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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine einstufige Strömungspumpe
(turbine pump) und insbesondere eine Mehrkanal-Strömungspumpe
zum Fördern von
Kraftstoff in einer Kraftstoffzuführanlage für ein Kraftfahrzeug.
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Elektrisch angetriebene Strömungspumpen, insbesondere
Peripheralund Seitenkanalpumpen, werden üblicherweise in Kraftstoffanlagen
von Fahrzeugen und dergleichen eingesetzt. Die Pumpen haben typischerweise
einen äußeren Mantel,
der ein inneres Gehäuse
umgibt und zusammenhält.
Das innere Gehäuse
wird in einen Kraftstofftank getaucht, wobei Kraftstoff durch einen
Kraftstoffeinlass aus dem umgebenden Tank angesaugt und durch einen Auslass
unter Druck an den Verbrennungsmotor abgegeben wird. Eine nach unten
ragende Welle des elektrischen Motors treibt ein scheibenförmiges Laufrad
mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Schaufeln
an, die um den Umfang des Laufrades herum angeordnet sind. Ein bogenförmiger Pumpkanal
im Gehäuse
umgibt den Außenumfang
des Laufrades und verläuft
von einer Einlassöffnung
zu einer Auslassöffnung
an entgegengesetzten Enden. Flüssiger
Kraftstoff der sich in Taschen zwischen benachbarten Schaufeln und
in dem umgebenden Kanal befindet, entwickelt Druck durch Wirbelströmungen,
die durch das dreidimensionale Profil der Schaufeln und die Drehung
des Laufrades induziert werden.
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Typischerweise haben Kraftstoff-Strömungspumpen
einen stationären
Führungsring,
der Kraftstoff von den sich bewegenden Laufrad-Schaufeln „abstreift" und den Kraftstoff
durch eine Auslassöffnung
lenkt. Ein Kanal ist radial außerhalb
der Laufrad-Schaufeln und radial innerhalb eines nacheilenden Segmentes
des Führungsringes
angeordnet. Außerdem
ist der Kanal axial bzw. seitlich außen zu beiden Seiten des Laufrades
an dem umlaufenden Schaufelkranz angeordnet. Anders ausgedrückt, flankiert
der Kanal das Laufrad nicht nur seitlich bzw. kommuniziert der Kanal
axial mit dem Laufrad nicht nur an der Schaufelstelle von beiden
Seiten aus, sondern er kommuniziert auch radial mit den Schaufeltaschen.
Ein kleinerer Abschnitt bzw. ein kleineres Abstreifsegment des Führungsringes
ist in Umfangsrichtung zwischen Einlass- und Auslass angeordnet und
grenzt an das Laufrad an, um Hochdruckkraftstoff von den sich bewegenden
Schaufeln „abzustreifen", wodurch verhindert
wird, dass Kraftstoff am Pumpenauslass vorbeiströmt und in den Einlass zurückgelangt.
Drei Beispiele derartiger Kraftstoffpumpen sind offenbart in der
US-A-5,257,916,
6,068,456 und 6,227,819.
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Ein zweiter Typ Strömungspumpen,
wie in der US-A-5,702,229 offenbart, hat zwei konzentrische Schaufelkränze, die
radial durch einen Zwischenring (mid-hoop) des Laufrades getrennt
sind, wobei beide Schaufelkränze
mit einem gemeinsamen Kanal in Verbindung stehen. Wie bei dem oben beschriebenen
ersten Pumpentyp ragt der äußere Schaufelkranz
vom Umfang des Laufrades radial nach außen in Richtung auf einen stationären Führungsring.
Bei dieser Anordnung fließt
der Kraftstoff wendelförmig
um den Zwischenring und durch den Kanal. D.h., der Kraftstoff fließt um den
Mittelring während
er gleichzeitig um den Kanal von einem Einlass zu einem Auslass
strömt.
Leider ist bei diesem Pumpentyp Kavitation innerhalb der Pumpe,
insbesondere bei hohen Temperaturen, nach wie vor ein Problem.
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Ein dritter Pumpentyp, wie er in
der US-A-5,642,981 offenbart ist, entspricht dem oben erwähnten ersten
Pumpentyp, abgesehen davon, dass mehrere Pumpen in Reihe geschaltet
vorgesehen sind und von einem gemeinsamen Motor angetrieben werden.
Es handelt sich um mehrstufige Pumpen mit einer ersten und zweiten
Stufe, von denen die erste Stufe (Niederdruckstufe) Kraftstoff in die
zweite Stufe (Hochdruckstufe) fördert,
so dass es sich um einen „regenerativen" Pumpentyp handelt. Mehrstufige
Pumpen sind allerdings teuer in der Herstellung und haben einen
höheren
Leistungsverbrauch als einstufige Pumpen.
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Andere Pumpentypen, wie sie in der
US-Patentanmeldung 2002/0021961 A1 und in der US-A-5,807,068 offenbart
sind, verwenden keine stationären
Führungsringe,
sondern einen Außenring, der
einen Teil des Lauf rades bildet. Der Außenring liegt an den radial äußeren Enden
eines Schaufelkranzes des Laufrades an. Bei dieser Konstruktion stehen
die Laufradtaschen lediglich mit Nuten des Kanals in seitlicher
bzw. axialer Richtung in Verbindung. D.h., dass eine Strömungsverbindung
zwischen den Laufradtaschen und dem Kanal allein in axialer bzw.
seitlicher Richtung vorhanden ist. Im Gegensatz hierzu haben die
oben beschriebenen ersten und zweiten Pumpentypen Taschen, die mit
dem Kanal sowohl in axialer wie auch radialer Richtung in Verbindung
stehen.
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Trotz der Vielzahl zur Verfügung stehender Pumpentypen
und erheblicher Verbesserungen der heutzutage eingesetzten Kraftstoffpumpen
sind sie jedoch immer noch verbesserungswürdig. Der Wirkungsgrad moderner
Kraftstoffpumpen liegt zwischen ungefähr 35 und 45 %, und bei Kombination mit
einem typischen elektrischen Motor eines Wirkungsgrades von ungefähr 45 bis
50 % ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad der Kraftstoffpumpe von
ungefähr
16 bis 22 %. Außerdem
sind höhere
Volumenstrom- und Drückanforderungen
von Kraftstoffpumpen für
Kraftfahrzeuge von herkömmlichen
Strömungspumpen
mit einem Durchmesser von 36 bis 39 mm nicht zu befriedigen. Um
die Förderleistung
und den Druck zu erhöhen,
müssen
die Pumpen bei höheren
Drehzahlen betrieben werden. Dies verschärft jedoch das Kavitationsproblem.
Höhere
Drehzahlen zu einem erhöhten
viskosen Widerstand für
den Anker (Verringerung des Wirkungsgrades), Geräusch und Verschleiß des Kommutators.
Die maximale Förderleistung
bei hohen Temperaturen beträgt
ungefähr
150 l/h für
eine herkömmliche
einstufige Kraftstoffpumpe (Turbine Pump). Herkömmliche Möglichkeiten zum Verbessern
der Förderleistung
bei hohen Temperaturen sind die Verwendung weiterer Druckstufen
oder das Überdimensionieren
der ersten Stufe einer zweistufigen Pumpe, um einen Strömungsverlust
von 30 bis 40 % zu kompensieren, wie er für regenerative Pumpen typisch
ist. Solche Lösungen sind
jedoch kostspielig und haben einen erhöhten Leistungsbedarf, was wiederum
den Pumpenwirkungsgrad verringert.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen
diese Schwierigkeiten überwunden
werden. Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Ansprüchen
definiert.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete einstufige Strömungspumpe
(turbine pump) umfasst ein unteres Gehäuseteil, ein oberes Gehäuseteil,
eine Laufradkammer, einen elektrischen Motor und ein Laufrad. Das
untere Gehäuseteil
hat einen Einlass und erste sowie zweite untere ringförmige Nuten.
In der gleichen Weise hat das obere Gehäuseteil einen Auslass und erste
und zweite obere ringförmige
Nuten. Das Laufrad hat einen ersten Schaufelkranz, der mit den ersten
unteren und oberen ringförmigen
Nuten in Verbindung steht, und einen zweiten Schaufelkranz, der
mit den zweiten unteren und oberen ringförmigen Nuten in Verbindung
steht, so dass bei einer Drehung des Laufrades ein Teil des einströmenden Fluids
in die erste untere ringförmige
Nut und ein anderer Teil in die zweite untere ringförmige Nut
eintritt.
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Aufgrund der Erfindung ergeben sich
die folgenden weiteren Vorteile: Die Pumpe hat einen verbesserten
Pumpenwirkungsgrad, ein erhöhtes
Fördervolumen,
ohne dass zusätzliche
Teile erforderlich sind und ohne dass ein Verlust an Pumpenwirkungsgrad
entsteht, ein verbessertes Heißkraftstoffverhalten
bei hohen Förderleistungen über einem
weiten Druckbereich, erfordert keine zusätzlichen Bauteile wie bei herkömmlichen
mehrstufigen Pumpen, hat einen höheren
Wirkungsgrad als eine herkömmliche einstufige
und doppelstufige Pumpe, ist einfacher in der Herstellung als mehrstufige
Pumpen, hat eine abgeflachte Verhaltungskurve über unterschiedlichen Drücken und
elektrischen Spannungen und hat einen solchen Aufbau, dass weitere
Stufen ohne erhebliche Mehrkosten und ohne erheblichen Fertigungsaufwand
hinzugefügt
werden können,
um nur einige der Vorteile zu nennen. Die Erfindung zeichnet sich
hohe Lebensdauer aus.
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Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Strömungspumpe
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Teilansicht
der inneren und äußeren Pumpkammern
der Pumpe in 1;
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3 eine
perspektivische Ansicht des Laufrades der in 1 gezeigten Pumpe, wobei Teile entfernt
sind, um innere Einzelheiten zu zeigen;
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4 eine
Draufsicht auf das Laufrad in 3;
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5 eine
perspektivische Teilansicht des Laufrades in 3;
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6 eine
Querschnittsansicht des Laufrades längs der Linien 6-6 in 4;
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7 eine
vergrößerte Teilansicht
des inneren und äußeren Schaufelkranzes
des Laufrades in 6;
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8 eine
vergrößerte Teilansicht
des Laufrades in 4 von
unten; 9 eine perspektivische Teilansicht
des Laufrades in 3 radial
nach innen, wobei Teile entfernt sind, um innere Einzelheiten der Vorderseite
der Schaufeln zu zeigen;
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10 eine
perspektivische Teilansicht des Laufrades in 3 radial nach innen, wobei Teile entfernt
sind, um innere Einzelheiten der Hinterseite der Schaufeln zu zeigen;
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11 eine
Teilschnittansicht des Laufrades in 3 radial
nach innen;
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12 eine
perspektivische Ansicht des unteren Gehäuseteils der Pumpe in 1;
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13 eine
zweite perspektivische Ansicht des unteren Gehäuseteils der Pumpe in 1;
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14 eine
Ansicht des unteren Gehäuseteils
der Pumpe in 1 von unten;
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15 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
unteren Gehäuseteils
der Pumpe in 1;
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16 eine
perspektivische Ansicht des oberen Gehäuseteils der Pumpe in 1;
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17 eine
zweite perspektivische Ansicht des oberen Gehäuseteils der Pumpe in 1;
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18 eine
Ansicht des oberen Gehäuseteils
der Pumpe in 1 von unten;
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19 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
oberen Gehäuseteils
der Pumpe längs
der Linie 19-19 in 18;
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20 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
oberen Gehäuseteils
der Pumpe längs
der Linien 20-20 in 18;
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21 eine
perspektivische Teilansicht der Pumpenkammern und des Laufrades,
bei der Teile entfernt sind, um den wendelförmigen Strömungsverlauf des Kraftstoffes
zu zeigen;
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22 eine
Teilschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Strömungspumpe
gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
ein Beispiel einer Kraftstoffpumpe 30 unter Verwendung
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Laufrades. Das Laufrad wird von einem elektrischen Motor 36 um
eine Drehachse 34 angetrieben. Die Pumpe 30 lässt sich
bei einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen; bevorzugt und für die Zwecke
der vorliegenden Beschreibung wird sie jedoch in einer Kraftstoffzuführanlage
eingesetzt, bei der die Pumpe typischerweise in einem Kraftstofftank eines
Fahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) untergebracht
ist. Ein als Außengehäuse dienender
Mantel 38 der Pumpe 30 trägt den elektrischen Motor 36 und
einen Pumpenabschnitt 32 in aufrechter Lage. Im Betrieb
ist die Drehachse 34 vertikal bezüglich des Pumpenabschnitts 32 angeordnet,
welcher sich unterhalb des elektrischen Motors 36 befindet.
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Der Pumpenabschnitt 32 umfasst
ein oberes Gehäuseteil 42 und
ein unteres Gehäuseteil 44,
die von dem Mantel umgeben und zusammengehalten werden. Eine Laufradkammer 46 ist
konzentrisch zwischen dem oberen und unteren Gehäuseteil 42 bzw. 44
angeordnet und enthält
ein Laufrad 48, das um die Achse 34 rotiert. Ein
Rotor (nicht gezeigt) und eine Welle 35 des elektrischen
Motors sowie das Laufrad 48 rotieren gemeinsam um die Drehachse 34.
Die Welle 35 ragt nach unten durch das obere Gehäuseteil 42,
erstreckt sich durch das Laufrad 48 und ist mit diesem
drehfest verbunden und wird von einem Lager 49 gelagert,
das in einer Sackbohrung 51 des unteren Gehäuseteils 44 angeordnet
ist.
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Ein Kraftstoffeinlass 50 verläuft in dem
unteren Gehäuseteil 44 in
im wesentlichen axialer Richtung. Durch den Kraftstoffeinlass 50 gelangt
Niederdruck-Kraftstoff aus einem Kraftstoffreservoir bzw. einem
umgebenden Kraftstofftank (nicht gezeigt) nach oben in die Laufradkammer 46.
In ähnlicher
Weise enthält
das obere Gehäuseteil 42 einen
Kraftstoffauslass 52 (gestrichelt angedeutet), durch den
unter Druck stehender Kraftstoff in axialer Richtung nach oben aus
der Laufradkammer 46 abgegeben wird. Ein innerer Schaufelkranz 56A und
ein äußerer Schaufelkranz 56B des
Laufrades 48 fördern
den Kraftstoff durch innere und äußere in
Umfangsrichtung verlaufende Pumpkammern 54A, 54B,
die in erster Linie zwischen dem oberen und unteren Gehäuseteil 42, 44 angeordnet
sind. Der innere und äußere Schaufelkranz 56A bzw. 56B sind
zu der inneren bzw. äußeren Pumpkammer 54A, 54B radial
ausgerichtet, welche, wie besser in 3 zu
sehen ist, sich in einem Winkelbereich von ungefähr 300 bis 350° bzw. in
jedem Fall von weniger als 360° erstrecken.
Die Pumpkammern 54A und 54B verlaufen um die Drehachse 34 vom
Kraftstoffeinlass 50 zum Kraftstoffauslass 52 (in 3 nicht gezeigt). Es gibt
praktisch keine oder jedenfalls nur eine sehr geringe Querverbindung
zwischen der inneren und äußeren Pumpkammer 54A und 54B.
Eine sehr beschränkte Querverbindung
zwischen den Pumpkammern kann wünschenswert
sein, wenn Kraftstoff als Schmiermittel zwischen den sich bewegenden
Flächen
benötigt wird.
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Es wird nun insbesondere auf 2 Bezug genommen. Die innere
und äußere Pumpkammer 54A und 54B enthalten
jeweils obere Nuten 58A, 58B, die jeweils in der
Unterseite 59 des oberen Gehäuseteils 52 gebildet
sind, untere Nuten 62A, 62B, die jeweils in der
Oberseite 69 des unteren Gehäuseteils 44 gebildet
sind, und Schaufeltaschen 60A, 60B, die zwischen
den Schaufeln des Laufrades so gebildet sind, dass sie sowohl mit
den oberen wie auch unteren Nuten in Strömungsverbindung stehen. Anders
gesagt, umfasst die in Umfangsrichtung verlaufende innere Pumpkammer 54A die
obere Nut 58 im oberen Gehäuseteil 42, die Schaufeltasche 60A im Laufrad 48 und
die untere Nut 62A im unteren Gehäuse 44, welche sämtlich untereinander
in Strömungsverbindung
stehen und radial ausgerichtet sind, so dass sie sich in Umfangsrichtung
gemeinsam erstrecken. In diesem speziellen Beispiel sind die oberen
und unteren Nuten 58A und 62A symmetrisch geformt
und dimensioniert; sie könnten
jedoch auch nicht symmetrisch gestaltet sein. Die vorstehende Beschreibung
der inneren Pumpkammer 54A gilt in entsprechender Weise
für die äußere Pumpkammer 54B,
welche die obere Nut 58B, die Schaufeltasche 60B und
die untere Nut 62B umfasst und an einer Stelle angeordnet
ist, die radial außerhalb
der inneren Pumpkammer liegt. Die äußere Pumpkammer 54B hat,
wie in 2 gezeigt, eine
Querschnittsform, die größer ist
als die der inneren Pumpkammer 54A. Die ungleiche Größe der beiden
Pumpkammern ermöglicht
einen höheren
Wirkungsgrad des Laufrades. Dies rührt daher, dass die innere
Pumpkammer 54A mit einer geringeren Tangentialgeschwindigkeit und
mit einem höheren
Druckkoeffizienten als die äußere Pumpkammer 54B arbeitet
(und zwar aufgrund des kleineren Radius und der geringeren Umfangslänge der
inneren Pumpkammer). Um eine Leckage bzw. ein Rückströmen in die innere Pumpkammer
zu verringern und die Förderleistung
zu maximieren, erfordert die innere Pumpkammer 54A eine
kleinere Querschnittsfläche
im Vergleich zu der äußeren Pumpkammer 54B,
welche beide mit der gleichen Drehzahl arbeiten. Dies ist jedoch
ein Kompromiss zwischen einer Verringerung des Bereichs der inneren
Pumpkammer zur Minimierung von Leckage und einer Maximierung der
Förderleistung
dieser Kammer.
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Die oberen und unteren Nuten 58A, 58B und 62A, 62B sind
konzentrische bogenförmige
Nuten, die jeweils in Umfangsrichtung um eine Fläche des oberen bzw. unteren
Gehäuseteils
so verlaufen, dass sie zu der Laufradkammer 46 hin offen
sind. Jede dieser Nuten hat eine ovale bzw. elliptische Querschnittsform
im Gegensatz zu einer halbkreisförmigen
Querschnittsform, wie sie im Stand der Technik üblich ist. Der Einfachheit
halber bezieht sich die folgende Beschreibung der Nutform auf nur
eine der Nuten; sie gilt jedoch auch für die übrigen Nuten. Die ovale Querschnittsform
der Nuten setzt sich aus einem ersten radialen Abschnitt 63,
einem geradlinigen bzw. ebenen Abschnitt 64 und einem zweiten
radialen Abschnitt 65 zusammen und ermöglicht eine Verbesserung des
Wirkungsgrades der Pumpe durch Verringerung von Totzonen in den
Pumpkammern, in denen Kraftstoff mehr oder weniger stillsteht und nicht
in der gewünschten
Weise strömt.
Dieses Phänomen
tritt manchmal in Nuten von halbkreisförmigem Querschnitt auf, bei
denen die Nut zu tief ist, was zur Folge hat, dass sich Kraftstoff
am Boden der Nut sammelt, statt mit dem Rest des Kraftstoffes durch
die Pumpkammer zu fließen.
Die beiden radialen Abschnitte 63, 65 sind halbkreisförmige Abschnitte
der Nut und können
Radien r
1 und r2 gleicher Länge oder unterschiedlicher
Länge haben.
In ähnlicher Weise
kann die Länge
des ebenen Abschnittes bei den verschiedenen Nuten die gleiche sein,
oder die Länge
kann bezüglich
der einzelnen radialen Abschnitte variieren. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
hat der ebene Abschnitt 64 eine Länge von 0,25 mm bis 1,00 mm.
Aufgrund des dazwischenliegenden ebenen Abschnittes 64 sind
die Mittelpunkte C1 und C2,
die den Radien r1 und r2 entsprechen,
durch einen bestimmten Abstand getrennt. Dieser Abstand kann entsprechend
den speziellen Betriebsanforderungen der Pumpe variieren und eine Funktion
einer der anderen Abmessungen der Nuten sein. Beispielsweise lässt sich
entweder die Länge des
ebenen Abschnittes 64 oder der die Mittelpunkte trennende
Abstand als Funktion der Größe von r1 und/oder r2 definieren.
Die oberen und unteren Nuten 58A, 58B und 62A, 62B,
die im Betrieb stillstehen, da sie im oberen und unteren Gehäuseteil 42 und 44 gebildet
sind, wirken mit den rotierenden Schaufeltaschen zusammen, wie nun
genauer erläutert
wird.
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Die Schaufeltaschen 60A und 60B sind
Teil des Laufrades 48 und zwischen benachbarten Schaufeln
im inneren Schaufelkranz 58A bzw. im äußeren Schaufelkranz 56B gebildet.
Sowohl die inneren wie auch äußeren Schaufeltaschen
sind sowohl an ihren oberen wie auch unteren axialen Enden offen,
so dass sie benachbarte Flächen 59, 69 sind
und mit den oberen und unteren Nuten in Strömungsverbindung stehen. Ferner
haben die innere Schaufeltasche eine Fläche 66A und die äußere Schaufeltasche
eine Fläche 66B,
die jeweils auf der radial inneren Seite der Schaufeltasche angeordnet
sind und einen umlaufenden Grat (bzw. eine umlaufende Rippe) 92A bzw. 92B aufweisen.
Jede der Schaufeltaschen hat eine Fläche 67A, 67B,
die an der radial äußeren Seite
der Schaufeltasche angeordnet und eben ausgebildet ist. Die Flächen 66A und 66B werden
teilweise durch die Grate 92A, 92B so unterteilt,
dass gekrümmte
Flächen 73A, 73B an
den oberen axialen Hälften
der Flächen 66A und 66B gebildet
werden und gekrümmte
Flächen 75A, 75B an
den unteren axialen Hälften
der Flächen 66A und 66B gebildet werden.
Hieraus folgt, dass die innere Pumpkammer 54A eine Schaufeltasche 60A umfasst,
die eine radial innere Fläche 66A mit
einem Grat 92A aufweist. Der Grat 92A unterteilt
die Fläche 66A so,
dass obere und untere gekrümmte
Flächen 73A und 75A gebildet
werden. Diese gekrümmten
Flächen
können halbkreisförmig ausgebildet
sein und haben vorzugsweise einen Radius, der gleich dem des ersten
radialen Abschnittes 63 der entsprechenden Nut ist. Somit
verläuft
jede gekrümmte
Fläche 73A, 75A weg von
dem Grat 92A in axialer Richtung in Richtung auf die oberen
bzw. unteren Nuten und setzt sich über den schmalen Spalt fort,
der die Nuten von der Schaufeltasche trennt. Diese Fortsetzung bewirkt, dass
die gekrümmten
Flächen 73A und 75A glatt
in den ersten radialen Abschnitt 63 der Nuten 58A bzw. 62A übergehen,
wodurch ein größerer zusammengesetzter
Halbkreis gebildet wird, der von dem Grat zu dem ebenen Abschnitt 64 verläuft. Selbstverständlich lassen
sich jedoch auch andere Pumpkammerausbildungen verwenden, beispielsweise
solche, bei denen der Grat in einem abgerundeten, ebenen oder stumpfen
Ende ausläuft,
im Gegensatz zu dem spitzen Ende, das in den Zeichnungen dargestellt
ist. Außerdem
könnten
die Nuten in radialer Richtung länger
als die entsprechenden Schaufeltaschen sein, usw.
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Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 wird nun das Laufrad genauer beschrieben.
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Das Laufrad 48 rotiert um
die Drehachse 34 in einer durch einen Pfeil angedeuteten
Richtung 102. Das Laufrad 48 hat, allgemein gesagt,
die Form einer Scheibe mit einer Oberseite 77, die der
Unterseite 59 des oberen Gehäuseteils unmittelbar zugewandt
ist, und einer Unterseite 79, die der Oberseite 69 des
unteren Gehäuseteils
unmittelbar zugewandt ist. Um Querströmungen des Kraftstoffs zwischen den
inneren und äußeren Pumpkammer 54A, 54B zu verhindern
bzw. zu minimieren und eine Leckage im allgemeinen zu unterbinden,
steht die Oberseite 77 in Dichtungsbeziehung zu der Unterseite 59,
und die Unterseite 79 steht in Dichtungsbeziehung zu der Oberseite 69.
Eine kreisförmige
Nabe 70 des Laufrades 48 hat ein Mitnehmerloch 71,
durch die die Welle 35 erstreckt, so dass die Welle 35 und
das Laufrad 48 gemeinsam um die Drehachse 34 rotieren.
Die Nabe 70 erstreckt sich radial nach außen zu dem
inneren Schaufelkranz 56A. Ein Zwischenring 72 (Mid-Hoop) ist
radial zwischen dem inneren und äußeren Schaufelkranz 56A, 56B angeordnet,
und ein Außenring 74 (Guter
Hoop) ist radial außerhalb
des äußeren Schaufelkranzes 56B angeordnet.
Die Nabe 70 wird an einem radial äußeren Umfang durch eine auswärtsweisende
Fläche 86A begrenzt,
welche bereits in Verbindung mit 2 erwähnt wurde.
Von dieser Fläche
aus, die im folgenden als die äußere Nabenfläche 66A bezeichnet
wird, erstrecken sich die Schaufeln radial nach außen.
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Es wird nun auf 5 bis 7 Bezug
genommen. Der innere Schaufelkranz 56A enthält zahlreiche
einzelne Schaufeln 78A, die sich jeweils von der äußeren Nabenfläche 66A radial
nach außen
zu der einwärts
gerichteten Fläche 77A erstrecken,
welche ebenfalls in Verbindung mit 2 bereits
erwähnt wurde.
Der Einfachheit halber wird die Fläche 67A im folgenden
als die innere Zwischenringfläche 67A bezeichnet.
Der Zwischenring 72 wird radial von der inneren Zwischenringfläche 67A sowie
von einer nach außen
gerichteten äußeren Zwischenringfläche 66B begrenzt.
Jede Schaufel 78B des äußeren Schaufelkranzes 56B ragt
von der äußeren Zwischenringfläche 66B radial
nach außen
zu der nach innen gerichteten Fläche 67B.
Der Außenring 74 ist
am Außenumfang
des Laufrades angeordnet und liegt radial zwischen der Innenfläche 67B und
einem Umfangsrand 86A des Laufrades. Um Missverständnisse
zu vermeiden, sei darauf hingewiesen, dass die Flächen 66A, 67A, 66B und 67B,
die in 9 gezeigt sind, dieselben
sind wie die vorstehend erwähnten
Flächen
in 2. Der Umfangsrand 86 liegt
unmittelbar einer nach unten ragenden Ringschulter 87 des
oberen Gehäuseteils 42 gegenüber, wie
am besten in 1 zu sehen
ist. Eine äußere Ringfläche der Schulter 87 liegt
abgedichtet an der Oberseite 69 des unteren Gehäuseteils 44 an.
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Jede Schaufel 78A des inneren
Schaufelkranzes 56A und jede Schaufel 78B des äußeren Schaufelkranzes 56B verläuft innerhalb
des Laufrades 48 radial und nicht geradlinig, um den Pumpenwirkungsgrad
des Laufrades zu erhöhen.
Die Schaufeln werden nun anhand mehrerer Figuren beschrieben, welche
die Schaufeln jeweils aus einer anderen Perspektive zeigen und unterschiedliche
Eigenschaften der Schaufeln und/oder des Laufrades hervorheben.
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Es wird nun auf 8 Bezug genommen, die eine vergrößerte Darstellung
des inneren Schaufelkranzes 56A zeigt; die folgende Beschreibung
gilt jedoch in entsprechender Weise für den äußeren Schaufelkranz 56B,
sofern nichts anderes gesagt wird. Jede Schaufel umfasst ein Schaufelfußsegment 88,
das von der äußeren Nabenfläche 66A radial nach
außen
im wesentlichen geradlinig verläuft,
wie durch eine Linie 134 angedeutet ist. Die Linie 134 und
somit das geradlinige Schaufelfußsegment 88, gesehen
in Drehrichtung 102, eilen dem Radius 144 des
Laufrades geringfügig
nach. In dieser Figur liegt die Linie 134 entlang der Vorderseite
der Schaufel und verläuft
somit durch einen Punkt 114; diese Linie könnte jedoch
auch längs
der Rückseite
der Schaufel oder durch die Mitte der Schaufel gezogen werden, solang
sie parallel zu den Schaufelflächen
ist. In gleicher Weise ist der Radius 144 des Laufrades
so ge zogen, dass er durch den Punkt 114 verläuft. Diese nacheilende
Ausrichtung des geradlinigen Schaufelfußsegmentes 88 bildet
einen Winkel ψ,
der als Winkel zwischen der Linie 134 und dem Radius 144 des Laufrades
definiert ist. Der Radius des Laufrades verläuft natürlich durch die Mitte des Laufrades.
Der Winkel ψ liegt
vorzugsweise im Bereich von 2° bis 20°, insbesondere
im Bereich von 5° bis
15° und
beträgt
ganz bevorzugt ungefähr
10°.
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Ein Schaufelspitzensegment 90 jeder Schaufel
verläuft
von dem äußersten
radialen Abschnitt des Schaufelfußsegmentes 88 kontinuierlich zu
der inneren Zwischenringfläche 67A.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist das Schaufelspitzensegment
geringfügig
so gekrümmt,
dass es bezüglich
der Drehrichtung 102 konkav ist. D.h., das Schaufelspitzensegment 90 ist
so gekrümmt,
dass das geradlinige Schaufelfußsegment
und das gekrümmte
Schaufelspitzensegment eine Kraftstoff auffangende Tasche bilden,
wenn sich das Laufrad 48 in Drehrichtung 102 dreht.
Vorzugsweise bildet das Schaufelspitzensegment 90 eine
gleichförmige
Kurve, die durch einen gedachten Radius r3 definiert
wird. Der Radius r3 hat einen Wert zwischen
1,00 und 5,00 mm, vorzugsweise zwischen 2,25 und 3,25 mm für den inneren
Schaufelkranz 66A und 2,75 mm bis 3,75 mm für den äußeren Schaufelkranz 56B.
Da das Schaufelspitzensegment 90 im wesentlichen radial
nach außen
von dem entfernten Ende des Schaufelfußsegmentes 88 vorsteht
(wobei das entfernte Ende des Schaufelfußsegmentes die am meisten nacheilende
radiale Stelle der Schaufel ist), ragt es auch in eine geringfügig voreilende
Richtung bezüglich
des geradlinigen Schaufelfußsegmentes
vor, gesehen in Drehrichtung 102 des Laufrades. Diese voreilende Ausrichtung
ist in 8 als Winkel θ dargestellt,
der der Winkel zwischen der nacheilenden Linie 134 längs der
Vorderseite des Schaufelfußsegmentes 88 und
der voreilenden Linie 140 ist, welche tangential zu einem
Punkt auf der Vorderseite des gekrümmten Schaufelspitzensegmentes 90 ist.
Da die Ausrichtung der tangentialen Linie 140 von dem speziellen Punkt
längs der
Vorderseite des Schaufelsegmentes, zu dem sie tangential ist, abhängt, ändert sich
der Winkel θ über der
radialen Erstreckung des Schaufelspitzenseg mentes 90. Der
Winkel θ liegt
im Bereich von 0 bis 50°,
vorzugsweise 15 bis 35° und
beträgt besonders
bevorzugt ungefähr
28°, unter
der Annahme, dass die Linie 140 tangential zu einem Punkt
ist, der am radial äußersten
Ende des Schaufelspitzensegmentes (einem Punkt nächst der Stelle, an der das
Schaufelspitzensegment auf die Fläche 67A trifft) angeordnet
ist. Der Winkel θ des
voreilenden Schaufelspitzensegmentes erhöht den Pumpenwirkungsgrad,
da der Kraftstoffstrom das Laufrad 48 mit einer vorwärts gerichteten
Tangentialgeschwindigkeit verlässt,
die größer als
die Tangentialgeschwindigkeit des Laufrades ist.
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Wenngleich in den Zeichnungen nicht
durch einen speziellen Winkel kenntlich gemacht, verläuft die
voreilende Linie 140 in eine Richtung, die ebenfalls dem
Radius 144 des Laufrades voreilt, gesehen in Drehrichtung 102.
Wie bei dem Winkel θ ändert sich
dieser Winkel über
die radiale Erstreckung des Schaufelspitzensegmentes 90,
je nach dem speziellen Punkt längs
der Vorderseite des gekrümmten Schaufelspitzensegmentes,
von der die tangentiale Linie ausgeht. Beispielsweise verläuft eine
Linie, die zu dem radial innersten Punkt des Schaufelspitzensegmentes 90 tangential
verläuft,
unter einem anderen Winkel als eine Linie, die zu dem radial äußersten Punkt
des Schaufelspitzensegmentes tangential ist. Der Winkel zwischen
der tangentialen Linie 140 und dem Radius 144 des
Laufrades liegt im Bereich von 0 bis 30°, vorzugsweise zwischen 10 und
25° und
beträgt
besonders bevorzugt ungefähr
18°, unter
der Annahme, dass die Linie 140 tangential zu einem Punkt
ist, der am radial äußersten
Ende des Schaufelspitzensegmentes angeordnet ist. Außerdem haben
das Schaufelfußsegment
und das Schaufelspitzensegment vorzugsweise die gleiche radiale
Länge; anders
ausgedrückt,
ist der radiale Abstand zwischen der Fläche 66A und dem Ende
des Schaufelfußsegmentes 88 ungefähr gleich
dem radialen Abstand zwischen dem Anfang des Schaufelspitzensegmentes 90 und
der Fläche 67A in
einer bevorzugten Ausführungsform.
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Die Voreilung des Schaufelspitzensegmentes 90 in
Umfangsrichtung ist, allgemein gesprochen, nicht so groß wie die
Nacheilung des Schaufelfuß segmentes 88.
Daher ist der gesamte radiale Verlauf der Schaufel zwischen der äußeren Nabenfläche 66A und
der inneren Zwischenringfläche 67A geringfügig nacheilend
in Drehrichtung 102. Anders ausgedrückt, ist der radial innerste
Punkt 114 an der Vorderseite der Schaufeln im Vergleich
zu dem radial äußersten
Punkt 142 an der Vorderseite der Schaufel etwas voreilend
in Drehrichtung 102. Diese nacheilende bzw. verzögerte Ausrichtung
wird als Winkel β veranschaulicht,
der der Winkel zwischen dem Radius 144 des Laufrades und
der Linie 146 ist, welche die Punkte 114 und 142 verbindet.
Hieraus folgt, dass bei einer Drehung des Laufrades der Punkt 114 eine spezielle
Winkelposition vor dem Punkt 142 erreicht. Der Winkel β liegt im
Bereich von 0 bis 10°,
vorzugsweise zwischen 0 und 5° und
beträgt
besonders bevorzugt ungefähr
2°.
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Der Einfachheit halber werden im
folgenden nur Schaufeln des inneren Schaufelkranzes beschrieben;
die Schaufeln des äußeren Schaufelkranzes
sind jedoch im wesentlichen identisch, sofern nichts anderes gesagt
wird. Es wird nun auf die 9 bis 11 unter besonderer Beachtung
der 11 Bezug genommen.
Die gedachte Ebene, in der der Grat 92A liegt, unterteilt
die V-förmige
Schaufel 78A in eine obere Schaufelhälfte 100 und eine
untere Schaufelhälfte 104 längs einer
vorderen Schnittlinie 106 an der Vorderseite 108 der
Schaufel und längs einer
hinteren Schnittlinie 110 an der Rückseite 112 der Schaufel.
Die konkave Vorderseite 108 einer Schaufel ist der konvexen
Rückseite 112 einer
benachbarten Schaufel 78A zugewandt. Die obere Schaufelhälfte 100 und
die untere Schaufelhälfte 104 der
Schaufeln 78A sind nach vorne in Drehrichtung 102 des
Laufrades angestellt bzw. geneigt; d.h. sie verlaufen von der den
Grat 92A enthaltenden gedachten Ebene zu den die Ober-
und Unterseiten 77, 79 des Laufrades enthaltenden
entsprechenden gedachten Ebenen. Der Anstellwinkel der oberen Schaufelhälfte 100 ist
praktisch ein Spiegelbild der Anstellwinkels der unteren Schaufelhälfte 104;
d.h. sie sind vorzugsweise symmetrisch. Der Anstellwinkel sollte
größer als
0° sein,
um den Pumpenwirkungsgrad und den Niederspannungsstrom zu erhöhen. Die
vorwärtsgerichtete
Anstellung der Schaufel ermöglicht
ein besseres Einströmen von
Kraftstoff in die Schaufeltasche 60A, wodurch der wendelförmige Strömungsverlauf
erzeugt wird, wie am besten in 21 zu
sehen ist. Mit anderen Worten, wird der Druck des Kraftstoffes bei
seiner Strömung
in den Pumpkammern 54A, 54B durch die mechanische Drehung
des Laufrades 48 und die Wirbelströmung des Kraftstoffes erhöht. Der
Strömungsverlauf
des Kraftstoffes wird durch die entsprechenden Schaufelkränze 56A und 56B induziert,
welche bewirken, dass der Kraftstoff immer wieder in die Nuten 58A, 58B und 62A, 62B hinein
und aus ihnen herausströmt.
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Bei der Fertigung des Laufrades 48 muss
es aus der Gießform
durch eine Drehbewegung entfernt werden. Daher hat das Schaufelfußsegment 88 einen
Neigungswinkel αR, der gleich oder vorzugsweise kleiner als
ein Neigungswinkel αT des Schaufelspitzensegmentes 90 ist.
Die Neigungswinkel αR und αT können
entweder von der Vorder- oder Rückseite der
Schaufel aus gemessen werden, da sie parallel sind. Vorzugsweise
wird der Neigungswinkel α des inneren
Schaufelkranzes von dem Schaufelfußsegment 88 aus zu
den Schaufelspitzensegmenten 90 hin allmählich größer, und
er liegt im Bereich von 10 bis 50°,
vorzugsweise 20 bis 40°,
und beträgt
insbesondere ungefähr
25° an dem
radial innersten Punkt des Schaufelfußsegmentes und vorzugsweise
35° an dem
radial äußersten
Punkt des Schaufelspitzensegmentes. Eine entsprechende Beziehung
gilt für
die Schaufeln des äußeren Schaufelkranzes;
ihr Neigungswinkel liegt jedoch im Bereich von 15 bis 55°, vorzugsweise
20 bis 45°,
und beträgt
insbesondere ungefähr
30° an dem
radial innersten Punkt des Schaufelfußsegmentes und 40° an dem radial äußersten
Punkt des Schaufelspitzensegmentes. Somit gilt die folgende Beziehung
zwischen dem Neigungswinkel am Schaufelfuß und dem Winkel an der Schaufelspitze
für sowohl
den inneren wie auch äußeren Schaufelkranz:
10° ≤ αR ≤ αT ≤ 55°. Der Neigungswinkel αR des
Schaufelfußsegmentes
wird zwischen einer vertikalen bzw. axialen Referenzlinie 113,
die parallel zur Drehachse 34 ist, und einer Neigungslinie 116,
die längs
der Vorderseite der Schaufel 78A am Schaufelfußsegment 88 verläuft, gemessen.
Wie bereits erwähnt,
hat jede der oberen und unteren Schaufelhälften 100, 104 Vorder-
und Rückseiten 108, 112,
die parallel sind; d.h. die Schaufel hat eine gleichförmige Schaufeldicke
in Umfangsrichtung. Die Neigungslinie 116 könnte somit
statt dessen auch längs
der Rückseite
der Schaufel verlaufen. Die Referenzlinie 113 und die Neigungslinie 116 schneiden
sich vorzugsweise in einem Punkt, der in der Vorderseite der Schaufel
liegt. Unabhängig
hiervon fallen die radial innersten Enden der vorderen Schnittlinie 106 und
der hinteren Schnittlinie 110 mit dem Grat 92A zusammen,
wie am besten in den 9 und 10 zu sehen ist.
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Der Neigungswinkel αT der
Schaufelspitze wird zwischen einer vertikalen bzw. axialen Referenzlinie 122,
die parallel sowohl zur Drehachse 34 wie auch zur Referenzlinie 113 ist,
und einer Neigungslinie 124, die vorzugsweise längs der
Vorderseite 108 der Schaufel im Bereich des Schaufelspitzensegmentes 90 verläuft, gemessen.
Wie weiter oben bereits erläutert,
könnte
die Neigungslinie 113 auch längs der Rückseite 112 der Schaufel
verlaufen.
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Auch die Neigungswinkel αR und αT der Schaufeln
des inneren Schaufelkranzes 56A sind kleiner als diejenigen
der Schaufeln des äußeren Schaufelkranzes 56B.
Zusätzlich
zu weiteren Vorteilen erlaubt es dieser Winkelunterschied, das Laufrad bei
der Herstellung aus einer einzigen Rotationsgießform herausdrehen zu können. Diese
Neigungswinkelkonfiguration beeinträchtigt nicht das Pumpverhalten,
da die Schaufeln des inneren Schaufelkranzes 56A mit einem
höheren
Druckkoeffizienten arbeiten und somit einen kleineren Neigungswinkel α für ein optimales
Betriebsverhalten erfordern als die Schaufeln des äußeren Schaufelkranzes 56B.
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Wie bereits erwähnt, verläuft das Schaufelfußsegment 88 von
der äußeren Nabenfläche 66A radial
nach außen
in nacheilender Richtung bezüglich
des Radius des Laufrades 144. Hieraus folgt, dass die vordere
Schnittlinie 106, die die obere und untere Schaufelhälfte 100, 104 trennt,
einen radial einwärts
gerichteten Abschnitt hat, der ebenfalls dem Radius 144 nacheilt,
gesehen in Drehrichtung 102. Dieser radial einwärts gerichtete
Abschnitt der vorderen Schnittlinie 106 ist derjenige Abschnitt,
der sich von dem Grat 92A gerad linig zu dem radial äußeren Ende
des Schaufelfußsegmentes
erstreckt. Die vordere Schnittlinie 106 enthält ebenfalls
einen radial äußeren Abschnitt,
der sich wie das Schaufelspitzensegment 90 in voreilende
Richtung, mit gekrümmtem Verlauf
erstreckt. Dieser radial äußere Abschnitt
ist derjenige Abschnitt der vorderen Schnittlinie 106, der dort
beginnt, wo der radial innere Abschnitt aufhörte, und der sich zu der inneren
Zwischenringfläche 67A erstreckt.
Anders ausgedrückt,
umfasst die vordere Schnittlinie 106 einen radial inneren Abschnitt,
der Teil des Schaufelfußsegmentes 88 ist
und somit in eine nacheilende Richtung verläuft, und einen radial äußeren Abschnitt,
der Teil des Schaufelspitzensegmentes 90 ist und sich somit
in eine voreilende Richtung mit gekrümmtem Verlauf erstreckt. Wie
bereits erwähnt,
sorgt diese taschenbildende bzw. schüsselförmige Schaufelkonfiguration,
gesehen sowohl in radialer wie auch axialer Richtung, für einen
verbesserten Pumpenwirkungsgrad.
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Wie in 11 dargestellt
und bereits erwähnt,
hat jede Schaufelhälfte 100, 104 der
Schaufeln 78A einen rückseitigen
Winkel γ,
der vorzugsweise gleich den entgegengesetzten vorderen Neigungswinkeln αR und αT ist.
Dies resultiert in einer gleichförmigen
Schaufeldicke, gesehen in Umfangsrichtung, und erleichtert den Fertigungsprozess
dadurch, dass das Laufrad im Anschluss an den Gießvorgang
gelöst
werden kann. Es ist jedoch möglich, dass
der rückseitige
Winkel γ größer als
der entsprechende vordere Neigungswinkel ist („entsprechend" meint den Abschnitt
der Vorderseite 108, der sich an derselben radialen Stelle
der Schaufel befindet), was in Schaufeln mit Vorder- und Rückseiten
resultieren würde,
die bei Annäherung
an die axialen Seitenwände
bzw. Enden der Schaufel konvergieren. Da der Mindestwert von αR gleich
10° und αT gleich
oder größer als αR ist,
ist der Mindestwert von γ über der
gesamten axialen Erstreckung der Schaufel ebenfalls 10°.
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Jede Schaufel hat zwei Radien 120, 130 längs Rändern, die
zwischen der Vorderseite 112 und den benachbarten oberen
und unteren Seitenwänden 121, 131 angeordnet
sind. Die Seitenwand 131, wie am besten in 8 zu sehen ist, bildet eine fingerförmige Fläche der
Schaufel, die in derselben Ebene wie die Unterseite des Laufrads
liegt und der Oberseite 69 des unteren Gehäuseteils
gegenüber angeordnet
ist. In der gleichen Weise bildet die Seitenwand 121, die
in 8 nicht dargestellt,
ist, die komplementäre
fingerförmige
Fläche
der Schaufel, die auf der entgegengesetzten axialen Seite des Laufrades
angeordnet ist und somit in derselben Ebene wie die Oberseite 77 des
Laufrades liegt, derart, dass sie der Unterseite 59 des
oberen Gehäuseteils
gegenüberliegt.
Die Abrundung 120 ist eine gleichförmige runde Fläche, die
sich über
die gesamte radiale Länge
der Schaufel erstreckt und daher einen Abschnitt, der Teil des Schaufelfußsegmentes 88 ist,
und einen Abschnitt, der Teil des Schaufelspitzensegmentes 90 ist,
umfasst. Die Abrundung als runde Fläche mit einem speziellen Radius
(0,70 mm im bevorzugten Ausführungsbeispiel)
auszubilden, hilft dabei mit, die Rückseite der Schaufel zu dem
einströmenden
Kraftstoffstrom auszurichten, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpe
erhöht
wird, indem die Gefahr von Kavitation und das Entstehen unerwünschter
Kraftstoffdämpfe
reduziert werden. Sowohl der rückseitige
Winkel γ wie
auch die Abrundung 120 werden so gewählt, dass sie so gut wie möglich zu dem
einströmenden
Kraftstoffstrom (angedeutet durch Pfeile in 11) ausgerichtet sind, wenn er in die
Schaufeltasche 60A eintritt. Versuche haben gezeigt, dass
die Verwendung einer Abrundung am Laufrad gegenüber der Verwendung einer ebenen Fase,
wie sie manchmal im Stand der Technik verwendet wird, von Vorteil
ist.
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Die vorstehende Erläuterung
der Laufradteile, insbesondere des geradlinigen Schaufelfußsegmentes,
des gekrümmten
Schaufelspitzensegmentes, des umlaufenden Grates, der Schaufeltaschen, der
oberen Schaufelhälfte,
der unteren Schaufelhälfte,
der vorderen Schnittlinie, der hinteren Schnittlinie und der Abrundung
wie auch sämtlicher
Winkel, Referenzlinien, gedachter Ebenen usw. in gleicher Weise
für den äußeren Schaufelkranz 56B gelten,
sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Außerdem ist die vorstehende
Diskussion nicht auf ein Laufrad mit doppeltem Schaufelkranz beschränkt; vielmehr
gilt sie auch für
ein Laufrad mit drei, vier oder beliebig vielen Schaufelkränzen, sofern
dies praktikabel ist.
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Es wird nun auf die 12 bis 15 Bezug
genommen, in denen das untere Gehäuseteil 44 der Pumpe
genauer dargestellt ist. Wie bereits erwähnt, ist das untere Gehäuseteil 44 ein
scheibenförmiges Bauteil
mit einem kanal förmig
ausgebildeten Einlass 50 und einer Oberseite 69,
in der eine innere ringförmige
Nut 62A und eine äußere ringförmige Nut 62B gebildet
sind. Der Einlass 50 steht sowohl mit einem Fluid-Reservoir
wie z.B. einem Kraftstofftank wie auch mit den unteren Nuten 62A und 62B in
Strömungsverbindung.
Wie in 15 durch die
abgezweigten Pfeil angedeutet wird, gelangt Kraftstoff in die Pumpe 30 über den
Einlass 50 in der Weise, dass ein Teil des einströmenden Kraftstoffes
in die untere innere Nut 62A und ein anderer getrennter
Teil in die untere äußere Nut 82B gelenkt
wird. Die Zuordnung des Kraftstoffs zu jeder der unteren Nuten hängt von der
speziellen Form des Einlasses, der Verbindung zwischen dem Einlass
und den Nuten, der Form und Größe der Nuten
wie auch weiteren Auslegungsfaktoren ab. Wie bereits erwähnt, hat
die äußere Pumpkammer 54B und
somit die untere äußere Nut 62B eine
größere Querschnittsfläche als
die entsprechende innere Pumpkammer bzw. untere innere Nut. Die äußere Nut
kann somit ein größeres Kraftstoffvolumen
aufnehmen und somit ist der in die untere äußere Nut 62B gelenkte
Kraftstoffanteil größer als
der in die untere innere Nut 62A gelenkte Kraftstoffanteil. Zahlreiche
weitere Merkmale spielen wiederum einen Teil beim Bestimmen der
Anteile des einströmenden
Kraftstoffes, die in jede der unteren Nuten gelenkt werden. Eines
dieser Merkmale ist der verjüngte
bzw. durchmesserverringerte Abschnitt 150; dieser Abschnitt
verjüngt
sich bis unmittelbar zum Rand jeder der unteren Nuten in der Weise,
dass der gesamte einströmende
Kraftstoff entweder zu der inneren oder äußeren unteren Nut geführt wird.
Obgleich der Abschnitt 150 des Einlasses 50 einen
verringerten Durchmesser im Vergleich zu dem restlichen Kanal des
Einlasses hat, ist er immer noch groß genug, um sowohl die innere
wie auch äußere untere
Nut 62A und 62B einzuschließen, wie in 15 zu sehen ist. Die nicht halbkreisförmige Querschnittsform
der Nuten wurde bereits in Verbindung mit 2 erläutert und
wird hier nicht nochmals beschrieben.
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Wie in 12 dargestellt
ist, haben die unteren inneren und äußeren Nuten 62A und 62B jeweils einen
ersten Abschnitt 152, der sich ausgehend vom Einlass 60 um
ungefähr
die ersten 30° erstreckt.
Der erste Abschnitt 152 ist ein sich axial verjüngender Nutabschnitt,
in dem die Nut tiefer in Umfangsrichtung um das Gehäuse herum
allmählich
abnimmt. Diese Verringerung der Nuttiefe hat eine entsprechende
Verringerung der Querschnittsfläche
der Nut zur Folge, was wiederum bewirkt, dass Kraftstoffdampf aus
dem flüssigen
Kraftstoff herausgetrieben wird, wenn der Kraftstoff durch den ersten
Abschnitt 152 strömt,
wie grundsätzlich
bekannt ist. Zwei Entlüftungslöcher 154A und 154B sind
am Ende des ersten Abschnittes 152 vorgesehen und ermöglichen
ein Entweichen von Kraftstoffdämpfen.
Ein sich in gleicher Weise verjüngender
zweiter Abschnitt 156 ist in Richtung des Endes der ringförmigen Erstreckung der
unteren Nuten 62A, 62B vorgesehen; d.h. der zweite
Abschnitt 156 erstreckt sich um ungefähr 30° und endet in einem Segment
der unteren Nuten, das dem Auslasskanal 52 entspricht.
Unter Bezugnahme auf die 16 bis 20 wird nun das obere Gehäuseteil 42 genauer
beschrieben.
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Das obere Gehäuseteil 42 ist ganz ähnlich dem
gerade beschriebenen unteren Gehäuseteil
und umfasst, allgemein gesprochen, eine Unterseite 59, in
der eine obere innere ringförmige
Nut 58A und eine obere äußere ringförmige Nut 58B gebildet
sind, einen kanalförmigen
Auslass 52 und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Steg 160. Die obere innere und äußere Nut 58A, 58B hat
jeweils einen sich axial verjüngenden
dritten Abschnitt 162, jedoch keine zwei sich axial verjüngende Abschnitte
wie die unteren Nuten. Der dritte Abschnitt 162 verjüngt sich entgegengesetzt
bzw. komplementär
zu dem ersten Abschnitt 152; d.h., während sich die Querschnittsfläche des
ersten Abschnittes 152 der unteren Nuten verringert, vergrößert sich
die Querschnittsfläche
des dritten Abschnittes 162 der oberen Nuten über dieselbe
Winkelerstreckung. Derartige komplementär geformte Verjüngungen
bzw. Abschrägungen
sorgen für
eine adäquate
Kraftstoffverteilung in sowohl den oberen wie auch unteren Nuten,
statt dass ein disproportionierter Anteil in den unteren Nuten verbleibt,
da diese mit dem Einlass 50 unmittelbar in Verbindung stehen.
Der Steg 160 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Außenumfang
des oberen Gehäuseteils 42 und
bildet eine Anlagefläche
für das
untere Gehäuseteil 44.
Durch die gegenseitige Anlage an dem Steg 160 statt an
der Fläche 59 selbst
bilden das untere Gehäuseteil 44 und
das obere Gehäuseteil 42 eine
Laufradkammer 46, dazwischen angeordnet ist. Die Höhe und andere
Eigenschaften des Steges 160 können variieren, da sie von
der Dicke des Laufrades 48 wie auch weiteren Faktoren abhängen.
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Wenn im Betrieb das Laufrad 48 rotiert,
fließt Kraftstoff
in den Pumpenabschnitt 32 über den Einlass 50,
der unmittelbar mit der inneren und äußeren Nut 62A und 62B in
Verbindung steht. Während
der Kraftstoff durch den ersten Abschnitt 152 gepumpt wird,
wird er in die obere innere und äußere Nut 58A und 58B getrieben,
so dass sich eine entsprechende Kraftstoffaufteilung zwischen der
oberen und unteren Nut ergibt. Dies erzeugt eine weitgehend gleichförmige Kraftstoffverteilung
zwischen dem oberen und unteren Teil der inneren und äußeren Pumpkammer 54A und 54B,
so dass näherungsweise
gleiche Kräfte
auf beide axialen Seiten des Laufrades 48 ausgeübt werden.
Wie am besten aus 21 zu
sehen ist, steigt der Druck des Kraftstoffes, während er von dem rotierenden
Laufrad 48 in einer Wirbelströmung innerhalb der unabhängigen Pumpkammern 54A und 54B vorwärtsgetrieben
wird. Der wirbelförmige
Strömungsverlauf
wird durch den inneren und äußeren Schaufelkranz 56A und 56B induziert;
welche unabhängig
voneinander auf den Kraftstoff einwirken. Insbesondere wirkt jeder
der Nuten 62A, 62B mit ihren entsprechenden gekrümmten Abschnitten 75, 75B der
Schaufelkränze
zusammen, um ihre eigene unabhängige
wendelförmige
Kraftstoffströmung
zu erzeugen. Die Strömung
tritt somit wendelförmig
in die Schaufeltaschen und angrenzenden Nuten wendelförmig hinein
und wieder aus ihnen heraus, so dass die Schaufeltaschen und Nuten
in seitlicher bzw. axialer Richtung in Strömungsverbin dung stehen. Bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
führt dies
zu insgesamt vier wendelförmigen
Strömungsverläufen (zwei
in der inneren Pumpkammer 54A und zwei in der äußeren Pumpkammer 54B);
eine gewisse Querverbindung zwischen diesen Strömungsverläufen kann allerdings eintreten.
Beispielsweise können
die oberen Nuten 58A, 58B mit den unteren Nuten 62A, 62B über die
offenen Schaufeltaschen kommunizieren, welche zwischen benachbarten
Schaufeln gebildet sind. Da sich die in Umfangsrichtung erstreckenden
Grate 92A, 92B sich nicht über die gesamte radiale Erstreckung
der Schaufeltaschen erstrecken, sind sie offen und ermöglichen
hierdurch, dass Kraftstoff zwischen den oberen und unteren Nuten
strömt. Diese
offene Taschenkonfiguration erlaubt es, dass Kraftstoff aus dem
Einlass 50 durch die unteren Nuten in die entsprechenden
oberen Nuten und in gleicher Weise zu dem Auslass strömt, in dem
der Kraftstoff aus den unteren Nuten durch die entsprechenden oberen
Nuten in den Auslass 52 strömt. Wenn der Kraftstoff das
ringförmige
Ende der Pumpkammern erreicht hat, verlässt der nun unter Druck stehende
Kraftstoff den Pumpenabschnitt 32 durch den Auslass 52.
Beim Einbau in ein Kraftfahrzeug würde dann der Auslass 52 den
unter Druck stehenden Kraftstoff irgendeiner Leitung oder einem
anderen Teil der Kraftstoffzuführanlage
zuführen,
aus der bzw. dem der Kraftstoff einem Verbrennungsmotor zugeführt würde.
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Entsprechend einer alternativen Ausführungsform,
die in 22 dargestellt
ist, ist eine Kraftstoffpumpe 30' vorgesehen, bei der der Außenring des
Laufrades des vorhergehenden Ausführungsbeispiels durch einen
stationären
Führungsring 74' ersetzt ist,
wie dies im Stand der Technik an sich bekannt ist. Der stationäre Führungsring 74' ist nicht Teil des
Laufrades und dreht sich somit nicht mit dem Laufrad. Der stationäre Führungsring 180 umfasst
einen Abstreifabschnitt (nicht gezeigt), der Kraftstoff von den
offenen Enden bzw. Spitzen der Schaufeln eines äußeren Schaufelkranzes „abschert". Anders ausgedrückt, ist
eine äußere ringförmige Pumpkammer 54B' am äußersten
Umfang des Laufrades so angeordnet, dass die äußersten Schaufeltaschen 98B' sowohl in axialer
wie auch radialer Richtung kommunizieren. Diese Art der Anordnung
ist an sich bekannt und wird manchmal als Peripheralschaufeltechnik
(Peripheral Vane Technology = PVT) bezeichnet.