DE19835420A1 - Flüssigkeitszufuhrvorrichtung mit unregelmäßigen Flügelnuten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung, die an einem Außenkreisumfang eines Drehelements Flügel und Flügelnuten hat.

Aus der JP-A 60-85288 ist bekannt, daß eine als eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung fungierende Flüssigkeitspumpe einen Impeller hat, an dem Flügelnuten mit verschiedenen Nutbreiten an seinem Außenumfangskreis vorgesehen sind. Insbesondere ist ein Satz von Flügelnuten verschiedener Nutbreiten in einem vorbestimmten Muster an einem Teil (mit feststehendem Abstand) des Außenumfangs des Impellers eingerichtet, wobei der Satz von Flügelnuten sich wiederholend über den gesamten Außenumfang des Impellers eingerichtet ist. Diese Anordnung reduziert eine Schallspitze, die bei hohen Frequenzen entsprechend dem Produkt aus der Anzahl der Flügel und der Drehzahl des Impellers erzeugt wird.

Da jedoch der Satz von Flügelnuten in dem vorbestimmten Muster sich wiederholend oder regelmäßig innerhalb einer Drehung des Impellers auftritt, wird jedesmal, wenn der Impeller über den feststehenden Abstand dreht, ein niederfrequentes Geräusch erzeugt. Wenn somit diese Pumpenbauart als eine im Tank angeordnete Kraftstoffpumpe für einen Brennkraftmotor verwendet wird, kann das niederfrequente Geräusch mit dem Kraftstofftank in Resonanz kommen und ein niederfrequentes Schallgeräusch erzeugen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung zu schaffen, die weniger Schallgeräusch erzeugt.

Erfindungsgemäß hat eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung einen Impeller, an dem Flügelnuten unterschiedlicher Breite unregelmäßig über den gesamten Außenkreisumfang angeordnet sind. Die Breiten der Flügelnuten sind allesamt unterschiedlich oder können auch einige der Breiten gleich sein, solange die Flügelnuten unterschiedlicher Breiten nicht lokal, sondern über dem gesamten Außenumfang angeordnet sind.

Somit geht jeder Flügel zwischen den benachbarten beiden Flügelnuten zu unregelmäßigen Zeitintervallen an einer zwischen einem Einlaßanschluß und einem Auslaßanschluß vorgesehenen Trennwand vorbei. Da die durch jeden Flügel verursachte Flüssigkeitsdruckdifferenz in unregelmäßigen Zeitintervallen auf die Trennwand auftrifft, kann eine Geräuschdruckspitze sowohl bei niedrigen Frequenzen als auch hohen Frequenzen verringert werden, daß heißt bei großen Drehzahlen und kleinen Drehzahlen des Impellers.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Kraftstoffpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A eine Draufsicht eines Impellers der in Fig. 1 gezeigten Kraftstoffpumpe;

Fig. 2B eine Raumansicht, die den in Fig. 2A gezeigten Impeller teilweise zeigt;

Fig. 3 ein charakteristisches Diagramm, das Variationen in der Summe benachbarter Nutwinkel gemäß einem Fall zeigt;

Fig. 4 ein charakteristisches Diagramm, das Variationen in der Summe benachbarter Nutwinkel in einem anderen Fall zeigt;

Fig. 5 ein charakteristisches Diagramm, das den gemessenen Schalldruck relativ zu der Frequenz in einem anderen Fall zeigt; und

Fig. 6 ein charakteristisches Diagramm, das den gemessenen Schalldruck relativ zu der Frequenz in einem herkömmlichen Fall zeigt.

Die vorliegende Erfindung ist nunmehr anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ausführlich beschrieben, wonach eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung auf eine Kraftstoffpumpe für einen Brennkraftmotor Anwendung findet.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine Kraftstoffpumpe mit 10 bezeichnet und, wie aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist, innerhalb eines Kraftstofftanks eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs angeordnet, um beispielsweise Kraftstoff von dem Kraftstofftank zu einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Brennkraftmotors zu speisen. Die Kraftstoffpumpe 10 hat eine Pumpeneinheit 10a zum Saugen des Kraftstoffs von dem Kraftstofftank und zum Druckbeaufschlagen des Kraftstoffs, eine Motoreinheit 10b zum Antrieb der Pumpeneinheit 10a und eine Kraftstoffverdrängungseinheit 10c zum Verdrängen des durch die Pumpeneinheit 10a druckbeaufschlagten Kraftstoffs.

Die Pumpeneinheit 10a hat zwischen ihrer Pumpenabdeckung 12 und einem Pumpengehäuse 13 eine C-förmige Pumpenkammer 30 (Fig. 2A). In der Kammer 30 ist ein scheibenartiger Impeller 24 als ein Drehelement zum Druckbeaufschlagen des darin enthaltenen Kraftstoffs drehbar untergebracht. Die Pumpenabdeckung 12 und das Pumpengehäuse 13 sind aus Aluminium angefertigt und an einem zylindrischen Gehäuse 11 befestigt.

Wie in den Fig. 2A und 2B ausführlich gezeigt, hat der Impeller 24 an seinem Außenkreisumfang siebenundsechzig Flügel 24a und zwischen den Flügeln 24a siebenundsechzig Flügelnuten 24b. Die Breite jedes Flügels 24a ist gleichförmig bzw. gleich groß, während jede Breite (Abstand) zwischen zwei benachbarten Flügeln 24a unterschiedlich ist. Somit haben zwei benachbarte Flügelnuten 24b an beiden Seiten des Flügels 24a eine unterschiedliche Breite und einen unterschiedlichen Winkel θ zwischen benachbarter Nuten.

Der durch einen an der Pumpenabdeckung 12 geformten Einlaßanschluß 31a in die Pumpenkammer 30 gesaugte Kraftstoff wird durch Drehung des Impellers druckbeaufschlagt und durch einen Auslaßanschluß 31b zu einer Motorkammer 32 der Motoreinheit 10b verdrängt. Das Pumpengehäuse 13 ist an der Verbindung der Pumpenkammer 30 und dem Auslaßanschluß 31b mit einer Trennwand 13a geformt. Die Trennwand ist dicht an dem Außenumfang des Impellers 24 angeordnet, um eine Abdichtung zwischen dem Einlaßanschluß 31 und dem Auslaßanschluß 31b vorzusehen.

Bezüglich Fig. 1 hat die Motoreinheit 10b Permanentmagnete 25, die einen mit Spulen 20a umwickelten Rotor 20 umgeben. Der Rotor 20 dreht, wenn der elektrische Strom von einem Anschlußstift 51 eines Anschlusses 50 zu den in dem Magnetfeld der Magnete 25 angeordneten Spulen 20a gespeist wird. Eine Drehwelle 21 an der Seite der Schubrichtung des Rotors 20 ist durch ein Axiallager 22 gestützt, das in die Mittelaussparung der Pumpenabdeckung 12 pressgepaßt ist. Das Axiallager 22 nimmt eine Last von der Drehwelle 21 in der Axialrichtung auf, während ein Lager 26 die Drehwelle 21 in der Radialrichtung stützt. Ein Lager 27 stützt eine an der anderen Seite des Rotors 20 vorgesehene Drehwelle 23 in der Radialrichtung. Die Drehwelle 21 ist an ihrem Ende mit einem sich an ihrem Außenumfang axial erstreckenden Ausschnitt 21a ausgebildet. Der Impeller 24 ist an einer Stelle, an der der Ausschnitt 21a ausgebildet ist, fest an die Drehwelle 21 gepaßt.

Die Magnete 25 sind radial außerhalb des Außenumfangs des Rotors 20 mit einem Spalt relativ zu dem Rotor 20 angeordnet. Ein Kollektor 40 mit acht Kupfersegmenten ist an der Seite der Drehwelle 23 an dem Rotor 20 angebracht.

Ein Verdrängungsgehäuse 14 ist fest an das andere Ende des Gehäuses 11 angepaßt. Der Anschlußstift 51 ist in dem Anschluß 50 des Verdrängungsgehäuses 40 eingebettet, wobei sein oberes Ende freigelegt ist. Der Anschlußstift 51 ist durch den Kollektor 40 mit den Spulen 20a des Rotors 20 verbunden. Der Anschlußstift 51 ist an eine Schutzdrossel 52 angeschlossen, die die alternierenden Stromkomponenten des zu den Spulen 20a zu führenden Gleichstroms beseitigt. Die Verdrängungseinheit 10c bringt ein Sperrventil 34 in einem in den Verdrängungsgehäuse 14 geformten Auslaßanschluß 33 unter. Das Sperrventil 34 begrenzt den Rückstrom an von dem Auslaßanschluß 33 verdrängten Kraftstoff.

In dieser Kraftstoffpumpe 10 dreht sich der Rotor 20, während dessen Drehwelle 21 durch das Axiallager 22 und das Lager 26 abgestützt ist und dessen Drehwelle 23 durch das Lager 27 gestützt ist. Der mit der Drehwelle 21 drehende Impeller 24 setzt den von dem Kraftstofftank durch einen (nicht gezeigten) Filter in die Pumpenkammer 30 gesaugten Kraftstoff unter Druck und führt Kraftstoff in die Motorkammer 32. Anschließend hebt der Kraftstoff das Sperrventil 34 nach oben, um durch den Auslaßanschluß 34 und eine (nicht gezeigte) Kraftstoffrohrleitung zur Außenseite verdrängt zu werden.

Während der Drehung des Impellers 24 tritt eine Differenz von Drücken auf, die an den Vorder- und Rückseiten jedes Flügels 24a in der Drehrichtung erzeugt werden, wobei der diese Druckdifferenz aufweisende Kraftstoff auf die dicht an dem Außenumfang des Impellers 24 gebildeten Trennwand 13a des Pumpengehäuses 13 trifft. Daraus resultiert, daß es wahrscheinlich ist, daß ein großes Schallgeräusch erzeugt wird, wenn der die große Druckdifferenz aufweisende Kraftstoff auf die Trennwand 13a des Gehäuse 13 trifft, sofern der Winkel der in dem Impeller 24 geformten Flügelnut 24b nicht passend festgelegt ist.

Die Flügelnuten 24b, deren Anzahl in diesem Ausführungsbeispiel siebenundsechzig ist, werden in folgender Weise an den Impeller 24 angeordnet.

• (1) Der Maximalwert θmax (°) und der Minimalwert θmin (°) des Abstands zwischen zwei benachbarten Flügelnuten 24b werden bestimmt, d. h. der Winkel (der Winkel benachbarter Nuten) zwischen den Mitten der Flügelnuten 24b. Die Differenz zwischen diesen beiden Winkeln wird durch sechsundsechzig geteilt, was um eins weniger als die gesamte Anzahl der Flügelnuten 24b ist, um einen Inkrementwinkel Δ (°) zu bestimmen. Eine zu große Differenz zwischen dem Maximalwinkel θmax und dem Minimalwinkel θmin senkt das Verhältnis der Kraftstoffverdrängungsmenge relativ zu der zu der Motoreinheit 10b zugeführten elektrischen Energie, d. h. die Effizienz der Kraftstoffpumpe 10. Andererseits ergibt eine zu geringe Differenz zwischen dem Maximalwinkel θmax und dem Minimalwinkel θmin einen Impeller, dessen Nuten einen gleich großen Winkel einschließen. Dies erhöht den Schalldruck bei großen Frequenzen, was dem Produkt der Anzahl von Flügeln 24a und der Drehzahl des Impellers 24 entspricht. Die geeignete Differenz zwischen dem Maximalwinkel θmax und dem Minimalwinkel θmin des Winkels benachbarter Nuten kann durch Experimente und Untersuchungen für jede Pumpenart bestimmt werden.
• (2) Zufallszahlen, die einer Gesamtsumme (n) der Flügelnuten 24b gleichen, werden sequentiell bestimmt. Jeder Zufallszahl wird eine Sequenznummer (i) in der Reihenfolge der Bestimmung inkrementell zugeordnet. Jene Sequenznummern (i) werden dem Gesamtkreisumfang des Impellers 24 in einer dekrementellen oder inkrementellen Folge zugeordnet. Basierend auf der dekrementellen oder inkrementellen Folge der Zufallszahl werden Anordnungsnummern (j) von 1 bis 67 den Zufallszahlen [j = f(i)] entsprechend den Sequenznummern zugeordnet. Unter der Annahme, daß jeder Winkel benachbarter Nuten der Flügelnuten 24, die der Position zuzuordnen sind, die der Sequenznummer (i) entspricht, die dem Außenumfang des Impellers 24 zugeordnet und als θi (i = 1, 2, . . ., n) definiert ist, wird der θi (°) wie folgt ausgedrückt:
  θi = θmin + Δ X (j - 1) (1).

Bei der obigen Anordnung der Flügelnuten 24b wird eine Summe Sm (°) der Winkel der Flügelnuten 24b bestimmt, die aufeinanderfolgend mit einer Anzahl von m = n/k (k = 2, 3 und 4) benachbart sind. Wenn hierbei die Anzahl n/k keine ganze Zahl ist, wird zumindest (n/k) + 1 zwischen n/k und (n/k) + 1 als m gesetzt. Die Summe Sm wird n-mal (in n Durchgängen) durch Versetzen der Flügelnut bestimmt, von der die Summe jedesmal (in jedem Durchgang) in der Kreisrichtung eine nach der anderen bestimmt wird. Die Anordnung, in der die Summe Sm von jeden Mal (von jedem Durchgang) der folgenden Gleichung genügt, wird übernommen.

(360/k) - 10 ≦ Sm ≦ (360/k) + 10 (2).

Durch Berechnungen der Summe Sm, während k in dem 2, 3 und 4 enthaltenden Bereich bis zu der Anzahl von Segmenten des Kollektors 40 (8 in diesem Ausführungsbeispiel) geändert wird, und durch Experimente der resultierenden Anordnungen kann der durch die Drehung des Impellers 24 erzeugte Schalldruck vorteilhaft verringert werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt, variiert die Summe Sm der Winkel benachbarten Nuten der Flügelnuten 24b, wenn die Anzahl k auf k = 2, 3, 4, 8 geändert wird. In Fig. 3 wird angenommen, daß die Flügelnuten 64b durch Zahlen zwischen 1 bis 67 bezeichnet sind, und zwar sequentiell in der Uhrzeigerrichtung. Da die Gesamtanzahl der Flügelnuten 24b siebenundsechzig (n = 67) ist, wird die Summe Sm (S8, S9, S16, S17, S22, S23, S33, S34) jedes Winkels benachbarter Nuten für k = 8 mit m = 8 und 9, für k = 4 mit m = 16 und 17, für k = 3 mit m = 22 und 23, und für k = 2 mit m = 33 und 34 bestimmt. Aus Fig. 3 geht hervor, daß alle Summen Sm der Winkel benachbarter Nuten generell jeweils innerhalb eines Bereichs von (360/2 = 180) ± 10 für k = 2, (360/3 = 120) ± 10 für k = 3, (360/4 = 90) ± 10 für k = 4 und (360/8 = 45) ± 10 für k = 8 ist. Somit kann, da sich in diesem Ausführungsbeispiel alle Winkel benachbarten Nuten der Flügelnuten 24b voneinander unterscheiden, ein hochfrequentes Schallgeräusch auf ein Minimum reduziert werden. Da ferner Variationen in den benachbarten Nutwinkeln der Flügelnuten 24b nicht auf lediglich einen Teil des Impellers 24 konzentriert sind, sondern sich über den gesamten Impeller 24 in der Kreisrichtung verteilen, ändert sich die Anzahl der Flügel 24a, die durch die Trennwand 13a in einem Zeitintervall gehen, nicht so sehr. Somit wird auch die Erzeugung eines niederfrequenten Schallgeräusches unterdrückt.

Unter der Anwendung von mehreren Sätzen von Zufallszahlen, werden die Summen Sm benachbarter Nutwinkel wie oben bestimmt. Die Anordnungen, die in kleineren Variationen in der Summe Sm resultieren als jene in Fig. 3, werden ausgewählt und sind in Fig. 4 gezeigt. Jene Flügelnutanordnungen mit weniger Variation in der Summe Sm ergeben sich aus unregelmäßiger angeordneten Flügelnuten und verschaffen vorteilhaftere Anordnungen, die einen geringeren Schalldruck erzeugen.

Schalldruck, der durch einen Impeller unter Anwendung der Flügelnutanordnung aus Fig. 4 und einen Impeller erzeugt wird, der die gleichmäßige Flügelnutanordnung (Stand der Technik) anwendet, werden in der gleichen Kraftstoffpumpenart (Fig. 1) gemessen. Die gemessenen Schalldrücke relativ zu der Frequenz (Drehzahl des Impellers 24) sind in Fig. 4 (Ausführungsbeispiel) und in Fig. 5 (Stand der Technik) gezeigt. In Fig. 5 und 6 ist anzumerken, daß der Schalldruck in einer Flüssigkeit gemessen wurde, wobei 1 µPa als 0 dB bezeichnet ist. Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich, wird, sofern die Flügelnutanordnung entsprechend einer Charakteristik mit sich weniger ändernder Sm (Fig. 4) übernommen wird, dem Spitzenpegel des erzeugten Schalldrucks reduziert, um geringer zu sein (Fig. 5), wobei ein Durchschnittspegel des erzeugten Schalldrucks über jegliche Drehzahl des Impellers gesenkt wird.

Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel wird nicht nur der Schallgeräuschdruck sowohl bei großen Frequenzen als auch bei kleinen Frequenzen gesenkt, sondern werden auch Schwankungen entsprechend dem Unterschied in Schalldrücken reduziert. Daraus resultiert, daß Änderungen in der Drehzahl des Impellers 24, die durch die Schwankungen verursacht werden können, ebenso reduziert werden. Somit kann die Pumpeneinheit 10a Kraftstoff im allgemeinen direkt proportional zu der elektrischen Energie verdrängen, die zu der Motoreinheit 10b gespeist wird, d. h. die Kraftstoffpumpe 10 kann mit großer Effizienz betätigt werden.

Das obige Ausführungsbeispiel kann in vielfacher Weise modifiziert werden. Beispielsweise können die Zufallszahlen in unterschiedlichen Weisen verwendet werden, solange die Unregelmäßigkeit von Zufallszahlen Anwendung findet. Beim Bestimmen der Summe Sm der benachbarten Nutwinkel kann dies mit Hinblick auf lediglich k = 2, 3 und 4 und m = 34, 23 und 17 bestimmt werden, d. h. für (n/k) + 1. Einige der Winkel benachbarter Nuten können gleich sein, solange das Verhältnis der Anzahl der gleichen Winkel benachbarter Nuten zu der Gesamtanzahl der Flügel kleiner oder gleich 0,1 ist.

Anstelle der Flügelstruktur der offenen Bauart, in der die Flügelnuten 24b an der Vorderseite und der Rückseite des Impellers 24 in Axialrichtung in Verbindung stehen, kann eine Flügelstruktur der geschlossenen Bauart verwendet werden. Selbst in der Flügelstruktur der offenen Bauart kann der Impeller 24 von einer Bauart sein, die einen ringförmigen Ring mit einer Breite hat, die der Dicke des Impellers 24 (Axiallänge des Flügels 24a) gleicht und die radial äußersten Enden des Flügels 24 über die Flügelnuten 24b gebogen verbindet.

Ferner kann die vorliegende Erfindung auf andere Vorrichtungen als auf die Kraftstoffpumpe angewendet werden, solange die Vorrichtung Flügel und Flügelnuten an dem Außenumfang ihres Drehelements hat.

Eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung, wie etwa eine Kraftstoffpumpe 10 hat, einen Impeller 24, an dem Flügel 24a und Flügelnuten 24b alternierend um ihren Außenumfang angeordnet sind. Alle Winkel θ benachbarter Nuten, von denen jeder durch zwei benachbarte Flügelnuten bestimmt wird, unterscheiden sich voneinander. Unter der Anordnung der Flügelnuten 24b wird eine Summe Sm der Winkel der Flügelnuten 24b bestimmt, die in einer Reihenfolge benachbart sind, und zwar in der Anzahl von m = n/k (k = 2, 3 und 4). Wenn die Anzahl n/k keine ganze Zahl ist, wird zumindest (n/k) + 1 zwischen n/k und (n/k) + 1 als m festgelegt. Die Summe (Sm) wird n-mal durch Versetzen der Flügelnut bestimmt, von welcher die Summe jedesmal eine nach der anderen in der Umfangsrichtung bestimmt wird. Die Anordnung, wonach die Summe Sm jedesmal der folgenden Gleichung genügt, wird übernommen:

(360/k) - 10 ≦ Sm ≦ (360/k) + 10.

Claims (5)

1. Flüssigkeitszufuhrvorrichtung mit:
einem Gehäuse (12, 13), das darin eine Kammer (30) definiert; und
einem Drehelement (24) mit Flügeln (24a) und Flügelnuten (24b), die um seinen Außenumfang alternierend angeordnet sind, wobei
die Flügelnuten (24) derart unregelmäßig angeordnet sind, daß sich Winkel (θ) benachbarter Nuten zwischen zwei benachbarten Flügelnuten (24b) voneinander unterscheiden, und eine Summe (Sm) der Winkel (θ) benachbarter Nuten einer vorbestimmten Anzahl von aufeinanderfolgend angeordneten Flügelnuten (24b) innerhalb eines vorbestimmten Variationsbereiches liegt, und zwar ungeachtet einer Position einer ersten aus der vorbestimmten Anzahl der Flügelnuten (24b) in einer Umfangsrichtung des Drehelements (24).

2. Flüssigkeitszufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
einige der Flügelnuten (24b) derart angeordnet sind, daß sie den gleichen Winkel benachbarter Nuten vorsehen; und
ein Verhältnis der Anzahl der gleichen Winkel benachbarter Nuten relativ zu einer Gesamtzahl (n) von Flügeln (24a) im wesentlichen kleiner ist als 0,1.

3. Flüssigkeitszufuhrvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Summe (Sm) der Winkel (6) benachbarter Nuten der Flügelnuten (24b) der Gleichung (360/k) - 10 ≦ Sm ≦ (360/k) + 10 genügt, in der die Summe (Sm) n-mal bestimmt wird, und zwar durch ein Versetzen in Umfangsrichtung der ersten der Flügelnuten (24b) eine nach der anderen, wobei von dieser die Summe jedesmal in der Umfangsrichtung bestimmt wird und m eine Anzahl der Flügelnuten (24b) ist, die in Abfolge benachbart und als m = n/k (k = 2, 3 und 4) definiert sind, und zwar unter der Bedingung, daß zumindest (n/k) + 1 zwischen n/k und (n/k) + 1 als in festgelegt ist, sofern die Anzahl n/k keine ganze Zahl ist.

4. Flüssigkeitszufuhrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Winkel (θ) benachbarter Nuten bestimmt wird durch Zufallszahlen, die den Flügelnuten (24b) in der Umfangsrichtung in einer Ausgabeabfolge der Zufallszahlen zugeordnet sind.

5. Flüssigkeitszufuhrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei alle Winkel (θ) benachbarter Nuten sich voneinander unterscheiden.