DE102012223905A1

DE102012223905A1 - Rotationskolbenpumpe

Info

Publication number: DE102012223905A1
Application number: DE201210223905
Authority: DE
Inventors: Alexander Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Rotationskolbenpumpe (16), insbesondere Zahnradpumpe (14), zum Fördern eines Fluides, umfassend wenigstens ein Laufrad (52) mit Förderelementen (53), von dem um eine Rotationsachse (61) eine Rotationsbewegung ausführbar ist, einen an dem Laufrad (52) vorhandenen Arbeitsraum, der in einen Zuströmarbeitsraum und in einen Abströmarbeitsraum unterteilt ist, einen in den Zuströmarbeitsraum mündenden Zuströmkanal (65) zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum und einen in den Abströmarbeitsraum mündende Abströmkanal (66, 67) zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum, vorzugsweise ein Gehäuse (42), wobei die Rotationskolbenpumpe (16) zwei getrennte in den Abströmarbeitsraum (64) mündende Abströmkanäle (66, 67) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationskolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine Rotationskolbenpumpe mit Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Hochdruckeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.
Stand der Technik
Rotationskolbenpumpen mit Elektromotor werden für die verschiedensten technischen Anwendungen zum Fördern eines Fluides eingesetzt. Beispielsweise dienen Vorförderpumpen als Kraftstoffpumpen zum Fördern von Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe.
In Hochdruckeinspritzsystemen werden dabei als Vorförderpumpen auch der Gerotorpumpen mit einem Innenzahnrad und einem exzentrisch dazu gelagerten Außenzahnrad eingesetzt. Die Gerotorpumpen weisen dabei einen Zuströmkanal auf, der in einem Zuströmarbeitsraum mündet, um das zu fördernde Fluid in den Zuströmarbeitsraum einzuleiten und weist einen Abströmkanal auf, welcher in einen Abströmarbeitsraum mündet, um das zu fördernde Fluid aus dem Abströmarbeitsraum auszuleiten. Der Zuströmarbeitsraum stellt damit eine Saugseite eines Arbeitsraumes der Gerotorpumpe dar und der Abströmarbeitsraum stellt eine Druckseite des Arbeitsraumes dar.
In Hochdruckeinspritzsystemen mit einer Hochdruckpumpe und einer elektrischen Vorförderpumpe als Gerotorpumpe ist es dabei bekannt, dass der Kraftstoff in einen Schmierraum der Hochdruckpumpe eingeleitet wird und vom Schmierraum ein Teil des Kraftstoffes durch eine Zumesseinheit den Einlasskanälen der Hochdruckpumpe zugeführt wird. Die Steuerung und/oder Regelung der von der Hochdruckpumpe geförderten Menge an Kraftstoff erfolgt dabei durch eine in der Anschaffung teure Zumesseinheit. Darüber hinaus ist es bekannt, die Fördermenge der Hochdruckpumpe ohne eine Zumesseinheit zu steuern und oder zu regeln. Hierbei handelt es sich um eine elektrische Vorförderpumpe deren Förderleistung steuerbar und/oder regelbar ist. Dabei wird wiederum der Kraftstoff von der Vorförderpumpe von einem Kraftstofftank dem Schmierraum der Hochdruckpumpe zugeführt. Eine derartige Regelung der von der Hochdruckpumpe geförderten Menge an Kraftstoff ohne eine Zumesseinheit wird als Feed Pump Control (FPC) bezeichnet. Aufgrund der oszillierenden Bewegung des Kolbens der Hochdruckpumpe kommt es zu Druckstößen und starken Druckschwankungen innerhalb des Schmierraumes der Hochdruckpumpe. Der Kraftstoff wird der Hochdruckpumpe unter anderem durch ein Einlassventil als Rückschlagventil zugeführt. Die Druckstöße innerhalb des Schmierraumes sind auch an dem Saugventil vorhanden, weil durch eine Kraftstoffleitung von dem Schmierraum zu dem Einlassventil sich die Druckstöße innerhalb des Schmierraumes zu dem Einlassventil fortpflanzen. Dadurch ist eine sichere Funktion des Einlassventiles an der Hochdruckpumpe nicht mehr gewährleistet und es kommt signifikanten Störungen im Betrieb der Hochdruckpumpe.
Aus der DE 36 24 532 C2 ist eine Flügelzellen- oder innenachsige Zahnradpumpe mit mehreren abgeschlossenen Förderzellen bekannt, deren Volumen sich während eines Umlaufs von einem Minimal- auf einen Maximalwert und zurück ändert. Die Pumpe wird insbesondere zur Brennstoffförderung einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Mit axial in die Förderzellen eintretenden Saug- und Druckkanälen, deren Mündungsquerschnitte für eine Förderung ohne innere Verdichtung ausgelegt sind, eine solche jedoch durch gegen axiale Flächen der Pumpenteile angelegte, Rückschlagventile bildende feststehende Anlaufscheiben erreicht ist.
Aus der DE 34 06 349 A1 ist eine Verdrängermaschine mit mindestens zwei Zahnradmaschinen bekannt, denen ein eigener oder gemeinsamer Hydraulikkreis zugeordnet ist, und deren gemeinsamer Förderstrom durch ein Steuermittel veränderbar ist, wobei das Steuermittel in einem Gehäuseteil der Verdrängermaschine angeordnet ist.
Die DE 299 13 367 U1 zeigt eine Innenzahnradpumpe mit wenigstens einem innenverzahnten Hohlrad und einem damit kämmenden, außen verzahnten Laufrad, mit oder ohne Sichel, und mit einem elektrischen Antrieb, der dadurch gebildet ist, dass das Hohlrad das Innere eines Rotors eines bürstenlosen Elektromotors und dem Rotor benachbart ein Stator angeordnet ist, wobei der das Hohlrad enthaltende Rotor außenseitig von einem Lager oder einem Gleitlager drehbar gehalten ist, wobei der Stator gegenüber dem Rotor und gegenüber dem Inneren der Pumpe dadurch abgeschirmt und abgedichtet ist, dass das zwischen Stator und Rotor befindliche Lager oder Gleitlager für Flüssigkeit undurchlässig und an seinen beiden Stirnseiten jeweils mit einem Abschlussdeckel dicht verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Rotationskolbenpumpe, insbesondere Zahnradpumpe, zum Fördern eines Fluides, umfassend wenigstens ein Laufrad mit Förderelementen, von dem um eine Rotationsachse eine Rotationsbewegung ausführbar ist, einen an dem Laufrad vorhandenen Arbeitsraum, der in einen Zuströmarbeitsraum und in einen Abströmarbeitsraum unterteilt ist, einen in den Zuströmarbeitsraum mündenden Zuströmkanal zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum und einen in den Abströmarbeitsraum mündende Abströmkanal zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum, vorzugsweise ein Gehäuse, wobei die Rotationskolbenpumpe wenigstens zwei getrennte, insbesondere zwei getrennte, in den Abströmarbeitsraum mündende Abströmkanäle aufweist.
Durch die getrennten Abströmkanäle, z. B. zwei, drei oder vier Abströmkanäle, kann dadurch aus dem Abströmarbeitsraum als Druckseite des Arbeitsraumes getrennt das zu fördernde Fluid aus dem Abströmarbeitsraum ausgeleitet werden. In den Zuströmarbeitsraum als Saugseite mit sich vergrößernden Arbeitsraum wird somit das zu fördernde Fluid eingeleitet und in dem Abströmarbeitsraum als Druckseite als sich verkleinernder Arbeitsraum wird das zu fördernde Fluid getrennt durch getrennte Abströmkanäle abgeleitet. Dadurch können von der Rotationskolbenpumpe auch unterschiedliche Volumenströme durch die getrennten Abströmkanäle aus der Rotationskolbenpumpe abgeleitet werden. Mit nur einer Rotationskolbenpumpe kann dadurch auf der Druckseite die Funktion von getrennten, z. B. zwei, Rotationskolbenpumpen zur Verfügung gestellt werden.
Insbesondere besteht in jeder Stellung des wenigstens einen Laufrades mit den Förderelementen im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung zwischen den beiden Abströmkanälen durch den Abströmarbeitsraum. Zwischen den beiden Abströmkanälen besteht somit im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung durch den Abströmarbeitsraum. Dies wird insbesondere durch eine Geometrie bzw. einen Abstand der beiden Abströmkanäle zur Verfügung gestellt, so dass ständig wenigstens ein Förderelement des Laufrades innerhalb des Abströmarbeitsraumes einen Abströmkanal von dem anderen Abströmkanal abdichtet. Druckstöße an einem Abströmkanal gelangen dadurch nicht in den anderen Abströmkanal. Im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung bedeutet vorzugsweise, dass im Betrieb der Rotationskolbenpumpe bei Druckdifferenzen zwischen dem ersten und zweiten Abströmkanal weniger als 30%, 20%, 10%, 5% oder 2% des Fluides durch den Abströmarbeitsraum aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Abströmkanal strömt als durch den Abströmarbeitsraum strömen würde, sofern der Abströmarbeitsraum nicht mit dem Laufrad mit den Förderelementen abgedichtet wäre.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Förderelemente Zähne eines Zahnrades.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Rotationskolbenpumpe eine Zahnradpumpe, vorzugsweise Innenzahnradpumpe, insbesondere Gerotorpumpe.
Vorzugsweise umfasst die Innenzahnradpumpe ein Innenzahnrad mit einem Innenzahnring und ein Außenzahnrad mit einem Außenzahnring, wobei die Zähne des Innenzahnringes mit den Zähnen des Außenzahnringes ineinander kämmen und der Arbeitsraum zwischen Innenzahnrad und dem Außenzahnrad ausgebildet ist.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das Innenzahnrad exzentrisch zu dem Außenzahnrad gelagert.
In einer Variante ist die Menge, insbesondere das Volumen, des durch die beiden Abströmkanäle geförderten Fluides je Umdrehung des wenigstens einen Laufrades unterschiedlich, insbesondere ist die durch den ersten Abströmkanal geleitete Menge des Fluides größer als die durch den zweiten Abströmkanal geleitete Menge des Fluides. Von der Rotationskolbenpumpe können somit unterschiedliche Volumenströme an dem ersten Abströmkanal und an dem zweiten Abströmkanal der beiden getrennten Abströmkanäle zur Verfügung gestellt werden. Die Rotationskolbenpumpe kann dadurch zwei getrennte Volumenströme mit einem unterschiedlichen Volumenstrom wie zwei unterschiedlichen Rotationskolbenpumpen mit einer unterschiedlichen Förderleistung zur Verfügung stellen.
Zweckmäßig weist die Rotationskolbenpumpe einen Bypasskanal von einem, insbesondere nur einem, Abströmkanal zu dem Zuströmkanal auf und vorzugsweise ist in den Bypasskanal ein Drosselorgan eingebaut. Durch den Bypasskanal kann das zu fördernde Fluid von einem Abströmkanal zu dem Zuströmkanal geleitet werden. Dadurch kann bis zu einer bestimmten Drehzahl des Rotationskolbens von der Rotationskolbenpumpe ein zweiter Volumenstrom, der durch den zweiten Abströmkanal geleitet wird, zur Verfügung gestellt werden und ein erster, durch den ersten Abströmkanal geleiteter Volumenstrom wird durch den Bypasskanal wieder dem Zuströmkanal zugeführt, so dass dadurch an der Rotationskolbenpumpe kein Volumenstrom an einer dem ersten Abströmkanal nachgeschalteten Leitung vorhanden ist und an dem zweiten Abströmkanal bzw. einer Leitung, durch welche das Fluid von dem zweiten Abströmkanal geleitet wird, ein zweiter Volumenstrom des zu fördernden Fluides zur Verfügung gestellt wird.
Erfindungsgemäße Rotationskolbenpumpe mit Elektromotor, wobei die Rotationskolbenpumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Rotationskolbenpumpe ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor in die Rotationskolbenpumpe, insbesondere die Zahnradpumpe, integriert, insbesondere indem ein Rotor des Elektromotors ein Laufrad bildet, vorzugsweise indem Permanentmagnete in das Laufrad eingebaut sind.
Insbesondere ist die Förderleistung der Rotationskolbenpumpe, vorzugsweise mit integriertem Elektromotor, steuerbar und/oder regelbar, insbesondere indem die Leistung und/oder Drehzahl des Elektromotors steuerbar und/oder regelbar ist.
Erfindungsgemäßes Hochdruckeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochdruckpumpe, ein Hochdruck-Rail, eine Vorförderpumpe zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank durch eine ersten Kraftstoffleitung zu einem Einlasskanal der Hochdruckpumpe und durch eine zweite Kraftstoffleitung zu einem Schmierraum der Hochdruckpumpe, wobei die Vorförderpumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Vorförderpumpe ausgebildet ist und ein erster der beiden Abströmkanäle der Rotationskolbenpumpe in die erste Kraftstoffleitung mündet und ein zweiter der beiden Abströmkanäle der Rotationskolbenpumpe in die zweiten Kraftstoffleitung mündet. Das Hochdruckeinspritzsystem verfügt über eine, d. h. nur eine Vorförderpumpe und mit dieser können durch die beiden getrennten Abströmkanäle getrennte Volumenströme zur Verfügung gestellt werden. Der durch den ersten Abströmkanal geleitete Volumenstrom an Kraftstoff wird der ersten Kraftstoffleitung der Hochdruckpumpe zugeführt und der durch den zweiten Abströmkanal geleitete Volumenstrom an Kraftstoff wird durch die zweite Kraftstoffleitung dem Schmierraum zugeführt. Eine Steuerung und/oder eine Regelung der Förderleistung der Hochdruckpumpe ist dadurch ohne eine Zumesseinheit möglich, da die Förderleistung der Vorförderpumpe steuerbar und/oder regelbar ist.
In einer ergänzenden Variante besteht im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung zwischen der ersten Kraftstoffleitung und der zweiten Kraftstoffleitung. Rückstöße in dem Schmierraum gelangen dadurch nicht zu dem Einlassventil der Hochdruckpumpe und auch bei Druckstößen innerhalb des Schmierraumes aufgrund der oszillierenden Bewegung des Kolbens der Hochdruckpumpe ist dadurch die Funktion der Hochdruckpumpe an dem Einlassventil der Hochdruckpumpe nicht eingeschränkt. Die Rotationskolbenpumpe ist dabei dahingehend ausgebildet, dass in jeder Stellung des Laufrades der Rotationskolbenpumpe im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung zwischen den beiden Abströmkanälen durch den Abströmarbeitsraum der Rotationskolbenpumpe besteht. Insbesondere die Zahnräder der Gerotorpumpe trennen dabei ständig den Abströmarbeitsraum an dem ersten Abströmkanal von dem Abströmarbeitsraum an dem zweiten Abströmkanal ab. Im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kraftstoffleitung bedeutet vorzugsweise, dass im Betrieb der Rotationskolbenpumpe bei Druckdifferenzen zwischen dem ersten und zweiten Abströmkanal bzw. zwischen der ersten und zweiten Kraftstoffleitung weniger als 30%, 20%, 10%, 5% oder 2% des Fluides durch den Abströmarbeitsraum aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Abströmkanal strömt als durch den Abströmarbeitsraum strömen würde, sofern der Abströmarbeitsraum nicht mit dem Laufrad mit den Förderelementen abgedichtet wäre. Vorzugsweise ist eine fluidleitende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kraftstoffleitung in der Hochdruckpumpe nicht berücksichtigt.
In einer weiteren Variante verbindet der Bypasskanal den ersten Abströmkanal bzw. die ersten Kraftstoffleitung mit dem Zuströmkanal. In bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors in dem Kraftfahrzeug, z. B. bei einer Bergabfahrt des Kraftfahrzeuges, ist es erforderlich, dass durch die erste Kraftstoffleitung zu dem Einlassventil der Hochdruckpumpe kein Kraftstoff gefördert wird, weil bei einer Begabfahrt an dem Verbrennungsmotor kein Kraftstoff erforderlich ist und trotzdem eine Schmierung der Hochdruckpumpe erforderlich ist aufgrund der Bewegung der sich bewegenden Teile in der Hochdruckpumpe. Mittels des Bypasskanales kann der durch den ersten Abströmkanal geförderte Kraftstoff wieder dem Zuströmkanal zugeführt werden, so dass dadurch kein Kraftstoff zu dem Einlassventil der Hochdruckpumpe gelangt und trotzdem durch den zweiten Abströmkanal Kraftstoff durch den Schmierraum geleitet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorförderpumpe eine Vorförderpumpe mit Elektromotor, so dass die Vorförderpumpe von dem Elektromotor angetrieben ist und insbesondere ist die Förderleistung der Vorförderpumpe steuerbar und/oder regelbar.
Insbesondere ist die Vorförderpumpe eine Vorförderpumpe mit Elektromotor und und als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Vorförderpumpe mit Elektromotor ausgebildet. Die Förderleistung der Rotationskolbenpumpe ist somit steuerbar und/oder regelbar, so dass allein durch eine Steuerung und/oder Regelung der Förderleistung der Rotationskolbenpumpe die Förderleistung der Hochdruckpumpe steuerbar und/oder regelbar ist, so dass in vorteilhafter Weise keine Zumesseinheit erforderlich ist.
Vorzugsweise sind die Förderelemente Schaufeln eines Zahnrades.
Zweckmäßig ist die Rotationskolbenpumpe eine Drehschieberpumpe, eine Drehkolbenpumpe oder eine Kreiselpumpe.
In einer ergänzenden Variante stellt das wenigstens eine Laufrad den Rotationskolben der Rotationskolbenpumpe dar.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Rotationskolbenpumpe mit Elektromotor von dem Gehäuse eingeschlossen. Die Pumpe mit Elektromotor verfügt somit über ein- oder mehrteiliges Gehäuse und innerhalb des Gehäuses ist die Rotationskolbenpumpe mit Elektromotor angeordnet.
Zweckmäßig umfasst die Rotationskolbenpumpe mit, vorzugsweise integriertem, Elektromotor eine, vorzugsweise elektronische, Steuerungseinheit zur Steuerung der Bestromung der Elektromagnete und/oder der Elektromotor ist ein bürstenloser oder ein elektronisch kommutierter Elektromotor.
Zweckmäßig besteht das Gehäuse der Rotationskolbenpumpe und/oder das Gehäuse der Hochdruckpumpe und/oder das Innen- und/oder Außenzahnrad wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen Querschnitt einer Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluides,
2 einen Schnitt A-A gemäß 1 einer Laufrolle mit Rollenschuh und einer Antriebswelle,
3 eine stark schematisierte Ansicht eines Hochdruckeinspritzsystems,
4 einen stark vereinfachten Querschnitt der Hochdruckpumpe mit einer Vorförderpumpe,
5 eine perspektivische Ansicht einer Vorförderpumpe ohne Gehäuse und eines Stators,
6 eine Explosionsdarstellung der Vorförderpumpe gemäß 5,
7 einen Querschnitt eines Innen- und Außenzahnrades der Vorförderpumpe gemäß 5,
8 ein Diagramm der Fördermenge Q₁ und Q₂ an dem ersten und zweiten Abströmkanal in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Außenzahnrades der Vorförderpumpe gemäß 5 und
9 eine Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Querschnitt einer Hochdruckpumpe 1 zum Fördern von Kraftstoff dargestellt. Die Hochdruckpumpe 1 dient dazu, Kraftstoff, z. B. Benzin oder Diesel, zu einem Verbrennungsmotor 39 für ein Kraftfahrzeug 38 (9) unter Hochdruck zu fördern. Der von der Hochdruckpumpe 1 erzeugbare Druck liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 3000 bar.
Die Hochdruckpumpe 1 weist eine Antriebswelle 2 mit zwei Nocken 3 auf, die um eine Rotationsachse 26 eine Rotationsbewegung ausführt. Die Rotationsachse 26 liegt in der Zeichenebene von 1 und steht senkrecht auf der Zeichenebene von 2. Ein Kolben 5 ist in einem Zylinder 6 gelagert, der von einem Gehäuse 8 der Hochdruckpumpe 1 gebildet ist. Ein Hochdruckarbeitsraum 29 wird von dem Zylinder 6 als Kolbenführung 7, dem Gehäuse 8 und dem Kolben 5 begrenzt. In den Hochdruckarbeitsraum 29 mündet ein Einlasskanal 22 mit einem Einlassventil 19 und ein Auslasskanal 24 mit einem Auslassventil 20. Durch den Einlasskanal 22 strömt der Kraftstoff in den Hochdruckarbeitsraum 29 ein und durch den Auslasskanal 24 mit einer Auslassöffnung 23 strömt der Kraftstoff unter Hochdruck aus den Hochdruckarbeitsraum 29 wieder aus. Das Einlassventil 19, z. B. ein Rückschlagventil, ist dahingehend ausgebildet, dass nur Kraftstoff in den Arbeitsraum 29 einströmen kann und das Auslassventil 20, z. B. ein Rückschlagventil, ist dahingehend ausgebildet, dass nur Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 29 ausströmen kann. Das Volumen des Hochdruckarbeitsraumes 29 wird aufgrund einer oszillierenden Hubbewegung des Kolbens 5 verändert. Der Kolben 5 stützt sich mittelbar auf der Antriebswelle 2 ab. Am Ende des Kolbens 5 bzw. Pumpenkolbens 5 ist ein Rollenschuh 9 mit einer Laufrolle 10 befestigt. Die Laufrolle 10 kann dabei eine Rotationsbewegung ausführen, deren Rotationsachse 25 in der Zeichenebene gemäß 1 liegt und senkrecht auf der Zeichenebene von 2 steht. Die Antriebswelle 2 mit dem wenigstens einen Nocken 3 weist eine Wellen-Rollfläche 4 und die Laufrolle 10 eine Rollen-Rollfläche 11 auf.
Die Rollen-Lauffläche 11 der Laufrolle 10 rollt sich auf der Wellen-Rollfläche 4 als Kontaktfläche 12 der Antriebswelle 2 mit den beiden Nocken 3 ab. Der Rollenschuh 9 ist in einer von dem Gehäuse 8 gebildeten Rollenschuhlagerung als Gleitlager gelagert. Eine Feder 27 bzw. Spiralfeder 27 als elastisches Element 28, die zwischen dem Gehäuse 8 und dem Rollenschuh 9 eingespannt ist, bringt auf den Rollenschuh 9 eine Druckkraft auf, so dass die Rollen-Rollfläche 11 der Laufrolle 10 in ständigen Kontakt mit der Wellen-Rollfläche 4 der Antriebswelle 2 steht. Der Rollenschuh 9 und der Kolben 5 führen damit gemeinsam eine oszillierende Hubbewegung aus. Die Laufrolle 10 ist mit einer Gleitlagerung 13 in dem Rollenschuh 9 gelagert.
In 3 ist in stark schematisierter Darstellung ein Hochdruckeinspritzsystem 36 für das Kraftfahrzeug 38 abgebildet mit einem Hochdruck-Rail 30 oder einem Kraftstoffverteilerrohr 31. Von dem Hochdruck-Rail 30 bzw. einem Kraftstoffverteilerrohr 31 wird der Kraftstoff mittels Ventilen (nicht dargestellt) in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 39 eingespritzt. Eine elektrische Vorförderpumpe 35 fördert Kraftstoff von einem Kraftstofftank 32 durch eine erste Kraftstoffleitung 33a zu dem Einlasskanal 22 und durch eine zweite Kraftstoffleitung 33b zu einem Schmierraum 40 (4) der Hochdruckpumpe 1. Ein Bypasskanal 37 verbindet die erste Kraftstoffleitung 33a mit der Kraftstoffleitung 33 von dem Kraftstofftank 32 zu der Vorförderpumpe 35. Die Hochdruckpumpe 1 wird dabei von der Antriebswelle 2 angetrieben und die Antriebswelle 2 ist eine Welle, z. B. eine Kurbel- oder Nockenwelle, des Verbrennungsmotors 39. Die Förderleistung der elektrischen Vorförderpumpe 35 ist steuerbar und/oder regelbar, so dass dadurch die zu dem Einlasskanal 22 geförderte Menge an Kraftstoff gesteuert und/oder geregelt werden kann. Das Hochdruck-Rail 30 dient dazu, den Kraftstoff in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 39 einzuspritzen. Der von der Hochdruckpumpe 1 nicht benötigte Kraftstoff wird dabei durch eine optionale Kraftstoffrücklaufleitung 34 wieder in den Kraftstofftank 32 zurückgeleitet.
4 zeigt einen Teil des Hochdruckeinspritzsystems 36. Innerhalb des Gehäuses 8 der Hochdruckpumpe 1 ist der Schmierraum 40 ausgebildet. In dem Schmierraum 40 sind die Antriebswelle 2, die Laufrolle 10, der Rollenschuh 9 (nicht in 4) dargestellt und teilweise der Kolben 5 angeordnet. Durch den durch den Schmierraum 40 geleiteten Kraftstoff werden diese Komponenten 2, 5, 9 und 10 von dem Kraftstoff geschmiert. Der durch die zweite Kraftstoffleitung 33b in den Schmierraum 40 eingeleitete Kraftstoff wird durch die Kraftstoffrücklaufleitung 34 aus dem Schmierraum 40 ausgeleitet dem Kraftstofftank 32 wieder zugeführt (4). In 4 ist das in 3 dargestellte Hochdruckeinspritzsystem 36 detaillierter ohne dem Hochdruck-Rail 30 und ohne den Verbrennungsmotor 39 dargestellt. Der von der Vorförderpumpe 35 aus dem Kraftstofftank 32 angesaugte Kraftstoff wird von der Vorförderpumpe 35 mit einem Vorförderdruck, z. B. von 4 bar, durch die erste Kraftstoffleitung 33a dem Einlasskanal 22 der Hochdruckpumpe 1 zugeführt. Ferner wird der von der Vorförderpumpe 35 geförderte Kraftstoff während eines Betriebes des Verbrennungsmotors 39 durch die zweite Kraftstoffleitung 33b dem Schmierraum 40 zugeführt zur Schmierung, z. B. der Antriebswelle 2, der Laufrolle 10 und des Kolbens 5. Nach dem Durchströmen des Kraftstoffes durch den Schmierraum 40 wird der Kraftstoff wieder durch die Kraftstoffrücklaufleitung 34 dem Kraftstofftank 32 zugeführt. Dadurch können diese Komponenten 2, 5, 9 und 10 geschmiert sowie auch gekühlt werden. Die Vorförderpumpe 35 fördert dabei neben der Fördermenge für die Hochdruckpumpe 1 an Kraftstoff auch eine zusätzliche Kraftstoffmenge zur Schmierung der Hochdruckpumpe 1, d. h. des Kraftstoffes der durch den Schmierraum 40 strömt.
Die elektrische Vorförderpumpe 35 weist einen Elektromotor 17 und eine Rotationskolbenpumpe 16, nämlich eine Zahnradpumpe 14, d. h. eine Innenzahnradpumpe 15 bzw. Gerotorpumpe 15 auf (5 und 6). Dabei ist der Elektromotor 17 der Gerotorpumpe 15 in die Gerotorpumpe 15 integriert. Die Hochdruckpumpe 1 fördert Kraftstoff unter Hochdruck, beispielsweise einem Druck von 1000, 3000 oder 4000 bar, durch eine Hochdruckkraftstoffleitung zu einem Hochdruck-Rail 31. Von dem Hochdruck-Rail 31 wird der Kraftstoff unter Hochdruck von einem Injektor einem Verbrennungsraum (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 39 zugeführt. Der Elektromotor 17 (5 und 6) der elektrischen Vorförderpumpe 35 wird mit Drehstrom bzw. Wechselstrom betrieben und ist in der Leistung steuerbar und/oder regelbar. Der Drehstrom bzw. Wechselstrom für den Elektromotor 17 wird von einer nicht dargestellten Leistungselektronik aus einem Gleichspannungsnetz eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges 38 zur Verfügung gestellt. Die elektrische Vorförderpumpe 35 ist damit eine elektronisch kummutierte Vorförderpumpe 35.
Die elektrische Vorförderpumpe 35 bzw. Gerotorpumpe 15 weist ein Gehäuse 42 mit einem Gehäusetopf 44 und einem Gehäusedeckel 43 auf (6). Innerhalb des Gehäuses 42 der Vorförderpumpe 35 sind die Gerotorpumpe 15 als Innenzahnradpumpe 15 bzw. Zahnradpumpe 14 und der Elektromotor 17 angeordnet. Der Gehäusetopf 44 ist mit einer Aussparung 72 versehen. Der Elektromotor 17 weist einen Stator 47 mit Wicklungen 48 als Elektromagnete 49 und einen Weicheisenkern 70 als weichmagnetischen Kern 68, der als ein Blechpaket 69 ausgebildet ist. Innerhalb des Stators 47 ist die Gerotorpumpe 15 als Innenzahnradpumpe 15 mit einem Innenzahnrad 56 mit einem Innenzahnring 57 und ein Außenzahnrad 58 mit einem Außenzahnring 59 positioniert. Das Innen- und Außenzahnrad 56, 58 stellt damit ein Zahnrad 54 und ein Laufrad 52 dar und der Innen- und Außenzahnring 57, 59 weisen Zähne 55 als Förderelemente 53 auf. Zwischen dem Innen- und Außenzahnrad 56, 58 bildet sich ein Arbeitsraum 62 aus. In das Außenzahnrad 58 sind Permanentmagnete 51 eingebaut, so dass das Außenzahnrad 58 auch einen Rotor 50 des Elektromotors 17 bildet. Der Elektromotor 17 ist damit in die Gerotorpumpe 15 integriert bzw. umgekehrt. Die Elektromagnete 49 des Stators 47 werden abwechselnd bestromt, so dass aufgrund des sich an den Elektromagneten 49 entstehenden Magnetfeldes der Rotor 50 bzw. das Außenzahnrad 58 in eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse 61 versetzt wird.
Der Gehäusedeckel 43 dient als Lager 45 bzw. Axiallager 45 bzw. Gleitlager 45 für das Innen- bzw. Außenzahnrad 56, 58. Außerdem weist der Gehäusetopf 44 und der Gehäusedeckel 43 jeweils drei Bohrungen 71 auf, in denen nicht dargestellte Schrauben zum Zusammenschrauben des Gehäusetopfes 44 und des Gehäusedeckels 43 positioniert sind, wobei mit einer nicht dargestellten Dichtung der Gehäusetopf 44 und der Gehäusedeckel 43 fluiddicht aufeinander liegen. Die Aussparung 72 an dem Gehäusetopf 44 dient dazu, um an der Aussparung 72 elektrische Kontaktelemente oder Leitungen zu den Elektromagneten 49 zu führen.
In 7 ist der Querschnitt des Innenzahnrades 56 und des Außenzahnrades 58 der Gerotorpumpe 15 dargestellt. Zwischen dem Innenzahnrad 56 und dem Außenzahnrad 58 bildet sich der Arbeitsraum 62 der Innenzahnradpumpe 15 aus. Wird das Innen- und Außenzahnrad 56, 58 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, wobei das Innen- und Außenzahnrad 56, 58 exzentrisch zueinander gelagert sind, bildet sich an dem Innen- und Außenzahnrad 56, 58, d. h. zwischen dem Innen- und Außenzahnrad 56, 58, der Arbeitsraum 62 aus. An einem Winkelbereich 73 von 180° bildet sich dabei ein Zuströmarbeitsraum 63 aus, an welchem sich der Arbeitsraum 62 vergrößert und dadurch eine Saugseite der Innenzahnradpumpe 15 vorliegt. An einem Winkelbereich 74 des Arbeitsraumes 62 entsteht der Abströmarbeitsraum 64, bei welchem sich der Arbeitsraum 62 verkleinert und dadurch eine Druckseite der Innenzahnradpumpe 15 entsteht. In den Zuströmarbeitsraum 63 mündet ein Zuströmkanal 65, welcher an dem Gehäuse 8 der Innenzahnradpumpe 15 ausgebildet ist. Der Zuströmkanal 65 weist dabei einen Winkelbereich 18 von weniger als 180° auf. In den Abströmarbeitsraum 64 mündet ein erster Abströmkanal 66 und ein zweiter Abströmkanal 67 mit je einem Winkelbereich 46. Der Zuströmkanal 65 und der erste und zweite Abströmkanal 66, 67 sind in 7 jeweils strichliert dargestellt. Aus dem Abströmarbeitsraum 64 kann somit durch zwei hydraulisch getrennte Abströmkanäle 66, 67 der Kraftstoff hydraulisch getrennt aus dem Abströmarbeitsraum 64 abgeleitet werden. Die Dichtstrecke bzw. der Winkelbereich 75 zwischen den beiden Abströmkanälen 66, 67, d. h. der Abstand zwischen den beiden Abströmkanälen 66, 67, ist dabei dahingehend gewählt, dass es einerseits zu keinem kompletten Verschließen der Förderräume an den Zähnen 55 zwischen dem Innen- und Außenzahnrad 56, 58 kommt und damit zu einem Blockieren der Gerotorpumpe 15 und andererseits keine Leckage zwischen den beiden Abströmkanälen 66, 67 vorhanden ist, so dass in jeder Stellung des Innen- und Außenzahnrades 56, 58 keine fluidleitende Verbindung zwischen den beiden Abströmkanälen 66, 67 besteht. Es besteht somit im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung insbesondere von dem zweiten Abströmkanal 67 zu dem ersten Abströmkanal 66.
Der durch den ersten Abströmkanal 66 geleitete Kraftstoff wird durch die erste Kraftstoffleitung 33 einem Einlassventil 19 der Hochdruckpumpe 1 zugeführt und der durch den zweiten Abströmkanal 67 geleitete Kraftstoff wird durch die zweite Kraftstoffleitung 33b dem Schmierraum 40 zugeführt (4). Aufgrund der fehlenden fluidleitenden Verbindung von dem zweiten Abströmkanal 67 in den ersten Abströmkanal 66 können dadurch Druckschwankungen in dem Schmierraum 40, welche aufgrund der oszillierenden Bewegungen des Kolbens 5 in dem Schmierraum 40 auftreten, sich nicht durch die Gerotorpumpe 15 und die erste Kraftstoffleitung 33a zu dem Einlassventil 19 der Hochdruckpumpe 1 fortpflanzen. Auch bei starken Druckschwankungen und Druckstößen in dem Schmierraum 40 ist dadurch eine ordnungsgemäße Funktion des Einlassventiles 19 als Rückschlagventil gewährleistet und somit auch eine ordnungsgemäße Funktion der Hochdruckpumpe 1. Die Förderleistung der Gerotorpumpe 15 ist steuerbar und/oder regelbar, da diese von einem in der Leistung steuerbaren Elektromotor 17 angetrieben ist. Eine aufwendige und teure Zumesseinheit ist nicht erforderlich und lediglich durch eine Steuerung und/oder Regelung der Förderleistung der Gerotorpumpe 15 kann die Förderleistung der Hochdruckpumpe 1 gesteuert und/oder geregelt werden.
Der erste Abströmkanal 66 bzw. die erste Kraftstoffleistung 33a ist durch den Bypasskanal 37 fluidleitend mit der Kraftstoffleitung 33 von dem Kraftstofftank 32 zu der Gerotorpumpe 15 bzw. zu dem Zuströmkanal 65 der Gerotorpumpe 15 verbunden. In bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 39 des Kraftfahrzeuges 38 kann es erforderlich sein, dass von der Gerotorpumpe 15 kein Kraftstoff zu der Hochdruckpumpe 1, jedoch Kraftstoff durch den Schmierraum 40 zu leiten ist. Hierzu wird von einem Drosselorgan 41 an dem Bypasskanal 37 der Bypasskanal 37 geöffnet und dadurch gelangt bis zu einer bestimmten Drehzahl oder Förderleistung der Gerotorpumpe 15 der durch den ersten Abströmkanal 66 geförderte Volumenstrom Q₁ an Kraftstoff durch den Bypasskanal 37 wieder zu der Kraftstoffleitung 33 bzw. dem Zuströmkanal 65, so dass dadurch die Gerotorpumpe 15 bezüglich des ersten Abströmkanales 66 kurzgeschlossen ist. Lediglich durch den zweiten Abströmkanal 67 wird noch eine bestimmte Fördermenge oder ein bestimmter Volumenstrom an Kraftstoff gefördert. Ein derartiger Betriebszustand ist beispielsweise bei einer Bergabfahrt des Kraftfahrzeuges 38 gegeben. In 8 ist in einem Diagramm an der Abszisse die Drehzahl n des Innen- oder Außenzahnrades 56, 58 und an der Ordinate der Volumenstrom Q aufgetragen. Das Verhältnis zwischen dem Volumenstrom Q₁ zu dem Volumenstrom Q₂ ergibt sich aus den Längenverhältnissen des ersten und zweiten Abströmkanales 66, 67. In 8 ist der Volumenstrom Q´₁ bei einem geöffneten Bypasskanal 37 strichliert dargestellt. Die durchgezogenen Geraden für Q₁ und Q₂ stellen den Volumenstrom bei einem geschlossenen Drosselorgan 41 dar. Bis zu einer Drehzahl n_B des Innen- oder Außenzahnrades 56, 58 wird bei einem geöffneten Drosselorgan 41 kein Kraftstoff zu dem Einlassenventil 19 gefördert, weil der gesamte durch den ersten Abströmkanal 66 geförderte Kraftstoff durch den Bypasskanal 37 wieder dem Zuströmkanal 65 zugeführt werden kann. Erst bei einem Überschreiten der Drehzahl n_B wird auch bei einem geöffneten Drosselorgan 41 Kraftstoff zu dem Einlassventil 19 von der Gerotorpumpe 15 gefördert.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Rotationskolbenpumpe 16 und dem erfindungsgemäßen Hochdruckeinspritzsystem 36 wesentliche Vorteile verbunden. Mit nur einer Rotationskolbenpumpe 16 können zwei getrennte Volumenströme Q₁ und Q₂ durch den ersten und zweiten Abströmkanal 66, 67 der Hochdruckpumpe 1 getrennt einerseits zu dem Einlassventil 19 und dem Schmierraum 40 zugeführt werden. Druckstöße an dem Schmierraum 40 stören dabei nicht das Einlassventil 19, weil sich diese nicht zu dem Einlassventil 19 fortpflanzen und ferner ist keine aufwendige und teuere Zumesseinheit erforderlich, weil die Gerotorpumpe 15 in der Förderleistung steuerbar und/oder regelbar ist und dadurch ausschließlich mittels der Gerotorpumpe 15 auch die Förderleistung der Hochdruckpumpe 1 steuerbar und/oder regelbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3624532 C2 [0005]
DE 3406349 A1 [0006]
DE 29913367 U1 [0007]

Claims

Rotationskolbenpumpe (16), insbesondere Zahnradpumpe (14), zum Fördern eines Fluides, umfassend – wenigstens ein Laufrad (52) mit Förderelementen (53), von dem um eine Rotationsachse (61) eine Rotationsbewegung ausführbar ist, – einen an dem Laufrad (52) vorhandenen Arbeitsraum (62), der in einen Zuströmarbeitsraum (63) und in einen Abströmarbeitsraum (64) unterteilt ist, – einen in den Zuströmarbeitsraum (63) mündenden Zuströmkanal (65) zum Einleiten des zu fördernden Fluides in den Zuströmarbeitsraum (63) und einen in den Abströmarbeitsraum (64) mündende Abströmkanal (66, 67) zum Ableiten des zu fördernden Fluides aus dem Abströmarbeitsraum (64), – vorzugsweise ein Gehäuse (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenpumpe (16) zwei getrennte in den Abströmarbeitsraum (64) mündende Abströmkanäle (66, 67) aufweist.
Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Stellung des wenigstens einen Laufrades (52) mit den Förderelementen (53) im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung zwischen den beiden Abströmkanälen (66, 67) durch den Abströmarbeitsraum (64) besteht.
Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderelemente (53) Zähne (55) eines Zahnrades (54) sind.
Rotationskolbenpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenpumpe (16) eine Zahnradpumpe (14), vorzugsweise Innenzahnradpumpe (15), insbesondere Gerotorpumpe (15), ist.
Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe (15) ein Innenzahnrad (56) mit einem Innenzahnring (57) und ein Außenzahnrad (58) mit einem Außenzahnring (59) umfasst, wobei die Zähne (55) des Innenzahnringes (57) mit den Zähnen (55) des Außenzahnringes (59) ineinander kämmen und der Arbeitsraum (62) zwischen Innenzahnrad (56) und dem Außenzahnrad (58) ausgebildet ist.
Rotationskolbenpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge, insbesondere das Volumen, des durch die beiden Abströmkanäle (66, 67) geförderten Fluides je Umdrehung des wenigstens einen Laufrades (52) unterschiedlich ist, insbesondere die durch den ersten Abströmkanal (66) geleitete Menge des Fluides größer ist als die durch den zweiten Abströmkanal (67) geleitete Menge des Fluides.
Rotationskolbenpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenpumpe (16) einen Bypasskanal (37) von einem, insbesondere nur einem, Abströmkanal (66, 67) zu dem Zuströmkanal aufweist und vorzugsweise in den Bypasskanal (37) ein Drosselorgan (41) eingebaut ist.
Rotationskolbenpumpe (16) mit Elektromotor (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolbenpumpe (16) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Rotationskolbenpumpe mit Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (17) in die Rotationskolbenpumpe (16), insbesondere die Zahnradpumpe (14), integriert ist, insbesondere indem ein Rotor (50) des Elektromotors (17) ein Laufrad (52) bildet, vorzugsweise indem Permanentmagnete (51) in das Laufrad (52) eingebaut sind.
Rotationskolbenpumpe mit Elektromotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der Rotationskolbenpumpe (16), vorzugsweise mit integriertem Elektromotor (16), steuerbar und/oder regelbar ist, insbesondere indem die Leistung und/oder Drehzahl des Elektromotors (17) steuerbar und/oder regelbar ist.
Hochdruckeinspritzsystem (36) für einen Verbrennungsmotor (39), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (38), umfassend – eine Hochdruckpumpe (1), – ein Hochdruck-Rail (30, 31), – eine Vorförderpumpe (35) zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank (32) durch eine ersten Kraftstoffleitung (33a) zu einem Einlasskanal (22) der Hochdruckpumpe (1) und durch eine zweite Kraftstoffleitung (33b) zu einem Schmierraum (40) der Hochdruckpumpe (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (35) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist und ein erster der beiden Abströmkanäle (66) der Rotationskolbenpumpe (16) in die erste Kraftstoffleitung (33a) mündet und ein zweiter der beiden Abströmkanäle (33b) der Rotationskolbenpumpe (16) in die zweiten Kraftstoffleitung (33b) mündet.
Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen keine fluidleitende Verbindung zwischen der ersten Kraftstoffleitung (33a) und der zweiten Kraftstoffleitung (33b) besteht.
Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (37) den ersten Abströmkanal (66) bzw. die erste Kraftstoffleitung (33a) mit dem Zuströmkanal (65) verbindet.
Hochdruckeinspritzsystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (35) eine Vorförderpumpe (35) mit Elektromotor (17) ist, so dass die Vorförderpumpe (35) von dem Elektromotor (17) angetrieben ist und insbesondere die Förderleistung der Vorförderpumpe (35) steuerbar und/oder regelbar ist.
Hochdruckeinspritzsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (35) eine Vorförderpumpe (35) mit Elektromotor (17) ist und gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10 ausgebildet ist.