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Die
Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe, insbesondere eine Kraftstoffpumpe,
mit mindestens zwei Zahnrädern,
welche in einem Gehäuse
angeordnet sind und miteinander kämmen und ein Fluid von einem
Saugbereich in einen Druckbereich fördern, und mit mindestens einer
Fluidverbindung, welche im Gehäuse
angeordnet ist und einen sich dem Druckbereich nähernden Zahnzwischenraum eines Zahnrads
wenigstens mittelbar mit dem Druckbereich verbindet.
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Eine
Zahnradpumpe der eingangs Art ist aus der
DE 100 18 348 A1 bekannt.
Sie dient als Vorförderpumpe
in einem Kraftstoffsystem und weist ein Gehäuse auf, in dem eine Pumpkammer
vorhanden ist. In dieser sind nebeneinander zwei Zahnräder angeordnet,
die miteinander kämmen.
Unmittelbar benachbart zu den frei liegenden Rändern der Zahnräder ist
eine Begrenzungswand des Gehäuses
angeordnet. Zwischen einem Vollquerschnitt (Fußkreis) und der Begrenzungswand
werden zwei Förderkanäle gebildet,
in denen Kraftstoff mittels der Zahnzwischenräume der beiden Zahnräder von
einem Saugbereich in einen Druckbereich gefördert wird.
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Die
Drehzahl der bekannten Vorförderpumpe ist
starr mit der Drehzahl einer Brennkraftmaschine gekoppelt. Dabei
ist die Zahnradpumpe so ausgelegt, dass sie bereits bei niedriger
Drehzahl eine ausreichende Kraftstoffmenge fördert. Um zu verhindern, dass
bei hoher Drehzahl zuviel Kraftstoff gefördert wird, ist im Saugbereich
eine Strömungsdrossel
angeordnet, durch die die Fördermenge
begrenzt wird. Dies führt
jedoch dazu, dass bei hoher Drehzahl im Saugbereich ein geringer
Druck herrscht, so dass in der Folge in den Zahnzwischenräumen Kraftstoffdampf
bei vergleichsweise niedrigem Druck (beispielsweise ungefähr 0,3 bar)
vorhanden ist. Erreicht ein solcher Zahnzwischenraum den Druckbereich,
in dem beispielsweise ein Druck von 6 bis 9 bar herrschen kann,
bestünde
die Gefahr, dass der Druck in einem solchen Zahnzwischenraum schlagartig
ansteigt und es zu Kavitationsschäden an den Zahnrädern und/oder
dem Gehäuse
kommt.
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Um
dies zu vermeiden, ist bei der bekannten Zahnradpumpe im Gehäuse eine
radial außerhalb des
Zahnrads angeordnete Nut vorhanden, welche sich vom Druckbereich
entlang eines Förderkanals eine
gewisse Strecke in Richtung Saugbereich erstreckt und hierdurch
einen sich dem Druckbereich nähernden
Zahnzwischenraum mit dem Druckbereich verbindet, unmittelbar bevor
der Zahnzwischenraum sich zum Druckbereich hin öffnet. Hierdurch kann vorab
ein gewisser Druckausgleich in diesem Zahnzwischenraum stattfinden.
Erstreckt sich die Nut in Umfangsrichtung über mehr als einen Zahnzwischenraum,
kann ein Druckausgleich nur zwischen dem letzten teilbefüllten Zahnzwischenraum
und dem angrenzenden vollbefüllten
Zwischenraum stattfinden, da in einem teilbefüllten Zahnzwischenraum immer
Dampfdruck herrscht. Daher ist nur ein Teil des zur Verfügung stehenden
Winkelbereichs zur Wiederbefüllung
nutzbar, und in der Folge muss die Befüllung relativ schnell erfolgen,
was zu einem schnellen Druckanstieg und damit verbundenem Geräusch führt.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Zahnradpumpe der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, dass sie besonders leise arbeitet
und eine lange Lebensdauer aufweist. Dabei soll die Zahnradpumpe
aber auch einen hohen Wirkungsgrad haben.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Zahnradpumpe der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass die Fluidverbindung eine seitlich von dem Zahnrad im Gehäuse angeordnete
Aussparung umfasst, welche die in ihrem Bereich gelegenen Zahnzwischenräume direkt
mit dem Druckbereich verbindet.
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Vorteile der
Erfindung
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Durch
die direkte Fluidverbindung kann auch ein Zahnzwischenraum, der
vom Druckbereich noch vergleichsweise weit entfernt ist, langsam
befüllt
werden. Dies gestattet einen langsamen Druckausgleich über einen
maximalen Zeitraum. Durch die langsamere Befüllung eines Zahnzwischenraums,
noch bevor dieser sich zum Druckbereich hin öffnet, wird ferner das Laufgeräusch der
Zahnradpumpe gesenkt, und es werden Kavitationsschäden an dem
Zahnrad und/oder dem Gehäuse
der Zahnradpumpe vermieden. Außerdem
kann eine solche Zahnradpumpe vergleichsweise preiswert hergestellt
werden, da die Aussparung beispielsweise in einen seitlichen Deckel
der Zahnradpumpe, der ohnehin bearbeitet werden muss, mit hoher
Präzision
eingefräst
werden kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird
vorgeschlagen, dass die Aussparung mit einem zwischen einem Fußkreis und
einem Kopfkreis des Zahnrads eingeschlossenen Bereich derart überlappt,
dass die Überlappung
eine definierte Strömungsdrossel
zu einem im Bereich der Aussparung liegenden Zahnzwischenraum bildet. Bei
dieser Zahnradpumpe kann die Befüllung
der sich dem Druckbereich nähernden
Zahnzwischenräume
in genau definierter Weise erfolgen, da während jenes Zeitraums, während dem
sich ein Zahnzwischenraum im Bereich der Aussparung befindet, nur
eine bestimmte Fluidmenge in den Zahnzwischenraum strömen kann.
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Grundsätzlich kann
die Überlappung
in Umfangsrichtung sich auch verändern,
um einen gewünschten
optimalen Druckverlauf in einem sich dem Druckbereich nähernden
Zahnzwischenraum einstellen zu können.
Durch einen anfangs geringeren Querschnitt können beispielsweise Druckpulsationen im
Druckraum vermindert werden. In diesem Fall ist der Querschnitt
der Strömungsdrossel
von der Winkelstellung des Zahnrads wenigstens bereichsweise abhängig.
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Möglich ist
aber auch, dass der Querschnitt der Strömungsdrossel von der Winkelstellung
des Zahnrads unabhängig
ist, sich also der Grad der Überlappung
in Umfangsrichtung nicht ändert.
Dies hat einen anfangs größeren und
dann mit abnehmender Druckdifferenz nachlassenden Volumenstrom in den
Zahnzwischenraum hinein zur Folge.
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In
einer nochmaligen Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Strömungsdrossel
so dimensioniert ist, dass bei einer bestimmten Drehzahl der Druck
im Zahnzwischenraum vom Zeitpunkt des Eintritts in den Bereich der
Aussparung bis zum Erreichen des Druckbereichs wenigstens in etwa
bis auf das im Druckbereich herrschende Druckniveau ansteigt.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dieser Drehzahl um einen Drehzahlbereich, bei
dem die Zahnradpumpe häufig
betrieben wird. Bei einer solchen Zahnradpumpe wird Kavitation zumindest
in dem bestimmten Drehzahlbereich vollständig ausgeschlossen und hierdurch
das Betriebsgeräusch
deutlich gesenkt.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn sich die Aussparung
in Umfangsrichtung vom Druckbereich über einen Winkelbereich erstreckt,
welcher in etwa dem dreifachen Teilungswinkel des Zahnrads entspricht.
Eine solche Zahnradpumpe hat einen sehr guten Wirkungsgrad und gleichzeitig
befinden sich die dem Druckbereich nähernden Zahnzwischenräume so ausreichend
lange im Bereich der seitlichen Aussparung, dass eine allmähliche und
somit lärm-
und verschleißmindernde Befüllung der
Zahnzwischenräume
gut möglich
ist.
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Für den Wirkungsgrad
der Zahnradpumpe ist es am günstigsten,
wenn die Aussparung in den Fußbereich
eines Zahnzwischenraums mündet.
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Durch
die seitlich vom Zahnrad vorgesehene Aussparung kann zusätzlich ein
Gleitlager eines Zahnrads mit Schmiermittel versorgt werden. Da
auf einen separaten Schmiermittelkanal somit verzichtet werden kann,
werden durch diese Maßnahme
die Herstellkosten der Zahnradpumpe gesenkt.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn die Tiefe der Aussparung mindestens der doppelten Überlappung des
mit dem Kopf- und Fußkreis
eingeschlossenen Bereichs entspricht. Somit wird die Strömung in
der Aussparung selbst nicht oder nicht wesentlich gedrosselt.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
schematisierten Schnitt durch eine Zahnradpumpe; und
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2 einen
Schnitt längs
der Linie II-II von 1.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Eine
Zahnradpumpe trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
fördert
Kraftstoff von einem Vorratsbehälter 12 zu
einer Hochdruckpumpe 14. Von dort gelangt der Kraftstoff
zu einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16,
welche den Kraftstoff direkt in einen ihr zugeordneten Brennraum 18 einspritzt.
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Die
Zahnradpumpe 10 umfasst ein Gehäuse 20, welches einen
Basiskörper 22 und
einen Deckel 24 (2) umfasst. 1 zeigt
eine Draufsicht auf das Gehäuse 20 bei
abgehobenem Deckel 24. In dem Basiskörper 22 ist eine insgesamt
in etwa ovale Pumpkammer 26 vorhanden. In dieser sind zwei Zahnräder 28 und 30 nebeneinander
angeordnet. Die Zahnräder
kämmen
in einem Bereich 32 miteinander. Sie sind im Gehäuse 20 mittels
Wellen 34 beziehungsweise 36 gelagert. Die Welle 34 des
in 1 linken Zahnrads 28 wird auf nicht näher dargestellte
Art und Weise von einer Brennkraftmaschine, zu welcher der Brennraum 18 gehört, angetrieben.
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Die
beiden Zahnräder 28 und 30 sind
identisch. Sie weisen insgesamt zehn Zähne 38 auf, zwischen
denen Zahnzwischenräume 40 gebildet
sind. Ein Fußkreis
mit dem Radius R1 ist durch eine strichpunktierte Linie angedeutet
und trägt
das Bezugszeichen 42. Ein entsprechender Kopfkreis mit
dem Radius R2 trägt
das Bezugszeichen 44. Der Winkel zwischen zwei Zähnen 38 wird
als Zahnteilung Z bezeichnet. Die Drehrichtungen der beiden Zahnräder 28 und 30 werden
durch zwei Pfeile 46 und 48 angegeben.
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Ein
in 1 unterer Bereich der Pumpkammer 26 bildet
einen Saugbereich 50. Dieser ist über eine Strömungsdrossel 52 mit
dem Vorratsbehälter 12 verbunden.
Ein in 1 oberer Bereich der Pumpkammer 26 bildet
einen Druckbereich 54, der über einen Auslass 56 mit
der Hochdruckpumpe 14 verbunden ist. Die in 1 linken
und rechten Ränder
der Pumpkammer 26 sind halbkreisförmig mit einem Radius ausgebildet,
welcher in etwa dem Radius R2 des Kopfkreises 44 eines
Zahnrads 28 beziehungsweise 30 entspricht. Eine
entsprechende radiale Begrenzungswand trägt das Bezugszeichen 58. Zwischen
ihr und den Spitzen der Zähne 38 ist
nur ein sehr geringer Spalt vorhanden.
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Im
Deckel 24 des Gehäuses 20 ist
eine Aussparung 60 vorhanden. Diese ist in 1 durch
eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Aussparung 60 erstreckt
sich in der Art zweier Flügel
von der Mitte der Pumpkammer 26 zur Seite hin. Sie ist
zu beiden Seiten der Pumpe 10 symmetrisch ausgestaltet.
Nachfolgend wird der Einfachheit halber nur jener Bereich der Aussparung 60 beschrieben,
welcher im Bereich des linken Zahnrads 28 liegt.
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Ein
radial äußerer Randbereich 62 der
Aussparung 60 ist koaxial zum Zahnrad 28 und erstreckt sich
in etwa im Bereich des linken oberen Quadranten des Zahnrads 28 über einen
Winkelbereich von etwas mehr als 90°. In etwa ab dem Schnittpunkt
mit einer 12-Uhr-Linie 64 des Zahnrads 28, welche
auch dem Beginn des Druckbereichs 54 entspricht, geht der äußere Rand 62 in
einen Randbereich 65 über
in etwa geradlinig nach innen und ganz leicht nach schräg oben.
Eine radial innere Begrenzungswand 66 der Aussparung 60 erstreckt
sich ungefähr
von einer 9-Uhr-Position des koaxialen Randbereichs 62 geradlinig
nach innen und schräg
oben. Dabei verläuft
sie knapp oberhalb von der Welle 34 des Zahnrads 28.
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Ein
Radius R3 des koaxialen Randbereichs 62 der Aussparung 60 ist
etwas größer als
der Radius R1 des Fußkreises 42 des
Zahnrads 28. Hierdurch wird eine Überlappung U geschaffen, mit
der die Aussparung 60 in den zwischen dem Fußkreis 42 und dem
Kopfkreis 44 des Zahnrads 28 eingeschlossenen
Bereich hineinragt. Jene Zahnzwischenräume 40 des Zahnrads 28,
die sich gerade im linken oberen Quadranten der Pumpkammer 26 befinden,
sind daher über
einen Spalt 68, der in 1 zur Verdeutlichung
schraffiert gezeichnet ist, mit der Aussparung 60 und somit
letztlich mit dem Druckbereich 54 verbunden. Der Spalt 68 bildet
dabei eine Strömungsdrossel.
Die Tiefe der Aussparung 60 beträgt etwa das Doppelte der Überlappung
U.
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Die
Zahnradpumpe 10 arbeitet folgendermaßen:
Das Zahnrad 28 wird über die
Welle 34 angetrieben und dreht sich hierdurch im Uhrzeigersinn.
Das Zahnrad 30 wird vom Zahnrad 28 angetrieben
und dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn. Im Saugbereich 50 vorhandener
Kraftstoff wird in dem zwischen zwei Zähnen 38 vorhandenen
Zahnzwischenraum 40 bei der Drehung des Zahnrads 28 beziehungsweise 30 mitgenommen
und bildet, sobald ein Zahnzwischenraum 40 vollständig im
Bereich einer der radialen Begrenzungswände 58 der Pumpkammer 26 liegt,
ein abgeschlossenes Volumen. Dieses Volumen wird bei der Drehung
der Zahnräder 28 und 30 längs der
radialen Begrenzungswände 58 vom
Saugbereich 50 zum Druckbereich 54 transportiert.
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Wenn
der in Drehrichtung beispielsweise des Zahnrads 28 gesehen
vordere Zahn 38 der zwei einen Zahnzwischenraum 40 begrenzenden
Zähne 38 die
12-Uhr-Linie 64 passiert, öffnet sich dieser Zahnzwischenraum 40 zum
Druckbereich 54 hin. Im Verlauf der weiteren Drehung des
Zahnrads 28 gelangt der Zahnzwischenraum 40 in
den Kämmbereich 32 zwischen
den beiden Zahnrädern 28 und 30,
in dem das im Zahnzwischenraum 40 vorhandene Fluid von einem
Zahn 38 des anderen Zahnrads 30 herausgequetscht
wird. Der Druck im Saugbereich 50 beträgt dann, wenn die Zahnradpumpe 10 mit
geringer Drehzahl arbeitet, etwas weniger als 1 bar, im Druckbereich 54 dagegen
herrschen ungefähr
6 bis 9 bar.
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Die
Zahnradpumpe 10 ist so ausgelegt, dass sie auch bei niedriger
Drehzahl der beiden Zahnräder 28 und 30 bereits
eine hohe Förderleistung
aufweist. Um zu vermeiden, dass bei hohen Drehzahlen der Zahnräder 28 und 30 eine
zu hohe Kraftstoffmenge gefördert
wird, ist zwischen Saugbereich 50 und Vorratsbehälter 12 die
Strömungsdrossel 52 angeordnet.
Durch diese wird der Zustrom von Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 12 in
den Saugbereich 50 der Pumpkammer 26 begrenzt.
Dies hat jedoch zur Folge, dass bei hohen Drehzahlen der Druck im
Saugbereich 50 abnimmt und unter Umständen nur noch ungefähr 0,2 bis
0,3 bar beträgt.
Entsprechend beträgt
auch der Druck in den Zahnzwischenräumen 40, die sich
entlang der radialen Begrenzungswand 58 der Pumpkammer 26 vom
Saugbereich 50 zum Druckbereich 54 hin bewegen,
ebenfalls nur ungefähr
0,2 bis 0,3 bar. Bei diesem Druck ist im Zahnzwischenraum 40 – insbesondere
bei hohen Drehzahlen – nur
eine vergleichsweise geringe Kraftstoffmenge vorhanden. Der Rest des
Zahnzwischenraums 40 ist mit Kraftstoffdampf ausgefüllt.
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Gelangt
ein solcher Zahnzwischenraum 40 nun in den Bereich der
Aussparung 60 im Deckel 24, wird er über den
Spalt 68 und die Aussparung 60 direkt mit dem
Druckbereich 54 verbunden. Während sich der Zahnzwischenraum 40 weiter
zum Druckbereich 54 hin bewegt, kann daher unter vergleichsweise
hohem Druck im Druckbereich 54 vorhandener Kraftstoff über die
Aussparung 60 und den Spalt 68 in den Zahnzwischenraum 40 strömen. Die Überlappung
U beziehungsweise der Spalt 68 sind über den Drehwinkel des Zahnrads 28 konstant
und so gewählt,
dass bei einer bestimmten Auslegungsdrehzahl der Zahnräder 28 beziehungsweise 30 die
Zeit, während
der ein Zahnzwischenraum 40 sich im Bereich der Aussparung 60 befindet,
ohne dass der vordere Zahn 38 des Zahnzwischenraums 40 von
der radialen Begrenzungswand 58 der Pumpkammer 26 abgehoben
hat, gerade ausreicht, damit der Druck im Zahnzwischenraum 40 kontinuierlich
bis auf den im Druckbereich 54 herrschenden Druck ansteigen kann.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel könnte sich
der Spalt 68 auch über
den Drehwinkel verändern.
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Wenn
der vordere Zahn 38 der beiden einen Zahnzwischenraum 40 begrenzenden
Zähne 38 die 12-Uhr-Linie 64 passiert
und sich so der Zahnzwischenraum 40 zum Druckbereich 54 hin öffnet, wird eine
schlagartige Druckänderung
im Zahnzwischenraum 40 vermieden, da in diesem bereits
das im Druckbereich 54 herrschende Druckniveau herrscht. Hierdurch
wird das Betriebsgeräusch
der Zahnradpumpe 10 verringert, und es werden Kavitationsschäden an den
Zähnen 38 sowie
am Gehäuse 20 vermieden.
Dabei ist der Wirkungsgrad der Zahnradpumpe sehr hoch, da die radial äußeren Ränder der Zähne 38 bis
zum Passieren der 12-Uhr-Linie 64 der radialen Begrenzungswand 58 der
Pumpkammer 26 mit sehr geringem Spalt gegenüberliegen.
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In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
führt ein
kleiner Stichkanal von der Aussparung 60 zur Welle 34.
Hierdurch wird die Welle 34 mit unter hohem Druck stehendem
Kraftstoff geschmiert. Auf separate Fluidkanäle zur Zufuhr von Schmiermittel kann
dann verzichtet werden. Denkbar ist auch, dass die Aussparung so
groß ist,
dass die Welle wenigstens zum Teil in ihrem Bereich liegt.