DE3209763C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch angetriebenes Brennstoffpumpenaggregat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Von einem elektrisch angetriebenen Brennstoffpumpen­ aggregat, das zum Fördern von in einem Brennstofftank enthaltenen flüssigen Brennstoff zu einem Fahrzeugmotor verwendet wird, wird bespielsweise gefordert, den Brennstoff mit einem verhältnismäßig hohen Förderdruck von 0,2 bis 0,3 MPa und einem verhältnismäßig geringen Förderstrom von 40-150 1/h zuzuführen. Daher wird bei den meisten derartigen Brennstoffpumpenaggregaten eine Verdrängerpumpe verwendet. Es gibt auch Brennstoffpumpenaggregate, bei denen eine Zentrifugalpumpe eingesetzt wird. Der Einsatz derartiger Brennstoffpumpen­ aggregate ist jedoch auf den Fall beschränkt, daß der Brennstoff mit einem verhältnismäßig niedrigen Förderdruck unterhalb von 0,1 MPa gefördert wird.

Das Brennstoffpumpenaggregat, bei dem die Verdrängerpumpe eingesetzt wird, hat die Nachteile, daß die Herstellungskosten hoch sind, weil eine erwünschte Leistung nicht erzielbar ist, sofern nicht die Herstellungsgenauigkeit gesteigert wird bzw. die zulässigen Abweichungen verringert werden, und daß wegen großer Schwankungen des Förderdrucks Vibrationen und Geräusche verstärkt sind. Weiterhin sind mit dem Brennstoffpumpenaggregat, bei dem die Zentrifugalpumpe verwendet wird, ein niedriger Druck und ein hoher Förderstrom erzielbar, wogegen es schwierig ist, einen hohen Druck und einen geringen Förderstrom zu erzielen.

Aus der US-PS 32 59 072 ist ein gattungsgemäßes elektrisch angetriebenes Brennstoffpumpenaggregat bekannt, das eine Seitenkanalpumpe, einen Elektromotor und ein vom Elektromotor angetriebenes Flügelrad mit geschlossenen Flügeln aufweist. Das Flügelrad bildet zusammen mit dem Pumpengehäuse einen am äußeren Umfangbereich des Flügelrades liegenden Pumpenkanal, wobei an gegenüberliegenden Stirnflächen des Flügelrades mehrere im Umfangsabstand angeordnete Flügelnuten vorgesehen sind.

Mit einer derartigen Seitenkanalpumpe mit geschlossenem Flügel oder "Westco"-Pumpe ist es möglich, einen Förderdruck in der Größenordnung von 0,2 bis 0,3 MPa zu erzielen. Falls jedoch die Seitenkanalpumpe derart ausgelegt wird, daß die allgemein für herkömmliche Seitenkanalpumpen verwendeten Konstruktionsfaktoren bzw. Bedingungen unverändert eingeführt werden, wird zwar ein ausreichend hoher Förderdruck erzielt, der Förderstrom wird jedoch mehr als erforderlich gesteigert. Demgemäß ist es unzweckmäßig, die allgemein verwendeten Konstruktionsfaktoren oder Bedingungen bei einer Seitenkanalpumpe eines Brennstoffpumpenaggregats für Kraftfahrzeuge anzuwenden.

Eine zwangsweise Verringerung des Förderstroms auf den erforderlichen Wert bewirkt eine beträchtliche Verringerung des Pumpenwirkungsgrads. Ein Elektromotor für den Antrieb der Pumpe muß zur Steigerung der Motorausgangsleistung eine große Leistungsfähigkeit haben, so daß dadurch eine große Leistungsfähigkeit haben, so daß dadurch das gesamte Brennstoffpumpenaggregat größe Abmessungen erhält und der elektrische Leistungsverbrauch ansteigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch angetriebenes Brennstroffpumpenaggregat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzuentwickeln, daß Brennstoff unter hohem Druck bei geringem Förderstrom gefördert wird und sich eine Verringerung hinsichtlich des Gewichts, der Abmessungen, des elektrischen Leistungsverbrauchs und der Herstellungkosten ergibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruch 1 genannten Mitteln gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt des Brennstoffpumpenaggregats längs der Linie I-I in Fig. 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Teilschnitt eines Seitenkanalpumpen-Teils und dient zur Erklärung einer den Querschnitt des Pumpenkanals charakterisierenden Größe.

Fig. 4 ist ein Teilschnitt eines Flügelrads.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die den durch Versuche erzielten Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad und der den Querschnitt des Pumpenkanals charakterisierenden Größe zeigt.

Fig. 6 ist eine grafische Darstellung, die den durch Versuche erzielten Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad und dem Außendurchmesser des Flügelrads zeigt.

In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt des elektrisch angetriebenen Brennstoffpumpenaggregats gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Brennstoffpumpenaggregat ist dafür geeignet, in flüssigen Brennstoff innerhalb eines Brennstofftanks beispielsweise eines Fahrzeugs getaucht zu werden. Das Brennstoffpumpenaggregat weist ein allgemein zylindrisches Gehäuse 10 mit einer ersten und einer zweiten Axialstirnwand 13 und 14 auf, in welche jeweils Öffnungen 11 bzw. 12 ausgebildet sind. Ferner weist das Brennstoffpumpenaggregat eine Seitenkanalpumpe 15, die in dem Gehäuse 10 nahe der ersten Axialstirnwand 11 angeordnet ist und einen Elektromotor 16 auf, der in dem Gehäuse 10 der Seitenkanalpumpe benachbart angeordnet ist. Der Elektromotor 16 ist betrieblich mit der Seitenkanalpumpe 15 verbunden, um diese anzutreiben.

Die Seitenkanalpumpe 15 hat ein Pumpengehäuse aus einem ersten Teilgehäuse 17, das im wesentlichen die Öffnung 11 in der ersten Axialstirnwand 13 des Gehäuses 10 abschließt, und einem zweiten Teilge­ häuse 18, das mit dem ersten Teilgehäuse 17 so zu­ sammenwirkt, daß zwischen ihnen eine Pumpenkammer gebildet ist. Im einzelnen hat das erste Teilgehäuse 17 eine dem zweiten Teilgehäuse 18 zugewandte Innen­ fläche 21, in der eine kreisbogenförmige Ausnehmung 22 ausgebildet ist. Bei dem zweiten Teilgehäuse 18 ist in seiner dem ersten Teilgehäuse zugewandten Innen­ fläche eine kreisförmige Ausnehmung 23 ausgebildet, in deren Bodenfläche in einem radial außenliegenden Umfangsbereich eine kreisbogenförmige Ausnehmung 24 ausgebildet ist. Die Pumpenkammer wird durch die Innenfläche 21 des ersten Teilgehäuses 17, die kreis­ bogenförmige Ausnehmung 22 in dem ersten Teilgehäuse, die kreisförmige Ausnehmung 23 in dem zweiten Teil­ gehäuse 18 und die kreisbogenförmige Ausnehmung 24 in dem zweiten Teilgehäuse gebildet.

Eine Welle 25 erstreckt sich mit ihrer Achse konzentrisch zu den kreisbogenförmigen Ausnehmungen 22 und 24. Die Welle 25 hat einen ersten Axialendbereich 26, der drehbar in einem Lager 28 in einer in dem zweiten Gehäuse-Teil 18 ausgebildeten mittigen Bohrung 27 gelagert ist. Der erste Axialendbereich 26 der Welle 25 ragt durch die Pumpenkammer hindurch und hat eine Stirnfläche, die in einer mittigen Aus­ nehmung 31 angeordnet ist, welche in der Innenfläche 21 des ersten Teilgehäuses 17 ausgebildet ist.

An der Welle 25 ist zum Umlauf in der Pumpenkammer ein allgemein scheibenförmiges Flügelrad 32 angebracht.

Das Flügelrad 32 hat eine mittige Bohrung 33 (Fig. 2), in die der erste Axialendbereich 26 der Welle 25 eingepaßt ist. In der Wandfläche der mittigen Bohrung 33 ist diametral gegenüberliegend ein Paar von Axialnuten 34 ausgebildet. Ein Stift 36 mit kreisförmigem Querschnitt ragt diametral durch den ersten Axialendbereich 26 der Welle 25 hindurch und hat gegenüberstehende Endteile, die jeweils in die Axialnuten 34 eingepaßt sind. Auf diese Weise ist das Flügelrad 32 auf der Welle 25 axial längsverschieblich, aber gegenüber einer Verdrehung in Bezug auf die Welle fest angebracht. Das Flügelrad 32 hat eine erste Axialstirnfläche 38, die von der Innen­ fläche 21 des ersten Teilgehäuses 17 einen kleinen Abstand W₁ hat, und eine zweite Axialstirnfläche 39, die von der Bodenfläche der kreisförmigen Ausnehmung 23 in dem zweiten Teilgehäuse 18 einen kleinen Abstand W₂ hat. Diese Abstände W₁ und W₂ sind in Wirklichkeit außerordentlich klein bemessen, in der Fig. 1 jedoch übertrieben dargestellt. An der ersten und zweiten Axialstirnfläche 38 und 39 des Flügelrads ist jeweils einstückig ein ringförmiger Vorsprung 41 bzw. 42 mit einer Höhe ausgebildet, die kleiner als der Abstand W₁ bzw. W₂ ist.

Zur Bildung einer Kammer 43 wirkt der ringförmige Vorsprung 41 mit der Ausnehmung 31 in dem ersten Teilgehäuse 17 und der Außenumfangsfläche sowie der Stirnfläche des ersten Axialendbereichs 26 der Welle 25 zusammen. Der ringförmige Vorsprung 42 wirkt mit der mittigen Achsbohrung 27 in dem zweiten Teilgehäuse 18, einer axialen Stirnfläche des Lagers 28 und der Außen­ umfangsfläche des ersten Axialendbereichs 26 der Welle 25 zusammen, um eine Kammer 44 zu bilden Wie es am besten in der Fig. 2 gezeigt ist, ist in der Wandfläche der mittigen Achsbohrung 33 des Flügelrads 32 ein zweites Paar diametral gegenüberliegender Axialnuten 45 ausgebildet, die die Kammern 43 und 44 miteinander verbinden, um dadurch einen gegenseitigen Ausgleich der Fluid- bzw. Flüssigkeitsdrücke in den Kammern 43 und 44 hervorzurufen.

Das Flügelrad 32 hat einen Außenumfangsbereich, der zur Bildung eines kreisbogenförmigen Pumpenkanals 46 mit der in dem Pumpengehäuse 17, 18 gebildeten Pumpenkammer zusammenwirkt. In dem Außen­ umfangsbereich des Flügelrads ist in der ersten und der zweiten Axialstirnfläche 38 und 39 des Flügelrads unter gegenseitigen gleichen Umfangsabständen eine Vielzahl von Flügelnuten ausgebildet. Das in der Zeichnung dargestellte Flügelrad 32 ist ein sog. "Flügelrad mit geschlossenen Flügeln", bei welchem sich die Bodenfläche einer jeweils in der ersten Axialstirnfläche 38 ausgebildeten Flügelnut 47 nicht mit der Bodenfläche irgendeiner in der zweiten Axialstirnfläche 39 ausgebildeten Flügelnut 47 über­ schneidet.

Der Pumpenkanal 46 steht mit dem in einem nicht gezeigten Brennstoffbehälter enthaltenen flüssigen Brennstoff über eine in dem ersten Teilgehäuse 17 aus­ gebildete Ansaugöffnung 51 und mit dem Raum innerhalb des Gehäuses 10 über eine in dem zweiten Teilgehäuse 18 ausgebildete Auslaßöffnung 52 in Verbindung. Ein der Fig. 1, die die Ansicht eines Schnitts längs der Linie I-I in Fig. 2 ist, ist in Wirklichkeit die Auslaßöffnung 52 nicht sichtbar, sie wird jedoch aus Zweckdienlichkeitsgründen in der Fig. 1 mit strich­ punktierten Linien gezeigt.

Der Elektromotor 16 weist zwei halb-zylindrische Permanentmagneten 61, die in dem Gehäuse 10 konzentrisch zur Welle 25 angeordnet sind, einen Anker 62, der an der Welle 25 konzentrisch zu den Permanentmagneten 61 befestigt ist, und einen Kommutator 63 auf, der an der Welle 25 fest ange­ bracht und mit dem Anker 62 verbunden ist. Mit dem Kommutator 63 ist eine Kontaktbürste 64 in Gleit­ kontakt, die von einem Bürstenhalter 66 gehalten ist, welcher an einem Endblock 67 befestigt ist, der in dem Gehäuse 10 so angeordnet ist, daß er im wesentlichen die Öffnung 12 in der zweiten Axialstirnwand 14 des Gehäuses verschließt. Der Endblock 67 hat eine mittige Ausnehnung 71, die in einer zu dem Gehäuse 10 hin freiliegenden ersten Axialstirnfläche des Endblocks ausgebildet ist, und eine zweite mittige Ausnehmung 72, die in der Bodenfläche der mittigen Ausnehmung 71 ausgebildet ist. In der Seitenwandfläche der zweiten Ausnehmung 72 sind unter gegenseitigem Umfangsabstand mehrere Nuten 73 ausgebildet. Jede der Nuten 73 hat eine geneigte Bodenfläche und ein Ende, das zu der Bodenfläche der mittigen Ausnehmung 71 hin öffnet. Am Endblock 67 ist einstückig ein Anschlußrohr 74 angeordnet, das sich von der zweiten Axialstirnfläche des Endblocks nach außen erstreckt. Das Anschlußrohr 74 steht mit der zweiten Ausnehmung 72 in Verbindung, und ist an eine nicht gezeigte Brennstoffverbrauchseinrichtung wie beispielsweise an einen Motor anschließbar.

Die Welle 25 hat einen zweiten Axialendbereich 81, der drehbar mittels eines Lagers 82 gelagert ist, das in einen Lagersitz 83 eingesetzt ist, der durch Ab­ schrägen des Rands der zweiten Ausnehmung 72 geformt ist. Das Lager 82 wird in seiner Lage mittels eines ringförmigen Halters 85 festgehalten, der in der mittigen Ausnehmung 71 angebracht ist. In dem Halter 85 sind mehrere, auf den Umfang aufgeteilte Öffnungen 86 ausgebildet. Die Welle 25 wird in der radialen Lage mittels des Halters 85 und in der axialen Lage mittels einer Beilagscheibe 87, die an der Welle 25 in Be­ rührung mit einer Axialstirnfläche des Lagers 82 an­ gebracht ist, sowie einer Beilagscheibe 88 gehalten, die an der Welle 25 in Berührung mit einer Axial­ stirnfläche des Lagers 28 angebracht ist.

Im Betrieb wird dem Kommutator 63 über die Kontakt­ bürste 64 elektrischer Strom aus einer nicht gezeigten elektrischen Stromquelle zugeführt, um den Anker 62 in Umlauf zu versetzen. Die Drehung des Ankers 62 wird über die Welle 25 zum Flügelrad 32 übertragen, sodaß dieses im Uhrzeigersinn umläuft, wie es durch einen Pfeil in Fig. 2 dargestellt ist. Der Umlauf des Flügel­ rads 32 bewirkt, daß der in dem Brennstoffbehälter enthältene flüssige Brennstoff durch die Ansaugöffnung 51 in den Pumpenkanal 46 gefördert wird. Durch die Wirkung der Flügelnuten 47 wird der Brenn­ stoffdruck im Pumpenkanal 46 gesteigert, sodaß der Brennstoff über die Auslaßöffnung 52 in den Raum im Gehäuse 10 ausgestoßen wird. Der Brennstoff strömt durch einen ringförmigen Spalt zwischen den Permanentmagneten 61 und dem Anker 62, die Öffnungen 86 in dem Halter 85 und die Nuten 73 in dem Endblock 67 und wird über das Anschlußrohr 74 der Brennstoffverbrauchseinrichtung zugeführt.

Im allgemeinen fördert das elektrisch angetriebene Brennstoffpumpenaggregat, das bei einem Brennstoffeinspritzsystem dafür verwendet wird, einem Fahrzeugmotor flüssigen Brennstoff aus einem Brennstofftank zuzuführen, den Brennstoff zwangsweise mit einem Förderdruck von 0,2 bis 0,3 MPa und einem Förderstrom von 40-150 1/h. Falls die Seitenkanalpumpe so ausgelegt wird, daß die Konstruktionsfaktoren oder Bedingungen unverändert herangezogen werden, wie sie üblicherweise in der Literatur empfohlen sind, ergibt sich bei der Seitenkanalpumpe eine Verringerung des Wirkungsgrads und mangelnde Wirtschaftlichkeit aufgrund einer übermäßigen Steigerung des Förderstroms, so daß die Seitenkanalpumpe für den Einsatz in einem Brennstoffpumpenaggregat eines Brennstoffeinspritzsystems für Kraftfahrzeuge ungeeignet wird. Beispielsweise werden bei einer herkömmlichen Seitenkanalpumpe 90-200 mm als Außendurchmesser D eines in Fig. 3 gezeigten Flügelrads I empfohlen, während 2,4- 13,4 mm für eine den Querschnitt des Pumpenkanals charakterisierende Größe Rm empfohlen wird, die durch S/l definiert ist, wobei S die Querschnittsfläche des Pumpenkanals P ist, die in der Fig. 3 von Punkten a, b, c, d, h, g, f, e und a umgeben ist und mit strichpunktierten Linien schattiert ist, und l die Querschnittsumfangslänge des Flügelrad-Außenumfangsbereichs ist, in dem die Flügelnut G ausgebildet ist und die in der Fig. 4 mit Linien ++ dargestellt ist.

Falls jedoch das Flügelrad einen Außendurchmesser D von 90-200 mm hat, erhält das gesamte Brennstoffpumpenaggregat große Abmessungen, so daß es insbesondere unmöglich ist, ein derartiges Brennstoffpumpenaggregat bei einem Brennstoffeinspritzsystem für Kraftfahrzeuge anzuwenden. Daraus ist ersichtlich, daß es unmöglich ist, eine Seitenkanalpumpe für ein klein bemessenes Brennstoffpumpenaggregat unter unveränderter Verwendung der herkömmlich in der allgemeinen Literatur empfohlenen Konstruktionsfaktoren oder Bedingungen zu entwerfen.

Es wurden verschiedene Versuche ausgeführt, um nach optimalen Konstruktionsfaktoren und Dimensionen für die Seitenkanalpumpe zu suchen, die ein Flügelrad mit geschlossenen Flügeln hat und vor allem für den Einsatz in einem Brennstoffeinspritzsystem für Kraftfahrzeuge geeignet ist, wobei das Flügelrad einen Außendurchmesser von weniger als 90 mm hatte und ein hoher Förderdruck erzielt wurde. Die Versuchsergebnisse sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der dem Querschnitt des Pumpenkanals charakterisierenden Größe Rm und dem Wirkungsgrad η bei einem Förderdruck von 0,2 MPa und einem Förderstrom von 80-120 1/h. Wie aus der Fig. 5 klar ersichtlich ist, hat der Wirkungsgrad ein Maximum, wenn der Wert der Größe Rm ungefähr 1 mm ist. Der wirtschaftlich vertretbare kleinste Wirkungsgrad η ist ungefähr 18%, so daß der nutzbare Wert der Größe Rm in einem Bereich von ungefähr 0,4-2 mm liegt. Ein Wert der Größe Rm innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0,6-1,6 mm ist besonders vorteilhaft, da ein Wirkungsgrad von über 24% erzielt wird. Die Fig. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Außendurchmesser des Flügelrads und dem Wirkungsgrad η. Wie aus der Fig. 6 klar ersichtlich ist, hat der Wirkungsgrad ein Maximum, wenn das Flügelrad einen Außendurch­ messer von ungefähr 33 mm hat. In Anbetracht sowohl des wirtschaftlich vertretbaren Wirkungsgrads (von ungefähr 18% gemäß den vorangehenden Ausführungen) als auch der Schwierigkeiten hinsichtlich der An­ bringung und der Herstellung soll der nutzbare Außen­ durchmesser des Flügelrads innerhalb eines Bereichs von ungefähr 20-65 mm liegen, wobei ein Bereich von ungefähr 25-45 mm besonders vorteilhaft ist, da innerhalb dieses Bereichs der Wirkungsgrad zu­ friedenstellend ist und die Herstellung einfach ist.

Gemäß der vorangehenden Beschreibung wird das elektrisch angetriebene Brennstoffpumpenaggregat gemäß dem Ausführungsbeispiel so aufgebaut, daß der Außendurchmesser des Flügelrads mit den ge­ schlossenen Flügeln innerhalb des Bereichs von 20-65 mm liegt und die Größe Rm innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,4-2 mm liegt. Auf diese Weise wird der erforderliche Wirkungs­ grad gewährleistet und eine Verringerung des Gewichts, der Abmessungen, des elektrischen Leistungsverbrauchs und der Herstellungskosten des Brennstoffpumpen­ aggregats erzielt. Weiterhin wird auch ein für das elektrisch angetriebene Brennstoffpumpenaggregat für Kraftfahrzeuge geeigneter gegenseitiger Zusammenhang zwischen dem Förderdruck und dem Förderstrom geschaffen.

Claims (3)

1. Elektrisch angetriebenes Brennstoffpumpenaggregat für Kraftfahrzeuge, mit einer Seitenkanalpumpe und einem Elektromotor, wobei die Seitenkanalpumpe ein Pumpengehäuse, in dem eine Pumpenkammer ausgebildet ist, und ein vom Elektromotor angetriebenes Flügelrad mit geschlossenen Flügeln aufweist, das innerhalb der Pumpenkammer drehbar ist und das einen mit der Pumpenkammer zur Bildung eines Pumpenkanals zusammenwirkenden äußeren Umfangsbereich besitzt, in welchem in einander gegenüberliegenden Axial­ stirnflächen des Flügelrads eine Vielzahl von mit Umfangsabstand voneinander angeordnete Flügelnuten ausge­ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (32, I) einen Außendurchmesser (D) innerhalb eines Bereiches von 20-65 mm aufweist und eine durch S/L bestimmte, den Querschnitt des Pumpenkanals (46, P) charakterisierende Größe (Rm) innerhalb eines Bereiches von etwa 0,4-2 mm liegt, wobei S die freie Querschnittsfläche des Pumpen­ kanals (46, P) und L die Umfangsabmessung des Querschnitts des äußeren Umfangsbereiches des Flügelrades (32, I) im Pumpenkanal (46, P) ist.

2. Brennstoffpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Pumpenkanal (46, P) charakterisierende Größe (Rm) innerhalb eines Bereiches von 0,6-1,6 mm liegt.

3. Brennstoffpumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D) des Flügelrads (32, I) innerhalb eines Bereiches von 25-45 mm liegt.