ist besonders geeignet, den Volumenstrom und/oder den Druck des Fluids verzögerungsfrei einzustellen. Dabei kann die Innenzahnradpumpe als eine axial- und radialspaltkompensierende Konstantpumpe oder als eine axial- und radialspaltkompensierende Verstellpumpe ausgebildet sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Antrieb der Innenzahnradpumpe ein Elektromotor. Ein Elektromotor kann problemlos drehzahlvariabel ausgebildet sein und somit die Innenzahnradpumpe mit einer bedarfsgerechten Drehzahl gemäß einer Volumenstromvorgabe antreiben. Der Elektromotor kann beispielsweise als bürstenloser elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ausgebildet sein.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Antrieb der Innenzahnradpumpe ein mechanischer Antrieb, der wiederum in weiterer Ausgestaltung ein stufenloses Getriebe einschließt. Mittels des stufenlos einstellbaren Getriebes kann die beispielsweise Konstantdrehzahl des mechanischen Antriebs beliebig verändert werden und somit die Drehzahl der Innenzahnradpumpe gemäß einer Volumenstromvorgabe variiert werden. Weiterhin ist als Antrieb ein hydraulischer Antrieb vorgesehen, der ebenfalls problemlos stufenlos regelbar ist. Insbesondere ergänzend dazu kann eine Druckregelung über ein in den Fluidkreislauf vorzugsweise zahnradpumpennah eingebautes (oder mehrere) Druckventil(e) erfolgen, das regelbar und/oder kontinuierlich verstellbar ist. Damit ist eine Anpassung an den in dem Kreisprozess erforderlichen Prozessdruck möglich. Das Druckregelventil ist bevorzugt in ein nachfolgen erläutertes gemeinsame Gehäuse von der Zahnradpumpe und gegebenenfalls deren Antrieb integriert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Zahnradpumpe und der Antrieb der Zahnradpumpe das gemeinsame Gehäuse auf. Bevorzugt sind in dem Gehäuse eine Innenzahnradpumpe und ein Elektromotor miteinander kombiniert. Es können aber auch das stufenlose Getriebe und/oder das Druckventil in das gemeinsame Gehäuse integriert sein. Dabei kann das Gehäuse weiterhin so ausgestaltet sein, dass das eintretende Fluid (oder ein anderes Kühlfluid) zur Kühlung des Elektromotors an diesem in geeigneter Weise vorbeigeführt wird. Alternativ oder ergänzend ist in das Gehäuse zumindest ein Temperierungskanal eingelassen. Durch den Temperierungskanal kann ein Heizmedium, beispielsweise Abgas der Brennkraftmaschine oder heißes Kühlwasser der Brennkraftmaschine geleitet werden. Alternativ kann in den Temperierungskanal (oder auch direkt in das Gehäuse) eine elektrische Zusatzheizung eingebaut sein. Das Heizmedium beziehungsweise die Zusatzheizung wird für den Fall von Eisbildung und/oder der Gefahr von gefrorenen Bauteilen im Gesamtsystem oder in einzelnen Systemkomponenten eingesetzt, um durch Wärmeeintrag ein Entfrosten insbesondere der Pumpenbauteile zu ermöglichen. Auch kann eine Vorwärmung der Pumpenbauteile bei niedrigen Umgebungstemperaturen erfolgen. Die Innenzahnradpumpe und die sonstigen Komponenten werden erst bei Erreichen einer festgelegten Mindesttemperatur in Betrieb gesetzt.
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In weiterer Ausgestaltung weist die Zahnradpumpe ein Thermoelement auf, wobei das Thermoelement als Mikrothermoelement ausgeführt sein kann. Ein oder mehrere solcher Thermoelemente können an beliebiger Stelle der Innenzahnradpumpe (oder auch des gemeinsamen Gehäuses für die Innenzahnradpumpe und den Elektromotor) angeordnet sein und die ermittelte Temperatur an eine Steuer- und Regeleinrichtung übermitteln. Die Steuer- und Regeleinrichtung steuert den Durchfluss des Heizmediums durch den Temperierungskanal beziehungsweise die elektrische Zusatzheizung und darüberhinaus gegebenenfalls die temperaturabhängige Inbetriebnahme der Innenzahnradpumpe.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Zahnradpumpe einen hydraulischen Speicher auf, aus dem insbesondere Lastspitzen bei einem in stationärem Betrieb ausgeglichen werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Werkstoff der Nichtverdrängerbauteile und/oder der Nichtverstellelemente der Zahnradpumpe ein Kunststoffwerkstoff, beispielsweise ein thermoplastisches Polymer wie PPS oder PEEK. Diese Werkstoffe sind besonders geeignet und lassen sich bei hoher Haltbarkeit gut verarbeiten. Dabei kann auch eine Kombination von mehreren gleichen oder unterschiedlichen thermoplastischen Polymeren oder duroplastischen Polymeren sowie eine Kombination von mehreren gleichen oder unterschiedlichen duroplastischen Polymeren zum Einsatz kommen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff der Verdrängerbauteile (Hohlrad, Ritzel) und/oder der Verstellelemente der Zahnradpumpe ein metallischer oder keramischer Werkstoff. Der metallische Werkstoff kann beispielsweise Stahl, Sintereisen oder Leichtmetall sein, wobei die Oberfläche des metallischen Werkstoffs mit einer im Spritzgussverfahren hergestellten Polymerschicht beschichtet sein kann. In weiterer Ausgestaltung ist der Werkstoff der Verdrängerbauteile und/oder der Verstellelemente der Zahnradpumpe eine Kombination von keramischen Grundwerkstoffen, beispielsweise Siliziumcarbid und Aluminiumoxid. Die Oberfläche kann auch hier mit einer im Spritzgussverfahren hergestellten Polymerschicht beschichtet sein.
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Die Polymerschicht kann insbesondere durch den Zusatz von molybdenhaltigen chemischen Stoffen oder anderen Festschmierstoffen eine Antihafteigenschaft besitzen, um das Zusammenhaften im Fall von negativen Temperaturen zu verhindern bzw. zu reduzieren.
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Die Lagerbauteile der Zahnradpumpe werden als Grundwerkstoff gegebenenfalls mit einer Laufschicht aus einem Polymer und einem Zusatz von molybdenhaltigen chemischen Stoffen oder anderen Festschmierstoffen versehen, die eine Antihafteigenschaft bewirken.
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Die Bauteile können auch insbesondere im Nieder- oder Hochtemperatur-Vakuumprozess hergestellte Oberflächen wie diamantähnliche Kohlenstoffschichten oder andere Schichten wie zum Beispiel Titannitrid, Titancarbid, Wolframcarbid besitzen. Ein Niedertemperatur-Vakuumprozess ist durch Prozesstemperaturen von ≤ 220°C charakterisiert. Die Bauteile können auch insbesondere Oberflächen mit sogenannten Gleitlacken besitzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 in einer Schemadarstellung eine Brennkraftmaschine mit deren wesentlichen Anbauteilen sowie den mit der Brennkraftmaschine beziehungsweise deren Anbauteile zusammenwirkenden brennkraftmaschinenexternen Fluidkreislauf,
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2 eine Stirnansicht einer Innenzahnradpumpe als Fördereinrichtung für einen Fluidkreislauf,
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3 eine Schnittdarstellung einer Innerzahnradpumpe gemäß 2,
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4 Prinzipdarstellungen verschiedener Volumenstromregelungen einer Fördereinrichtung beziehungsweise einer Innenzahnradpumpe,
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5 eine Schnittdarstellung einer verstellbaren Innenzahnradpumpe,
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6 in einer Prinzipskizze einer Druckregelung einer Innenzahnradpumpe und
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7 in einer schematischen Schnittdarstellung die Kombination beziehungsweise der Einbau einer Innenzahnradpumpe und eines die Innenzahnradpumpe antreibenden Elektromotors in einem gemeinsamen Gehäuse.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nach 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die insbesondere eine selbstzündende und mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine 1 ist. An der Brennkraftmaschine 1 ist eine Frischgasleitung 2 und eine Abgasleitung 3 angebaut, wobei durch die Abgasleitung 3 das in den Brennräumen der Brennkraftmaschine 1 verbrannte Gemisch aus Brennluft und Kraftstoff abgeführt wird. Das durch die Abgasleitung 3 abgeführte Abgas wird einem ersten Abgasturbolader 4 und dann weiter einem zweiten Abgasturbolader 5 zugeführt. Nach der Durchströmung der Turbine des zweiten Abgasturboladers 5 wird das Abgas einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 zugeführt, die beispielsweise aus einer Kombination von einem Ruß filter und einem oder mehreren Katalysatoren besteht. Anschließend wird das Abgas einem Wärmetauscher in Form eines Verdampfers 7 zugeführt, bevor es in die Umgebung abströmt.
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Ein mit der Turbine des zweiten Abgasturboladers 5 verbundener Verdichter saugt Luft über eine Filtereinrichtung aus der Umgebung an und führt die verdichtete Luft einem ersten Ladeluftkühler 8 zu, von dem die verdichtete und gekühlte Brennluft dem ersten Abgasturbolader 4 zugeführt wird. Von diesem ersten Abgasturbolader 4 beziehungsweise von dessen Verdichter wird die Brennluft weiter verdichtet und einen zweiten Ladeluftkühler 9 zugeführt, und gelangt von dem zweiten Ladeluftkühler 9 in die Frischgasleitung 2.
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Weiterhin ist die Abgasleitung 3 über eine ein Regelventil aufweisende Abgasrückführleitung 10 mit der Frischgasleitung 2 verbunden.
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Zur Rückgewinnung der thermischen Energie des Abgases mittels einer Umwandlung in mechanische Energie und Rückspeisung in den Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine 1 (oder einer Weiterführung für eine sonstige Nutzung) ist ein brennkraftmaschinenexterner thermodynamischer Fluidkreislauf 11 vorgesehen. Der Fluidkreislauf 11 weist als Prozessmedium ein Fluid, beispielsweise Wasser, auf, dem gegebenenfalls Zusätze zugesetzt sind. Das Fluid wird von einer Fördereinrichtung in Form einer einen Saugleitungsanschluss 27 und einen Druckleitungsanschluss 28 aufweisenden Innenzahnradpumpe 12 durch den Fluidkreislauf 11 gepumpt und von der Innenzahnradpumpe 12 zunächst einem Verdampfer in Form eines Vorwärmers 13 zugeführt. Der Vorwärmer 13 wirkt mit der Frischgasleitung 2 im Bereich des Eintritts der Brennluft aus dem zweiten Ladeluftkühler 9 zusammen. Von dem Vorwärmer 13 wird das Fluid dem in die Abgasleitung 3 eingesetzten Verdampfer 7 zugeführt und entnimmt dem Abgas weitere Wärmeenergie. Das Fluid wird in dem Verdampfer 7 zumindest weitgehend in einen dampfförmigen Zustand überführt und der Dampf wird einem Überhitzer 14, der in die Abgasrückführleitung 10 im Bereich der Einmündung in die Frischgasleitung 2 eingebaut ist, zugeführt. In dem Überhitzer 14 wird der Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise deren Abgas weitere thermische Energie entzogen und dem Dampf zugeführt. Von dem Überhitzer 14 wird dann der Dampf einer Expansionsmaschine 15 beispielsweise in Form einer Turbine zugeführt, die von dem Dampf angetrieben wird und mechanische Energie erzeugt, die beispielsweise direkt oder indirekt in den Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine 1 zurückgeführt wird. Nach dem Austritt aus der Expansionsmaschine 19 wird das teilweise kondensierte Gas einem Kondensator 20 zugeführt, der das Gas Fluid gänzlich in dem flüssigen Zustand zurückführt, bevor dann das Fluid erneut der Innenzahnradpumpe 12 zugeführt wird. Der zuvor geschilderte thermodynamische Kreisprozess des Fluidkreislaufs 11 ist auch unter dem Namen Clausius-Rankine-Prozess bekannt.
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2 zeigt eine Stirnansicht einer geöffneten Innenzahnradpumpe 12 mit einem Gehäusedeckel 21 und einem in einer Ausnehmung des Gehäusedeckels 21 angeordneten Kompensationsring 22. Innerhalb des Kompensationsringes ist ein Hohlrad 23 drehbar angeordnet, dass von einem exzentrisch zu dem Hohlrad angeordneten Ritzel 24, welches mit einer Ritzelwelle 25 verbunden und von dieser angetrieben ist in Drehbewegung versetzt. Das Ritzel 24 kämmt mit dem Hohlrad 23 im unteren Bereich und bildet im oberen Bereich der Darstellung gemäß 2 einen Förderraum 26, in dem eine nicht dargestellte Fördersichel eingebaut ist. Das Fluid wird in einem endseitigen Eingansbereich des Förderraums 26 durch einen Saugleitungsanschluss 27 in die Innenzahnradpumpe 12 eingeführt und durch die Drehbewegung des Ritzels 24 und des Hohlrades 23 entlang der Fördersichel gefördert und auf dem gegenüberliegenden Ausgangsbereich durch das sich hier wieder verkleinernde Volumen in einen Druckleitungsanschluss 28 (siehe auch 7) gefördert. Mikrothermoelemente 29 können beispielsweise im Bereich der inneren Lauffläche des Kompensationsringes 22, der Verbindungsfläche zwischen der Ritzelwelle 25 und dem Ritzel 24 und im Bereich der Zähne des Ritzels 24 und des Hohlrades 23 angeordnet sein.
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Der in 3 dargestellte Schnitt durch die Innenzahnradpumpe 12 zeigt die zuvor beschriebenen Komponenten und Ausgestaltungen, wobei in dieser Figur zusätzlich dargestellt ist, wie der Gehäusedeckel 21 mit einem Gehäusetopf 30 zusammenwirkt. Der Gehäusedeckel 21 und der Gehäusetopf 30 sind beispielsweise mittels Schrauben miteinander verbunden und die Fügefläche zwischen dem Gehäusedeckel 21 und dem Gehäusetopf 30 ist abgedichtet. Weiterhin ist die Lagerung 31 der Ritzelwelle 25 und der Abdichtung 32 der aus dem Gehäusedeckel 21 herausgeführten Ritzelwelle 25 dargestellt. Die Lagerung ist beispielsweise als Gleitlagerung ausgebildet und die Abdichtung 32 als Radialdichtring ausgebildet.
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4 zeigt verschiedene Varianten einer Volumenstromregelung der Innenzahnradpumpe 12. In der ersten Ausführungsform a) ist die Innenzahnradpumpe 12 als Konstantpumpe mit einem drehzahlvariablen mechanischen Antrieb 33 verbunden. Die Variante b) zeigt eine ebenfalls als Konstantpumpe ausgebildete Innenzahnradpumpe 12, die mit einem drehzahlvariablen Elektromotor 34 verbunden ist. Die Variante c) zeigt eine als Konstantpumpe ausgebildete Innenzahnradpumpe 12, die mit einem drehzahlkonstanten Antrieb 35 über ein stufenloses Getriebe 36 beispielsweise in Form eines CVT-Getriebes verbunden ist. Die Ausführungsform d) schließlich zeigt eine als Verstellpumpe ausgebildete Innenzahnradpumpe 12, die wiederum mit einem drehzahlkonstanten mechanischen Antrieb 35 verbunden ist.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung einer solchen als Innenzahnradpumpe 12 ausgebildeten Verstellpumpe.
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Die als Verstellpumpe ausgebildete Innenzahnradpumpe 12 weist grundsätzlich einen sehr ähnlichen Aufbau zu der in den 3 und 4 beschriebenen Innenzahnradpumpe 12 auf, so dass nur die unterschiedlichen beziehungsweise ergänzenden Bauteile an dieser Stelle beschrieben werden. Im Wesentlichen ist das Hohlrad 23 der Verstellpumpe axial gegenüber dem Ritzel 24 verschiebbar und die Fördermenge der Verstellpumpe ist somit durch eine Vergrößerung beziehungsweise Verkleinerung des Fördervolumens in dem Förderraum 26 einstellbar. Dazu kann das Hohlrad 23 von einem Verstellring 38, der in nicht dargestellter Art und Weise beispielsweise hydraulisch von außen angesteuert wird, axial gegen einen von Federn 39 gegen das Hohlrad 23 gedrückten Druckring 40 verstellt werden. Der Verstellring 38 und der Druckring 40 sind insbesondere gegenüber dem Förderraum 26 beispielsweise über Runddichtringe 41a, 41b abgedichtet. Im Ergebnis kann durch diese Ausgestaltung die hydraulische Eingriffsstrecke der Verzahnung stufenlos zwischen einer minimalen und einer maximalen Stellung verändert werden. Damit kann die Fördermenge der Innenzahnradpumpe zwischen einer minimalen und einer maximalen Fördermenge stufenlos verändert werden.
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5 zeigt in einem prinzipiellen Schaltbild eine Druckregelung des von der Innenzahnradpumpe 12 geförderten Fluids beispielsweise als Alternative zu der in 4 dargestellten Verstellpumpe. Das Fluid wird aus einem Tank 42 (oder über den Saugleitungsanschluss 27 der Saugleitung in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1) entnommen und der beispielsweise von einem drehzahlvariablen Elektromotor 34 angetriebenen Innenzahnradpumpe 12 über den Druckleitungsanschluss 28 in die Druckleitung zu dem Vorwärmer 13 gefördert. Eine Pumpendruckleitung 37 ist mit einem Kompensationsspeicher 43 und einem, Absperrventil 44 verbunden, das in der dargestellten Durchgangsstellung die Pumpendruckleitung 37 mit dem Druckleitungsanschluss 28 verbindet. Weiterhin ist die Pumpendruckleitung 28 mit einem Druckregelventil 44 verbunden, dass oberhalb eines Absteuerdrucks das Fluid in den Tank 42 bzw. die Saugleitung 27 absteuert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Absperrventil 44 in der Sperrstellung steht. Zusätzlich oder alternativ kann das Druckregelventil 44 aktiv angesteuert sein, um als Alternative zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 eine Druckregellung des Fluids vornehmen zu können.
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7 zeigt eine Integration der Innenzahnradpumpe 12 und des drehzahlvariablen Elektromotors 34 in ein gemeinsames metallisches Gehäuse 46. Auf der rechten Seite des Gehäuses 46 ist der Saugleitungsanschluss 27 für die Saugleitung angeordnet, der das Fluid an dem Elektromotor 34 vorbei zu der auf der linken Seite des Gehäuses 46 angeordneten Innenzahnradpumpe 12 leitet. Im Bereich des Saugleitungsanschlusses 28 ist das Gehäuse 46 von einem Verschlussdeckel 47 verschlossen, wobei nach Abnahme des Verschlussdeckels 47 sämtliche Bauteile aus dem Gehäuse 46 ausgebaut werden können. Der Elektromotor 34 weist einen in dem Gehäuse 46 drehfest angeordneten Stator 48, in dem ein Rotor 49 der in Gleitlagern 50a, 50b gelagert ist, drehbar ist. Dazu weist der Stator eine durchgehende Welle 51 auf, die auch mit der Ritzelwelle 25 verbunden ist oder aber auch gleichzeitig die Ritzelwelle 25 ist. Das Gleitlager 50b ist in einem Zwischengehäuse 52, das auch der Gehäusedeckel 21 sein kann, gelagert, wobei das Zwischengehäuse 52 auch eine Trennung zwischen dem Elektromotor 34 und der Innenzahnradpumpe 12 bewirkt. Damit die Welle 51 in einer definierten axialen Lage rotiert, wird die Welle von einer in einem auf der rechten Seite in einem Hohlraum 53 angeordneten Vorspannfeder gegen ein auf der gegenüberliegenden Seite angeordnetes Begrenzungsplättchen 54 gedrückt. Weiterhin ist zwischen dem Elektromotor 34 und dem Zwischengehäuse 52 eine Tellerfeder 55 eingefügt, die ein axiales Spiel zwischen dem Elektromotor 34 und dem Zwischengehäuse 52 ausgleicht. Auf der linken Seite des Gehäuses 46 beziehungsweise des Gehäusetopfs 30 ist der Druckleitungsanschluss 28 für die Druckleitung vorgesehen, der mit dem Förderraum 26 der Innenzahnradpumpe 12 in der zuvor geschilderten Art und Weise verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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