-
Die Erfindung betrifft eine als Pumpe, Kraftstoffhochdruckpumpe oder Hydromotor einsetzbare, regelbare Pendelschiebermaschine.
-
Aus der
DE 295 14 202 U1 ist eine Pendelschiebermaschine bekannt mit einem Rotorsatz, bestehend aus einem Innenrotor mit Nuten und einem zu diesem verschiebbaren Außenrotor mit mehreren Pendelmitnehmern, die Kammern zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor bilden und jeweils zumindest eine gekrümmt ausgebildete Gleitflanke ausweisen. Die Nuten weisen im Wesentlichen parallel ausgebildete Wände auf zur Führung der Pendelmitnehmer.
-
DE 10 2008 054 009 A1 betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem um eine erste Drehachse drehbar angeordneten Käfig und mit einem, in einem Innenraum des Käfigs angeordneten, um eine zweite, zur ersten Drehachse parallelen Drehachse drehbaren Rotor, wobei der Käfig und der Rotor über einerseits koaxial zu den Drehachsen schwenkbar gelagerte und andererseits in sich in Richtung der Drehachsen erstreckenden Flügel und der Rotor zu den Flügeln korrespondierende Nuten aufweist, die derart miteinander in Wirkverbindung stehen, dass bei einer Drehung des Rotors der Käfig mit drehbar ist, wobei jeder Flügel eine einzige Linienberührung mit der korrespondierenden Nut aufweist.
-
In
DE 103 52 267 A1 ist eine mittels einer exzentrischen Umlaufbewegung arbeitende Pendelmaschine beschrieben, bei der Pendelstege derart unsymmetrisch aufgebaut sind, dass an einer Pendelrückseite an einem Pendelkopf gegenüber einer Verbindungslinie zwischen einem Mittelpunkt des Pendelkopfkreises und einer Pendelfußmitte eine um einen Winkel 40° bis 55° in Richtung des Pendelfußes geneigte Pendelkopfplatte angeordnet ist, welche an ihrem freien Ende etwa rechtwinklig in eine Pendelrückseitenabgleitkurve übergeht.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pendelschiebermaschine zu schaffen, die eingesetzt als Pumpe einen exakt dosierten Förderstrom ermöglicht und zugleich einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Pendelschiebermaschine zu schaffen, die einen effizienten Betrieb auch bei hohem Druck ermöglicht.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Pendelschiebermaschine umfassend einen fix mit einer Welle mit einer Achse gekoppelten Innenrotor, der mehrere sich radial nach innen erstreckende Nuten aufweist. Die Pendelschiebermaschine umfasst zudem einen Außenrotor, der zu dem Innenrotor exzentrisch angeordnet ist. Ferner umfasst die Pendelschiebermaschine den jeweiligen Nuten zugeordnete jeweilige Pendel.
-
Jedes Pendel umfasst dabei einen Pendelkörper, der zumindest mit einem Teilabschnitt in die jeweilige Nut ragt. Zudem weist der Pendelkörper jeweils zwei gegenüberliegende, parallel zueinander ausgebildete Gleitflanken auf. Diese Gleitflanken weisen lediglich in einem radial auf die Achse des Innenrotors gerichteten Endabschnitt und/oder in einem radial auf den Außenrotor gerichteten Endabschnitt lediglich eine fertigungsbedingte Krümmung auf. Die Gleitflanken sind ausgebildet, bei einer Rotation des Innenrotors in die jeweilige Nut hinein- und herauszugleiten, abhängig von einer Exzentrizität des Außenrotors.
-
Jedes Pendel ist jeweils in dem Außenrotor schwenkbar gelagert. Des Weiteren trennt jedes Pendel zwei verschiedene Kammern voneinander, die zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor ausgebildet sind.
-
Ferner weist jede Nut jeweils zwei gegenüberliegende Gleitwände zur Führung der Gleitflanken auf. Die jeweils zwei gegenüberliegenden Gleitwände begrenzen eine Nutbreite der jeweiligen Nut, wobei die Gleitwände jeweils derart konvex ausgebildet sind, dass sich die Nutbreite radial zu dem Außenrotor hin erhöht.
-
Im Gegensatz zu einer Konstantpumpe mit einem Ein- und/oder Auslassventil hat die als Pumpe eingesetzte Pendelschiebermaschine den Vorteil, dass ein Förderstrom der Pendelschiebermaschine steuerbar ist. Beispielsweise lässt sich der Förderstrom durch die Exzentrizität des Außenrotors regeln. Dies trägt zu einem besonders hohen Wirkungsgrad der Pendelschiebermaschine bei.
-
Durch die parallel ausgebildeten Gleitflanken der Pendelkörper wird dabei ein Einsatz der Pendelschiebermaschine auch bei hohem Druck ermöglicht. Dies ist zurückzuführen auf eine hohe Dichtwirkung der Pendel bezüglich der zwei verschiedenen, voneinander getrennten Kammern, insbesondere im Vergleich zu einer Dichtwirkung von Pendeln mit gekrümmt ausgebildeten Gleitflanken. Derartige Pendel mit im Wesentlichen parallelen Gleitflanken sind des Weiteren besonders kostengünstig herstellbar. Die konvex ausgebildeten, sich radial nach außen aufweitenden Nuten tragen ferner dazu bei, dass ein verschleißarmer Betrieb der Pendelschieberpumpe ermöglicht wird.
-
Insbesondere erhöht sich die Nutbreite radial zu dem Außenrotor hin derart, dass bei der Rotation des Innenrotors ein Hinein- und Herausgleiten der Gleitflanken durch eine Schwenkbewegung der Pendel möglich ist. Ferner sind die Gleitwände insbesondere derart konvex gekrümmt ausgebildet, dass das Hinein- und Herausgleiten der Gleitflanken möglich ist.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Gleitwände jeweils derart konvex ausgebildet, dass sich die Nutbreite von einem Nutinnenradius des Innenrotors hin zu einem Nutaußenradius des Innenrotors zwischen 20% und 60% insbesondere 40% erhöht.
-
Dies hat den Vorteil, dass zu einem reibungs- und verschleißarmen Betrieb der Pendelschiebermaschine beigetragen wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Pendel jeweils einen Pendelkopf auf, der in einer jeweiligen Pfanne des Außenrotors gelagert ist. Eine Pendelbreite des Pendels in einem Übergangsbereich des Pendels zwischen dem Pendelkörper und einem Schwenkpunkt des Pendelkopfs ist größer gleich einem vorgegebenen Schwellwert.
-
In vorteilhafter Weise wird so zu einem hohen Wirkungsgrad der Pendelschiebermaschine auch bei hohem Druck beigetragen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entspricht der vorgegebene Schwellwert zwischen 50% und 200% eines Abstands der jeweiligen Gleitflanken zueinander.
-
Dies hat den Vorteil, dass ein hoher Wirkungsgrad der Pumpe auch bei besonders hohem Druck ermöglicht wird.
-
Insbesondere entspricht der vorgegebene Schwellwert beispielsweise zwischen 100% und 150% des Abstands der jeweiligen Gleitflanken zueinander.
-
Ein Durchmesser des Pendelkopfs ist in diesem Zusammenhang beispielsweise größer als der Abstand der jeweiligen Gleitflanken zueinander.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entspricht eine radiale Länge des Übergangsbereichs des Pendels zwischen 120% und 130% des Abstands der jeweiligen Gleitflanken zueinander. Insbesondere entspricht die radiale Länge des Übergangsbereichs des Pendels 125% des Abstands der jeweiligen Gleitflanken zueinander.
-
Dies hat den Vorteil, dass ein hoher Wirkungsgrad der Pumpe auch bei hohem Druck ermöglicht wird.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß Anspruch 6.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 einen Querschnitt einer Pendelschiebermaschine, und
-
2 einen vergrößerten Ausschnitt der Pendelschiebermaschine gemäß 1.
-
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt einen Querschnitt einer Pendelschiebermaschine 1, die beispielsweise als Kraftstoffpumpe eingesetzt wird. In anderen Ausführungsbeispielen wird die Pendelschiebermaschine beispielsweise als Hydromotor eingesetzt oder als Pumpe für ein beliebiges Fluid.
-
Die Pendelschiebermaschine weist einen Innenrotor 3 auf, in den sich radial nach innen Nuten 5, 7, 9, 11, 13 von einem Nutaußenradius 51 des Innenrotors 3 hin zu einem Nutinnenradius 49 des Innenrotors 3 erstrecken. Der Innenrotor 3 ist beispielsweise fix mit einer Welle 61 mit einer Achse 63 gekoppelt. Diese ist beispielsweise mit einer Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs gekoppelt, sodass eine Rotation der Abtriebswelle eine Rotation des Innenrotors 3 bewirkt.
-
Exzentrisch zu der Achse 63, insbesondere zu dem Innenrotor 3, ist ein Außenrotor 15 angeordnet. Der Außenrotor 15 ist beispielsweise in einem nicht näher dargestellten Außenring gelagert, der eine Verschiebung einer Exzentrizität des Außenrotors 15 bezüglich des Innenrotors 3 ermöglicht. Ein Zwischenraum zwischen einer Außenwandung des Innenrotors 3 und einer Innenwandung des Außenrotors 15 ist beispielsweise durch einen nicht näher dargestellten Einlass mit einer Saugleitung strömungstechnisch gekoppelt, so dass ein Fluid in den Zwischenraum strömen kann. Ferner ist der Zwischenraum beispielsweise durch einen nicht näher dargestellten Auslass mit einer Druckleitung strömungstechnisch gekoppelt, so dass das Fluid aus dem Zwischenraum strömen kann. Bei dem Fluid handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel um einen Kraftstoff.
-
In dem Außenrotor 15 sind in jeweiligen Pfannen 55 Pendel 17, 19, 21, 23, 25 schwenkbar gelagert. Durch die jeweiligen Pendel 17, 19, 21, 23, 25 wird abhängig von einem Drehwinkel der Rotation des Innenrotors 3 sowie der Exzentrizität des Außenrotors 15 bezüglich des Innenrotors 3 eine Distanz zwischen der Innenwandung des Außenrotors 15 sowie der Außenwandung des Innenrotors 3 derart überbrückt, dass eine Drehmitnahme des Außenrotors 15 durch den Innenrotor 3 ermöglicht wird.
-
In dem Zwischenraum sind dadurch ferner jeweilige Kammern 33, 35, 37, 39, 41 zwischen dem Innenrotor 3 und dem Außenrotor 15 ausgebildet, wobei durch die Pendel 17, 19, 21, 23, 25 jeweils zwei verschiedene Kammern 33, 35, 37, 39, 41 voneinander getrennt sind. Die jeweiligen Kammern 33, 35, 37, 39, 41 sind zusätzlich beispielsweise durch eine jeweils ebene Wandung eines Gehäuses der Pendelschiebermaschine 1 axial begrenzt.
-
Die Kammern 33, 35, 37, 39, 41 sind durch die jeweiligen Pendel 17, 19, 21, 23, 25 derart abgedichtet voneinander getrennt, dass ein hoher Druck innerhalb der jeweiligen Kammer 33, 35, 37, 39, 41 aufgebaut werden kann. Insbesondere werden die jeweiligen Pendel 17, 19, 21, 23, 25 durch einen Druck innerhalb der jeweiligen Kammer 33, 35, 37, 39, 41 in den jeweiligen Nuten 5, 7, 9, 11, 13 an den Innenrotor 3 gepresst.
-
Bei der Rotation des Innenrotors 3 verändert sich ein jeweiliges Volumen der Kammern 33, 35, 37, 39, 41 abhängig von der Exzentrizität des Innenrotors 3 bezüglich des Außenrotors 15. Ein Erhöhen des Volumens der jeweiligen Kammer 33, 35, 37, 39, 41 kann dabei genutzt werden, um eine Saugwirkung beispielsweise in Verbindung mit dem Einlass bereitzustellen, während ein Verringern des Volumens ein Erhöhen des Drucks innerhalb der jeweiligen Kammer 33, 35, 37, 39, 41 sowie einen Förderstrom des Fluids beispielsweise in Verbindung mit dem Auslass bewirkt.
-
Zur Detailbeschreibung der Pendelschiebermaschine 1 ist in 2 ein vergrößerter Ausschnitt der Pendelschiebermaschine 1 analog zu 1 dargestellt. Insbesondere ist das Pendel 17 in der Nut 5, sowie die zwei durch das Pendel 17 voneinander getrennten Kammern 33, 35 dargestellt. Die Pendel 17, 19, 21, 23, 25, die Nuten 5, 7, 9, 11, 13, sowie die jeweiligen Kammern 33, 35, 37, 39, 41 der 1 sind jeweils analog zu diesen ausgebildet.
-
Das Pendel 17 weist einen Pendelkopf 53 auf, der in der Pfanne 55 des Außenrotors 15 schwenkbar gelagert ist, mit einem Schwenkpunkt 59 koaxial zu der Achse 63 (siehe 1). Dies ermöglicht ein Verkippen des Pendels 17, insbesondere abhängig von dem Drehwinkel der Rotation des Innenrotors 3. Ferner weist das Pendel 17 einen Pendelkörper 27 auf, der in die Nut 5 hineinragt.
-
Der Pendelkörper 27 weist jeweils zwei gegenüberliegende Gleitflanken 29, 31 auf, die durch den Druck innerhalb der jeweiligen Kammer 33, 35 jeweils in zumindest einem Kontaktbereich an eine jeweilige Gleitwand 43, 45 der Nut 5 gepresst wird, so dass die zwei Kammern 33, 35 im Wesentlichen dicht voneinander getrennt sind.
-
Die Gleitflanken 29, 31 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet. In einem radial auf die Achse 63 gerichteten Endabschnitt des Pendelkörpers 27 und/oder in einem radial auf den Außenrotor 15 gerichteten Endabschnitt des Pendelkörpers 27 können die Gleitflanken 29, 31 jedoch beispielsweise fertigungsbedingt eine Krümmung aufweisen. Die Gleitflanken 29, 31 sind insbesondere dazu ausgebildet, abhängig von dem Drehwinkel an den jeweiligen Gleitwänden 43, 45 entlang in die Nut 5 hinein- und herauszugleiten.
-
Zusätzlich weist der Pendelkörper 27 beispielsweise axial parallele Gleitflächen auf, die an der jeweiligen ebenen Gehäusewandung bei der Rotation des Innenrotors 3 entlanggleiten. Eine Trenn- beziehungsweise Dichtwirkung des Pendels 5 bezüglich der zwei Kammern 33, 35 ist dabei insbesondere abhängig von einer Pendelbreite 57 des Pendels 5. Dabei ist insbesondere bei hohem Druck und einer zu gering dimensionierten Pendelbreite 57, beispielsweise bedingt durch eine Krümmung der gegenüberliegenden Gleitflanken 29, 31, mit einer Leckage des Fluids zwischen den zwei Kammern 33, 35 zwischen den parallelen Gleitflächen und der jeweiligen ebenen Gehäusewandung zu rechnen.
-
Aus diesem Grund ist die Pendelbreite 57 des Pendels 17 insbesondere in einem Übergangsbereich des Pendels 17 zwischen dem Pendelkörper 27 und dem Schwenkpunkt 59 größer gleich einem vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise abhängig von einem zu erwartenden Druck innerhalb der jeweiligen Kammer 33, 35. Hierzu ist ein Durchmesser des Pendelkopfs 53 beispielsweise größer als ein Abstand der Gleitflanken 29, 31 zueinander. Beispielsweise ist der Durchmesser des Pendelkopfs 53 zwischen 50% und 200% des Abstands der Gleitflanken 29, 31 zueinander, insbesondere zwischen 75% und 150%.
-
Der vorgegebene Schwellwert ist beispielsweise zwischen 50% und 200% des Abstands der Gleitflanken 29, 31 zueinander, insbesondere zwischen 100% und 150%. Beispielsweise entspricht der vorgegebene Schwellwert dem Abstand der Gleitflanken 29, 31 zueinander.
-
Ferner entspricht beispielsweise eine radiale Länge des Übergangsbereichs des Pendels 17 zwischen dem Pendelkörper 27 und dem Schwenkpunkt 59 zwischen 120% und 130% des Abstands der Gleitflanken 29, 31 zueinander. Insbesondere ist die radiale Länge des Übergangsbereichs des Pendels 17 125% des Abstands der Gleitflanken 29, 31 zueinander.
-
In vorteilhafter Weise wird durch diese Maßnahmen dazu beigetragen, die Leckage zwischen den zwei Kammern 33, 35 im Wesentlichen zu unterbinden. Dies ermöglicht einen effizienten Einsatz der Pendelschiebermaschine 1 auch bei hohem Druck wie beispielsweise bis zu 3000 bar, so dass insbesondere ein Einsatz als Kraftstoffpumpe ermöglicht wird.
-
Dies hat den Vorteil, dass eine genau dosierte Kraftstoffmenge bei unterschiedlichem Druck bereitgestellt werden kann, beispielsweise abhängig von einem Betriebszustand des Fahrzeugs. Dabei entfällt beispielsweise eine Notwendig eines Ein- beziehungsweise Auslassventils, das im Zusammenhang mit einer Konstantpumpe des Fahrzeugs erforderlich ist, um abhängig von einem erforderlichen, durch eine Drehzahl der Abtriebswelle bestimmten Förderstrom eine überschüssige Menge Kraftstoff abzuführen. Im Gegensatz dazu trägt die als Kraftstoffpumpe eingesetzte Pendelschiebermaschine 1 dazu bei, dass ein regelbarer Förderstrom bereitgestellt wird, sodass ein unnötiger Energieverbrauch im Zusammenhang mit einem Abführen der überschüssigen Menge Kraftstoff, beziehungsweise einem Bereitstellen der überschüssigen Menge Kraftstoff vermieden wird. In vorteilhafter Weise wird so zu einem effizienten Betrieb der Pendelschiebermaschine 1 beigetragen.
-
Die Nut 5 weist zu dem Nutinnenradius 49 (siehe 1) des Innenrotors 3 eine Nutbreite 47 auf, die sich radial nach außen hin zu einem Nutaußenradius 51 (siehe 1) erhöht. Die Nutbreite erhöht sich dabei beispielsweise zwischen 20% und 60%. Insbesondere weitet sich die Nut 5, 7, 9, 11, 13 zwischen 30% und 50% auf, insbesondere 40%. Ferner sind die Gleitwände 43, 45 konvex gekrümmt. Dies ermöglicht ein reibungs- und verschleißarmes Herein- und Herausgleiten der Gleitflanken 29, 31 bei der Rotation des Innenrotors 3. Die Gleitwände 43, 45 sind insbesondere als Evolvente möglicher Verkippungen der jeweiligen Gleitflanken 29, 31 bezüglich des Innenrotors 3 abhängig von dem Drehwinkel und der Exzentrizität des Außenrotors 15 bezüglich des Innenrotors 3 ausgebildet.
-
Die Nut 5 kann in einem Bereich um den Nutinnenradius 49 und/oder in einem Bereich um den Nutaußenradius 51 beispielsweise fertigungsbedingt eine hiervon verschiedene Krümmung aufweisen.
