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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe, insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Fluidförderpumpen sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise als Außenzahnradpumpen aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 045 030 A1 .
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Weiterhin ist auch die prinzipielle Anordnung von Speisefluidpumpen innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 205 648 A1 . Jedoch lassen die bekannten Dokumente offen, wie die Speisefluidpumpe auch mit aggressiven Arbeitsmedien von Abwärmerückgewinnungssystemen, welche eine sehr niedrige Viskosität aufweisen, mit möglichst langer Lebensdauer betrieben werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe hat demgegenüber den Vorteil, dass sie für niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien eingesetzt werden kann und auch für derartige Arbeitsmedien einen hydrodynamischen Schmierfilm in den Gleitlagern ausbilden kann. Dadurch wird die Lagerlebensdauer signifikant erhöht.
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Dazu weist die Außenzahnradpumpe ein Pumpengehäuse auf. In dem Pumpengehäuse sind ein Einlass, ein Auslass und ein Arbeitsraum ausgebildet. In dem Arbeitsraum sind ein auf einer ersten Welle angeordnetes erstes Zahnrad und ein auf einer zweiten Welle angeordnetes zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Beide Zahnräder weisen Zähne mit einer Zahnbreite b auf. Die erste Welle ist in zumindest einem Gleitlager radial gelagert, und die zweite Welle ist in zumindest einem weiteren Gleitlager radial gelagert. Das Gleitlager weist einen Lagerdurchmesser D61 auf, und das weitere Gleitlager weist einen weiteren Lagerdurchmesser D63 auf. Im Betrieb der Außenzahnradpumpe 1 ist ein Fördervolumen V eines Arbeitsmediums von dem Einlass zu dem Auslass förderbar. Die beiden Lagerdurchmesser D61, D63 sind so ausgelegt, dass das Verhältnis V/(D61 2·b) < 1,1 ist und dass das Verhältnis V/(D63 2·b) < 1,1 ist.
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Die Gleitlager können dabei beispielsweise als Lagerbohrungen in dem Pumpengehäuse, oder in einer darin angeordneten Lagerbrille oder Lagerbuchse ausgebildet sein. Das Fördervolumen V ist das Volumen des zum Auslass geförderten Arbeitsmediums in typischen Betriebspunkten.
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Aufgrund der dadurch verwendeten untypischen großen Lagerdurchmesser für die Gleitlager der Außenzahnradpumpe können niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien gefördert werden, ohne die Gleitlager gegenüber dem Arbeitsraum hermetisch abdichten zu müssen. Selbst Arbeitsmedien mit einer kinematischen Viskosität << 2 mm2/s sind so förderbar. Die Kontaktflächen zwischen den Wellen und den Gleitlagern werden durch diese Auslegung erhöht, so dass sich in den Gleitlagern im Betrieb ein hydrodynamischer Gleitfilm ausbilden kann. Der Verschleiß in den Gleitlagern wird dadurch merklich reduziert und dementsprechend die Lebensdauer der Gleitlager und damit auch der gesamten Außenzahnradpumpe erhöht. Im besten Fall kann für die Gleitlager dann sogar auf teure, besonders verschleißfeste Materialien verzichtet werden.
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In bevorzugten Weiterbildungen sind die beiden Lagerdurchmesser des Gleitlagers und des weiteren Gleitlagers gleich groß. Dadurch kann die Auslegung der beiden Gleitlager einheitlich erfolgen. Weiterhin können auch gleich große Zahnräder gewählt werden, so dass der Wirkungsgrad der Außenzahnradpumpe optimiert ist.
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In vorteilhaften Ausführungen sind die beiden Wellen jeweils in zwei Gleitlagern radial gelagert, vorteilhafterweise beiderseits der Zahnräder. Dann gilt obige Auslegungsformel für alle vier Gleitlager, also V/(D2·b) < 1,1, mit D = {D61; D62; D63; D64}, wobei D61, D62, D63, D64 die vier Lagerdurchmesser sind. Vorzugsweise sind dann auch alle vier Lagerdurchmesser gleich groß: D61 = D62 = D63 = D64
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Nachfolgend werden alternative bzw. auch mit den vorherigen Auslegungen kombinierbare Auslegungskonzepte beschrieben. Dabei sind die nachfolgenden Auslegungskonzepte unabhängig vom Fördervolumen V.
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Dazu weist die Außenzahnradpumpe ein Pumpengehäuse auf. In dem Pumpengehäuse sind ein Einlass, ein Auslass und ein Arbeitsraum ausgebildet. In dem Arbeitsraum sind ein auf einer ersten Welle angeordnetes erstes Zahnrad und ein auf einer zweiten Welle angeordnetes zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Das erste Zahnrad weist einen ersten Kopfkreisdurchmesser DK11 auf, und das zweite Zahnrad weist einen zweiten Kopfkreisdurchmesser DK12 auf, wobei vorzugsweise beide Kopfkreisdurchmesser DK11, DK12 gleich groß sind. Die erste Welle ist in zumindest einem Gleitlager radial gelagert, und die zweite Welle ist in zumindest einem weiteren Gleitlager radial gelagert. Beide Wellen sind parallel mit einem Achsabstand a zueinander angeordnet. Das Gleitlager weist einen Lagerdurchmesser D61 auf, und das weitere Gleitlager weist einen weiteren Lagerdurchmesser D63 auf. Die beiden Lagerdurchmesser D61, D63 sind so ausgelegt, dass das Verhältnis (DK11·a)/D61 2 < 2,5 ist und dass das Verhältnis (DK12·a)/D63 2 < 2,5 ist.
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Die Gleitlager können auch in diesen Ausführungen beispielsweise als Lagerbohrungen in dem Pumpengehäuse, oder in einer darin angeordneten Lagerbrille oder Lagerbuchse ausgebildet sein.
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Aufgrund der durch dieses Auslegungskonzept verwendeten untypischen großen Lagerdurchmesser für die Gleitlager der Außenzahnradpumpe können niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien gefördert werden, ohne die Gleitlager gegenüber dem Arbeitsraum hermetisch abdichten zu müssen. Es gelten die gleichen Vorteile wie oben schon beschrieben.
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Ebenso gibt es auch die gleichen Weiterbildungen der Erfindung wie oben: die radiale Lagerung der beiden Wellen durch jeweils zwei Gleitlager und die Verwendung von gleich großen Lagerdurchmessern für alle Gleitlager, wobei jeder Lagerdurchmesser entsprechend des Auslegungskonzepts dimensioniert sein soll.
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Außenzahnradpumpen eignen sich sehr gut für die Anwendung in Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen. Derartige Abwärmerückgewinnungssysteme verwenden oft niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien. Daher ist die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe sehr vorteilhaft in einem Abwärmerückgewinnungssystem verwendbar. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Die Speisefluidpumpe ist dabei als Außenzahnradpumpe mit den vorhergehend beschriebenen Merkmalen ausgeführt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine Außenzahnradpumpe des Stands der Technik in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereich dargestellt sind,
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2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Außenzahnradpumpe aus dem Stand der Technik,
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3 eine Außenzahnradpumpe im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Außenzahnradpumpe 1 aus dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Außenzahnradpumpe 1 umfasst ein Pumpengehäuse 2, einen Deckel 3 und einen Bodenflansch 4. Der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 sind unter Zwischenlage des Pumpengehäuses 2 durch vier Schrauben 5 miteinander verspannt. Das Pumpengehäuse 2, der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 begrenzen einen Arbeitsraum 6.
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In dem Arbeitsraum 6 sind ein erstes Zahnrad 11 und ein zweites Zahnrad 12 kämmend miteinander angeordnet. Beide Zahnräder 11, 12 weisen dabei eine gewisse Anzahl von Zähnen mit jeweils einer Zahnbreite bzw. Zahnradbreite b auf. Das erste Zahnrad 11 ist auf einer ersten Welle 21 befestigt und das zweite Zahnrad 12 auf einer zur ersten Welle 21 parallelen zweiten Welle 22. Die erste Welle 21 dient dabei als Antriebswelle und ist mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden, beispielsweise einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Dazu ragt die erste Welle 21 durch den Bodenflansch 4.
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Die beiden Wellen 21, 22 ragen jeweils durch das ihnen zugeordnete Zahnrad 11, 12 und sind mit diesem fest verbunden, beispielsweise durch je einen Pressverband. Beiderseits der Zahnräder 11, 12 sind die Wellen 21, 22 gelagert. Die Lagerung erfolgt durch zwei Lagerbrillen 30, 40, wobei die Lagerbrillen 30, 40 in dem Arbeitsraum 6 angeordnet sind: eine Lagerbrille 30 ist benachbart zum Bodenflansch 4 angeordnet und eine weitere Lagerbrille 40 benachbart zum Deckel 3. In beiden Lagerbrillen 30, 40 sind jeweils zwei Lagerbuchsen 9 eingepresst. Die Lagerbuchsen 9 der Lagerbrille 30 und lagern die beiden Wellen 21, 22 antriebsseitig und die Lagerbuchsen 9 der weiteren Lagerbrille 40 auf der dazu gegenüberliegenden Seite der Zahnräder 11, 12. Die Lagerbuchsen 9 bilden somit Gleitlager für die beiden Wellen 21, 22 aus. Alternativ können die zwei Lagerbuchsen 9 auch einteilig mit der Lagerbrille 30 ausgeführt werden. Gleiches gilt auch für die weitere Lagerbrille 40.
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Die vier Lagerbuchsen 9 haben jeweils eine Radiallagerfunktion und bilden jeweils ein Gleitlager mit der ihnen zugeordneten Welle 21, 22. Die Axiallagerfunktion wird durch die beiden Lagerbrillen 30, 40 erreicht: Dazu weist die Lagerbrille 30 stirnseitig eine Anschlagfläche 31 auf und die weitere Lagerbrille 40 stirnseitig eine weitere Anschlagfläche 42. Beide Anschlagflächen 31, 42 wirken mit beiden Zahnrädern 11, 12 zusammen. Die Anschlagfläche 31 lagert beide Zahnräder 11, 12 in der axialen Richtung zum Bodenflansch 4 orientiert; die weitere Anschlagfläche 42 lagert beide Zahnräder 11, 12 in der axialen Richtung zum Deckel 3 orientiert.
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Zur Abdichtung des Arbeitsraums 6 zur Umgebung sind zwei Dichtungen am Pumpengehäuse 2 angeordnet: Eine Dichtung 28 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Bodenflansch 4, und eine weitere Dichtung 29 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Deckel 3. Beide Dichtungen 28, 29 verlaufen etwa ringförmig über den Umfang des Pumpengehäuses 28, 29 und sind üblicherweise in entsprechenden Nuten angeordnet.
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Weiterhin ist zwischen der Lagerbrille 30 und dem Bodenflansch 4 eine Axialfelddichtung 18 angeordnet, und zwischen der weiteren Lagerbrille 40 und dem Deckel 3 ist eine weitere Axialfelddichtung 19 angeordnet. Die beiden Axialfelddichtungen 18, 19 stellen zum einen eine axiale Lagerung der beiden Lagerbrillen 30, 40 innerhalb des Pumpengehäuses 2 dar. Zum anderen werden die Stirnseiten bzw. Rückseiten der beiden Lagerbrillen 30, 40 dadurch drehwinkelabhängig entweder mit dem Druckniveau des Druckbereichs oder mit dem Druckniveau des Saugbereichs beaufschlagt.
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2 zeigt das Wirkprinzip der aus dem Stand der Technik bekannten Außenzahnradpumpe 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. In dem Pumpengehäuse 2 sind ein Einlass 2a und ein Auslass 2b ausgebildet, welche an gegenüberliegenden Seiten in den Arbeitsraum 6 münden. Ein Fördervolumen V des Arbeitsmediums wird so an der Gehäusewand des Pumpengehäuses 2 zwischen den Zähnen der beiden Zahnräder 11, 12 vom Einlass 2a zum Auslass 2b gefördert. Das Fördervolumen V entspricht dabei dem geförderten Volumen im Nennbetrieb der Außenzahnradpumpe 1, das heißt dem geförderten Volumen in wesentlichen Betriebspunkten. Bezüglich der Zahnbreite b der beiden Zahnräder 11, 12 stellt sich somit ein spezifisches Fördervolumen Vspec = V/b ein.
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Im Bereich des Einlasses 2a bildet sich dadurch der Saugbereich der Außenzahnradpumpe 1 mit einem niedrigen ersten Druckniveau – beispielsweise Atmosphärendruck – aus, und im Bereich des Auslasses 2b bildet sich der Druckbereich der Außenzahnradpumpe 1 mit einem höheren zweiten Druckniveau – beispielsweise 40 bar – aus. Das zweite Druckniveau des Druckbereichs hängt dabei von der nachfolgenden Strömungstopologie ab, beispielsweise von einer Drosselstelle.
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Dargestellt sind weiterhin der Kopfkreisdurchmesser DK11 des ersten Zahnrads 11 und der Kopfkreisdurchmesser DK12 des zweiten Zahnrads 12, sowie der Achsabstand a zwischen den beiden Wellen 21, 22. Vorzugsweise sind die beiden Kopfkreisdurchmesser DK11, DK12 gleich groß und die beiden Zahnräder 11, 12 haben die gleich Anzahl an Zähnen.
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3 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe 1 im Bereich durch die Längsachsen der beiden Wellen 21, 22, welche im Achsabstand a parallel zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die Durchmesser der Gleitlager 61, 62, 63, 64 der beiden Wellen 21, 22 deutlich größer ausgeführt als bei herkömmlichen Außenzahnradpumpen. Dadurch ist die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1 für niederviskose (beispielsweise für Viskositäten << 2 mm2/s) und schlecht schmierende Arbeitsmedien geeignet. Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1 ist daher besonders gut für den Einsatz in Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen geeignet.
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Das Zahnradpaar, also die beiden Zahnräder 11, 12, werden mittels Gleitlager 61, 62, 63, 64 gelagert. In der Ausführung der 3 erfolgt die Lagerung in zwei zweiteiligen Lagerbrillen 30, 40. Beide Lagerbrillen 30, 40 können jedoch auch einteilig ausgeführt sein. Optional können auch Lagerbuchsen verwendet werden, wie in 1 skizziert. Dabei können auch weiterhin die Lagerbrille 30 und die weitere Lagerbrille 40 unterschiedlich ausgeführt sein.
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Die Lagerbrille 30 stützt sich über die Axialfelddichtung 18 am Bodenflansch 4 und die weitere Lagerbrille 40 stützt sich über die weitere Axialfelddichtung 19 am Deckel 3 ab. Beide Lagerbrillen 30, 40 sind somit also über die beiden Axialfelddichtungen 18, 19 und die zwischen ihnen angeordneten Wellen 21, 22 und Zahnräder 11, 12 im Pumpengehäuse 2 gelagert.
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In dem Bodenflansch 4 ist ein Wellendurchtrieb 15 ausgebildet. Dadurch kann die Antriebswelle der Außenzahnradpumpe 1, in diesem Fall die erste Welle 21, aus dem Pumpengehäuse 2 geführt werden und an einen Antrieb, beispielsweise eine Kupplung oder einen Riemen, gekoppelt werden.
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In den Lagerbrillen 30, 40 sind vier Lagerbohrungen 51, 52, 53, 54 ausgebildet, so dass die erste Welle 21 über die erste Lagerbohrung 51 und über die zweite Lagerbohrung 52 gelagert ist und so dass die zweite Welle 22 über die dritte Lagerbohrung 53 und über die vierte Lagerbohrung 54 gelagert ist. Drei Lagerbohrungen 52, 53, 54 sind als Sacklochbohrungen ausgeführt, die erste Lagerbohrung 51 als Durchgangsbohrung, so dass die als Antriebswelle ausgeführte erste Welle 21 aus der Lagerbrille 30 herausgeführt werden kann.
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Die vier Lagerbohrungen 51, 52, 53, 54 bilden jeweils ein Gleitlager 61, 62, 63, 64 für die Wellen 21, 22. Die erste Welle 21 ist in zwei Gleitlagern 61, 62 gelagert, wobei die beiden Gleitlager 61, 62 in axialer Richtung betrachtet an gegenüberliegenden Seiten des ersten Zahnrads 11 angeordnet sind. Die zweite Welle 22 ist in zwei weiteren Gleitlagern 63, 64 gelagert, wobei die beiden weiteren Gleitlager 63, 64 in axialer Richtung betrachtet an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Zahnrads 12 angeordnet sind.
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In alternativen Ausführungen weist die Außenzahnradpumpe 1 je Welle 21, 22 lediglich ein Gleitlager auf. Also beispielsweise ist die erste Welle 21 dann innerhalb des Pumpengehäuses 2 nur durch das Gleitlager 61 radial gelagert und die zweite Welle 22 nur durch das weitere Gleitlager 63.
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Erfindungsgemäß sind die Gleitlager 61, 62, 63, 64 entgegen den herkömmlichen Auslegungen mit besonders großen Lagerdurchmessern D61, D62, D63, D64 versehen. Die einzelnen Lagerdurchmesser D61, D62, D63, D64 werden so ausgelegt, dass gilt:
- • bezüglich des spezifischen Fördervolumens Vspec: Vspec/D2 < 1,1
- • bezüglich des Fördervolumens V: V/(D2b) < 1,1.
wobei D = { D61; D62; D63; D64}.
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Vorteilhafterweise ist dabei D61 = D62 = D63 = D64.
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Alternativ bzw. ergänzend sind die Lagerdurchmesser D61, D62, D63, D64 der Gleitlager 61, 62, 63, 64 bzgl. der Kopfkreisdurchmesser DK11, DK12 der beiden Zahnräder 11, 12 und bzgl. des Achsabstands a der beiden Wellen 21, 22 zueinander auszulegen. Dabei soll gelten: (DK·a)/D2 < 2,5 wobei DK = {DK11; DK12} und D = { D61; D62; D63; D64}.
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Die Umfangsgeschwindigkeit der zylindrischen Kontaktflächen der Wellen 21, 22 in den Gleitlagern 61, 62, 63, 64 wird dadurch so weit erhöht, dass die radiale Gleitlagerung bei gegebenem niederviskosen Arbeitsmedium und gegebenem vergleichsweise kleinem Fördervolumen V der Außenzahnradpumpe 1 im hydrodynamischen Betrieb läuft, sich also ein Schmierfilm zwischen den Wellen 21, 22 und den Gleitlagern 61, 62, 63, 64 aufbauen kann. Dazu werden die Gleitlager 61, 62, 63, 64 im Lagerdurchmesser D61, D62, D63, D64 größtmöglich angestrebt und somit eine Verzahnung der beiden Zahnräder 11, 12 gewählt, die einerseits noch mechanisch sauber abwälzt und ausreichende hydraulische Abdichtungen zu dem Pumpengehäuse 2, dem Deckel 3 und dem Bodenflansch 4 erlaubt, ohne ein zu großes Fördervolumen V zu erzeugen, wobei das Fördervolumen V insbesondere für ein Abwärmerückgewinnungssystem geeignet sein soll.
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Die Aufgabe, die Außenzahnradpumpe 1 so auszulegen, dass die Gleitgeschwindigkeit zwischen Welle 21, 22 und Gleitlager 61, 62, 63, 64 sehr stark erhöht wird, stellt sich nicht bei der Projektierung einer üblichen, dem Stand der Technik entsprechendem Außenzahnradpumpe für übliche höherviskose Arbeitsmedien. Dort kann nämlich bei gegebenem Fördervolumen bezüglich eines kompakten Bauraums optimiert werden, also in Richtung möglichst kleiner Gleitlager. Ein hydrodynamischer Schmierfilm würde sich in den Kontakten der Gleitlager dennoch einstellen.
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Die Erfindung wird so definiert, dass ein Verhältnis von spezifischem Fördervolumen Vspec der Förderverzahnung [mm3 Fördervolumen V pro mm Zahnradbadbreite b] in Bezug auf das Quadrat des Lagerdurchmessers D der Gleitlager kleiner ist als 1,1. Pumpen entsprechend dem Stand der Technik weisen üblicherweise ein solches Verhältnis von 2 und darüber auf.
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Alternativ ist ein weiteres Verhältnis von dem Produkt aus Kopfkreisdurchmesser DK und Achsabstand a geteilt durch das Quadrat des Lagerdurchmessers D kleiner als 2,5. Pumpen entsprechend dem Stand der Technik weisen üblicherweise ein derartiges weiteres Verhältnis von 3 und darüber auf.
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In besonders vorteilhaften Ausführungen ist die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1 in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Der Brennkraftmaschine wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung aus der Brennkraftmaschine abgeführt.
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Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter und eine Ventileinheit in den Kreislauf eingespeist werden. Der Sammelbehälter kann dabei alternativ auch in den Kreislauf eingebunden sein.
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Der Verdampfer ist an die Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine.
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Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter, in den Verdampfer gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe zugeführt.
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Die Speisefluidpumpe des Abwärmerückgewinnungssystems ist dabei eine Außenzahnradpumpe 1 nach einer der obigen Ausführungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045030 A1 [0002]
- DE 102013205648 A1 [0003]
