DE4101017A1 - Benzinpumpe fuer verbrennungsmotor-einspritzsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Benzinpumpe, welche speziell für Einpunkt-Einspritzsysteme mit mittlerem Druck konstruiert ist, obwohl die Erfindung mit geringen Veränderungen auch in Hochdruckpumpen für Mehrpunkteinspritzung verwendet werden kann, und welche in jedem Fall eingetaucht sowie in der Leitung verwendet werden kann.

Auf dem Gebiet der Benzinpumpenkonstruktionen für Einpunkt- Einspritzsysteme bestehen die verwendeten Pumpenelemente üblicherweise aus einer Turbine, die mit einem Elektromotor gekoppelt ist, wobei beide Elemente mit hoher Drehzahl, etwa 6000-7000 U/min umlaufen. Diese Pumpenelemente bestehen aus plastischen oder duroplastischen Materialien, und daher wird bei der Montage die Turbine mit der Welle des Elektromotors verbunden, wobei der Rotor wegen der hohen Drehzahl unter den üblichen Arbeitsbedingungen ausgewuchtet und seine Wicklungen mit plastischem Material stromlinienförmig gestaltet werden müssen, um Vibration und die Momententwicklung zu vermindern, die von hydrodynamischem Widerstand herrührt, welcher seine Ursache in der hohen Drehzahl innerhalb des Kraftstoffs hat, in den alle diese Elemente eingetaucht sind. Derartige Pumpen können wegen dieses physikalischen Arbeitsprinzips nur arbeiten, wenn und falls sie im Kraftstofftank des Fahrzeugs eingetaucht sind.

Ein anderer Pumpentyp, der für den gleichen Zweck verwendet wird, umfaßt ebenso einen Elektromotor, der mit einem Pumpenelement gekoppelt ist, welches in diesem Fall von volumetrischer Art ist, allgemein aus metallischen Materialien und mit sehr enger Passung zwischen den Teilen besteht, denen die gewöhnlich aus Plastik bestehenden Kraftstoffleitungsrohr- Verbindungselemente hinzugefügt werden müssen. Die häufigsten Probleme in diesen Pumpen rühren daher, daß der Schmutz in dem Benzin die Pumpe blockieren kann, wenn seine Teilchen eine Größe von einem Hundertstel mm besitzen, welcher kaum durch einen Filter aufgefangen werden können mit normaler Wartung, ohne besondere Sorgfalt und ohne, daß er nach kurzer Zeit verstopft ist. Pumpen dieses Typs können in die Leitung sowie in den Kraftstofftank eingesetzt werden.

Das von herkömmlichen Pumpen beider Typen herrührende wesentliche Problem liegt darin, daß sie einen integrierten Aufbau gemeinsam haben, so daß die Rotor-Motor-Lager und ihre Bürsten bei den Kraftstoffeinlaß- und -auslaßelementen gelegen sind.

Zusammenfassend kann zu den Baumerkmalen der in Einpunkt- Einspritzsystemen verwendeten Pumpen, die bei einem Druck von rund 1 bar arbeiten, das Folgende festgestellt werden:

Turbinenpumpen benötigen einen Elektromotor mit hohem Ausgangsmoment und hoher Drehzahl, was vielfältige und verschiedene Probleme mit sich bringt. Einerseits berühren solche Probleme die wirtschaftliche Seite, da der Rotor-Motor perfekt ausgewuchtet sein muß, um Vibrationen zu vermeiden, und stromlinienförmig gestaltet sein muß, um das Widerstandsmoment aufgrund hohen hydrodynamischen Widerstands innerhalb des Benzins zu vermindern. Ein anderes Problem ist mechanisch, indem es die Nutzungsdauer der Pumpe negativ beeinflußt, da der Kollektor umso mehr verschleißt, je höher die Drehzahl ist.

Was Verdrängungspumpen betrifft, mit ihren Pumpenelementen aus metallischen Materialien und mit sehr engem Spiel zwischen ihren beweglichen Teilen, bestehen zusätzlich dazu, daß sie Plastikteile als Benzineinlaßelement benötigen, ihre größten Nachteile darin, daß die Pumpen, da ein sehr kleines Spiel zwischen den beweglichen Teilen vorhanden ist, sehr empfindlich sind gegen durch Schmutzpartikel geschaffene Probleme, wobei sie gleichzeitig Abrieb verursachen, der das Benzin erwärmt und zu der allgemein bekannten Kavitationswirkung führen kann. Ferner arbeiten die Pumpen wegen ihrer hohen Trägheit, wenn sie sich zu bewegen beginnen, eine gewisse Zeitlang in dem Startmomentbereich des Mikromotors mit hohen Stromstärken in seinem Kollektor, was zu Schaden und Verkürzung ihrer Nutzungsdauer führt. Außerdem umfassen sie eine Vielzahl von Präzisionsteilen, die wie oben erwähnt aus Metall hergestellt werden und gesintert werden müssen, was hohe Fertigungskosten mit sich bringt.

Die Benzinpumpe gemäß der Erfindung löst diese Probleme in Verbrennungsmotor-Einspritzsystemen völlig und konzentriert zu diesem Zweck ihre Merkmale auf zwei wesentliche Aspekte, einerseits auf ihre Modularität, das heißt, daß sie mit physisch unabhängigen Teilen aufgebaut ist, die leicht miteinander verbunden werden können, im Gegensatz zu der integrierten Natur jeder Art herkömmlicher Pumpen, und andererseits auf die niedrige Drehzahl, welche zu längerer Nutzungsdauer, weniger Geräusch, der Verwendung eines kleinen Motors führt, der andererseits wegen der vorerwähnten Modularität ein marktgängiges Element umfaßt, und schließlich auf die Tatsache, daß es ebenfalls wegen der niedrigen Drehzahlen, mit der die Pumpe arbeitet, überflüssig ist, den Motor auszuwuchten oder stromlinienförmig zu gestalten.

Genauer gesagt besteht zur Erreichung der genannten Ziele die erfindungsgemäße Pumpe aus einem herkömmlichen Mikromotor mit niedriger Drehzahl, etwa 3000 bis 35 000 Umdrehungen, dessen Welle in einem Stator liegt, welcher einen zylindrischen Körper und einen Deckel umfaßt, wobei der Stator leicht versetzt ist gegen die Motorwelle, welche mit einem Rotor gekuppelt ist, der in dem Statorkörper liegt und mit einer Reihe radialer Sitze für jeweilige, vorzugsweise aus Teflon bestehende, Blätter versehen ist, so daß zwischen dem Statorkörper und dem Deckel, dem Rotor und seinen Blättern eine Reihe von Kammern veränderlichen Volumens vorhanden ist, und wenn ihr Volumen zunimmt, stehen sie einer Kraftstoff-Einlaßöffnung gegenüber, die in dem Statorkörper angeordnet ist, wogegen sie, wenn ihr Volumen abnimmt, der Reihe nach einer anderen Öffnung gegenüberstehen, die in dem Statorgehäuse angeordnet ist, diesmal zum Auslassen des Kraftstoffs.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist der Stator mit einer Welle versehen, welche weit in den Motor eingesetzt ist, um die Hauptpumpenwelle zu werden, und welche die während seiner normalen Tätigkeit erzeugte Spannung aufnimmt, um diese von dem Rotor zu dem Stator zu übertragen, ohne daß diese Spannung die Motorwelle beeinflußt, welche auf den Rotor bei seinem übrigen Bereich wirkt, das heißt, dort wo die mit dem Statorkörper verknüpfte Welle die mit dem Statorkörper verknüpfte Welle frei läßt (sic!).

Was den Motor betrifft, so ist dieser, um seine richtige Positionierung zu dem Stator sicherzustellen, mit einer Erhöhung versehen, die seine Antriebswelle umgibt, und die in ein Loch in dem Statordeckel eingesetzt werden kann, durch welches die Motorwelle in ihn hineinragt.

Sämtliche Teile, welche die Pumpe bilden, bestehen aus plastischen oder duroplastischen Materialien, abgesehen von der metallischen Welle, und diese Teile sind angemessen in einem zylindrischen Gehäuse eingeschlossen, das an einem seiner Enden geflanscht ist, um zu verhindern, daß diese Teile weiter eindringen, und das auch an seinem anderen Ende gebördelt wird, nachdem die Packung hergestellt ist, wobei die Packung auch eine Pumpenauslaßkappe aufweist, die koaxial und außen mit dem Motor verbunden ist, und in der die Motor- Anschlußklemmen eingefügt oder integriert sind, vorzugsweise Schnellanschlußklemmen, deren Hülsen zur Innenseite weisen, damit sie direkt mit dem Motor verbunden werden können, indem lediglich die Kappe angebracht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Bauteile einer erfindungsgemäßen Benzinpumpe für Verbrennungsmotor- Einspritzsysteme;

Fig. 2 einen Seitenriß und Schnitt der Pumpe als Ganzes, richtig zusammengesetzt; und

Fig. 3 einen ähnlichen Seitenriß und Schnitt der Bauteile des Stator-Rotor-Pumpensektors.

Die erfindungsgemäße Benzinpumpe für Verbrennungsmotor-Einpunkt- Einspritzsysteme, die mit einem Druck von rund 1 kg/cm² fördert, weist einen modularen Aufbau auf, bei welchem der Elektromotor 1 ein in sich abgeschlossenes marktgängiges Teil ist, das auf einer Seite an der Pumpenauslaßkappe 2 und auf der anderen Seite an der Pumpeneinrichtung montiert ist, wobei diese drei Grundelemente also koaxial gekoppelt sind und ohne Spiel in einem rohrförmigen Behälter oder zylindrischen Gehäuse 3 untergebracht sind, das an einem Ende mit einem inneren Umfangsrand oder -flansch versehen ist, welcher ein weiteres Eindringen in die "Packung" verhindert, die aus den obigen Elementen als Ganzes besteht.

Dieser modulare Aufbau läßt es zu, den Motor 1, wie oben erwähnt, als ein sich abgeschlossenes Einzelteil auszulegen, das sich leicht in der Einheit montieren läßt und den spezialisierten Herstellern zu einem zufriedenstellenden Preis- und Qualitätsniveau erworben werden kann.

Die Pumpeinrichtung selbst umfaßt einen Stator, nämlich einen Körper 5 und einen Deckel 6, worin sich ein seiner Art nach zylindrischer Rotor 7 befindet, dessen Rotation durch den kontinuierlich laufenden Mikromotor 1 betrieben wird, und welcher radiale Schlitze 8 aufweist, die jeweilige rechteckige Blätter 9 frei und verschiebbar aufnehmen, vorzugsweise aus Teflon bestehend, welche die Zentrifugalkraft ständig mit der Innenwand des in dem Stator definierten zylindrischen Hohlraumes 10 in Berührung hält, wobei der Hohlraum gegenüber dem Rotor 7 versetzt ist, und daher nimmt das Volumen zwischen dem Rotor, jedem Paar seiner Blätter und der inneren Hohlraumfläche des Stators über jede Halb-Umdrehung des Rotors allmählich zu und nimmt über jede zweite Halb-Umdrehung allmählich ab.

In der Halb-Umdrehung, in welcher diese sich ändernden Volumen zunehmen, gewähren die jeweiligen durch die Blätter 9 definierten Kammern den Durchfluß zu einer Einlaßöffnung 11, die in dem Statorkörper vorgesehen ist, und durch die diese Kammern aufgrund ihre Saugwirkung mit Kraftstoff geflutet werden, wogegen in der anderen Halb-Umdrehung, in welcher diese sich ändernden Volumen abnehmen, eine Schubwirkung erzeugt wird und der Kraftstoff zu dem Rohr 12 in der Pumpenauslaßkappe 2 hin ausgestoßen wird durch eine Auslaßöffnung 13, die günstig an dem Statordeckel 6 gelegen ist.

Dies bedeutet offensichtlich, daß bei dem normalen Pumpvorgang der Rotor unter verschiedenen Saug- und Schubdrücken von rund 1 kg/cm² steht, was eine Kraft erzeugt, die ihn beständig in der Schub-Saug-Richtung drückt. Die auf den Motor wirkende Kraft wird durch eine Welle 14 aufgenommen, die geeignet an der Basis des Statorkörpers 5 angeordnet ist, wie speziell in Fig. 3 gezeigt, und um die sich der Rotor 7 dreht, welcher zu diesem Zweck mit einem Gehäuse 15 für die Welle 14 versehen ist, wobei das Gehäuse einen großen Teil der Rotordicke, wenn auch nicht die gesamte Rotordicke, einnimmt, mit einem freien Raum darin, wo sich für die anzukoppelnde Welle 17 des Motors 1 ein Loch 16 findet, welches einen vieleckigen Querschnitt oder einen zylindrischen Querschnitt mit einer Verjüngung aufweisen kann, um die Welle 17 geeignet winkelig in den Rotor 7 einzubetten, wobei die Welle 17 lediglich den Rotor antreibt und die Motorlager keinesfalls der an dem Rotor erzeugten Spannung zu widerstehen haben, welche durch die in den Stator eingesetzte Welle 14 auf den Stator übertragen wird.

Alle diese Elemente werden nach Einsetzen in das zylindrische Gehäuse 3 genau eingestellt mittels eines Flansches, der an dem gegenüberliegenden Ende 18 des Gehäuses 3 vorhanden ist.

Es ist zu beachten, daß zum richtigen Positionieren des Motors 1 zum Stator der Motor aus dem vorderen Lager seiner Welle 17 eine Erhöhung 19 aufweist, die den gleichen Durchmesser aufweist wie ein in dem Stator vorhandenes Loch 20, in welchem die Erhöhung mit enger Passung sitzt.

Gemäß dem geschilderten Aufbau ist die erhaltene Pumpe eine Verdrängungspumpe mit kleinem Durchmesser und hohen Kapazitäts- und Druckkennwerten, obwohl sie mit ungewöhnlich niedriger Drehzahl arbeitet, was insbesondere wichtig ist, um den Abrieb des Motors und der Pumpenelemente zu vermindern, wobei deren Nutzungsdauer verlängert wird, da wie oben erwähnt die Motorwelle nicht die Rotorbelastung aufnehmen muß, da diese durch Gegenausgleich durch die Welle 14 direkt auf den Stator übertragen wird.

Die Größe des Pumpenwellendurchmessers ist so bemessen, daß eine Benzinschicht einer bestimmten Mindestdicke zwischen der Welle und ihrem Rotorgehäuse hergestellt wird zum Zweck einer hydrodynamischen Schmierwirkung, obwohl das Spiel zwischen den beiden 0,1 mm übersteigt, wodurch Abriebprobleme dieses Elementes eliminiert und eine gewisse Fehlausrichtung zwischen der Motorwelle und der Pumpenwelle zugelassen werden.

Ferner ermöglicht ein Rand 21 in dem Statorkörper, den Deckel 6 darauf aufzusetzen, um den Rotor darin zu halten.

Die Pumpenelementeteile bestehen aus plastischen oder duroplastischen Materialien, abgesehen von der metallischen Welle 14.

Diese Materialien halten offensichtlich jede Art Kfz-Benzin bei den üblichen Arbeitstemperaturen aus, das heißt, ihre Abmessungen werden nicht beträchtlich abgenutzt oder verwandelt, und mechanische Eigenschaften gehen nicht verloren, unter ihnen bedeutend eine hohe Abriebfestigkeit, die teilweise von dem hohen Kugel- oder Fiberglasgehalt herrührt. Ferner müssen die Blätter eine maximale Abriebfestigkeit bieten, und daher wird gegen chemischen Angriff sehr fester fluorinierter Kunststoff verwendet.

Zusätzlich und wegen des geringen Gewichts dieser Materialien und ihrer guten Reibungseigenschaften können diese Teile ein Spiel von mehr als 0,1 mm diametral und axial aufweisen, ohne daß das zu einer Vibration, einem Geräusch oder einer Erwärmung der Pumpenteile führt, welche die Pumpeneffizienz vermindern könnten. Es besteht keine Empfindlichkeit gegen in dem Benzin vorhandene Schmutzteilchen, deren Größe sich auf nicht mehr als einige Hundertstel mm beläuft.

Ein anderer grundsätzlicher Vorteil des obigen Aufbaus beruht auf der Tatsache, daß aufgrund der kombinierten Wirkung des Spieles und des Streckvermögens der Blätter der maximale Arbeitsdruck automatisch begrenzt wird und das herkömmliche in metallischen Verdrängungspumpen vorhandene Druckbegrenzungsventil nicht mehr erforderlich ist.

Die obenerwähnten großen Toleranzen für die Bauteile der Pumpengruppe ermöglichen es, die relevanten Teile direkt durch Spritzguß kostengünstig zu erhalten.

Aber außerdem - und dies ist von Bedeutung - ist das Pumpensystem, welches durch Zentrifugalkraft angetriebene freie Blätter verwendet, mit aus Plastik bestehenden Teilen eine Vorrichtung, welche eine hohe Effizienz bei niedriger Drehzahl bietet, und daher kann, wie oben erwähnt, ein kleiner Motor verwendet werden, welcher außerdem keinen ausgewuchteten und stromlinienförmig gestalteten Rotor aufweisen muß, was ein klarer Vorteil hinsichtlich der Kostenverminderung ist, ganz abgesehen von den Vorteilen, die aus einer längeren Nutzungsdauer und einem niedrigeren Geräuschpegel resultieren.

Wegen seiner Volumenmerkmale kann die Pumpe auch in der Leitung verwendet werden, indem lediglich ein Teil mit einem Benzineinlaßrohr hinzugefügt wird, welches mit dem Statorkörper verbunden ist, und welches dem von der Pumpenauslaßkappe 2 vorragenden Auslaßrohr 12 ähnlich ist, worin, wie auch oben erwähnt, die Anschlußklemmen des Mikromotors 1 eingesetzt werden.

Eine abschließende Bemerkung sollte gemacht werden in dem Sinn, daß der vorerwähnte Aufbau auch dazu tauglich ist, Hochdruckpumpen für Mehrpunkteinspeisung von etwa 3 bar zu erhalten, mit geringen Änderungen wie der Verminderung des Spieles zwischen beweglichen Pumpenteilen, Optimierung der Eigenschaften ihrer nichtmetallischen Materialien, Verminderung des Streckvermögens in den Blättern und Erhöhung der Drehzahl, um die Volumeneffizienz zu bewahren.

Unseres Erachtens ist die Vorrichtung jetzt genügend ausführlich beschrieben worden, daß jeder Fachmann den vollen Rahmen der Erfindung erfaßt hat sowie der Vorteile, welche sie bietet.

Die Materialien, Form, Größe und Layout der Elemente können verändert werden, vorausgesetzt, daß dies keine Abwandlung der wesentlichen Merkmale der Erfindung nach sich zieht.

Die hier zur Beschreibung der Erfindung verwendeten Begriffe sollten mit einer weiten statt einer restriktiven Bedeutung aufgefaßt werden.

Claims (7)

1. Benzinpumpe für Verbrennungsmotor-Einspritzsysteme, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau, mit einem aus einem in sich abgeschlossenen marktgängigen Teil bestehenden Motor (1), der auf einer Seite an einer Kappe, welche mit einem Auslaß (13) für den Kraftstoff versehen ist, und auf der anderen Seite an einer Pumpeneinrichtung angebracht ist, wobei diese Elemente koaxial miteinander verbunden sind und ohne Spiel in einem rohrförmigen zylindrischen Gehäuse (3) mit geflanschten Öffnungen (4, 12) untergebracht sind.

2. Benzinpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeneinrichtung einen Stator umfaßt, und zwar einen Körper (5) und einen Deckel (6), welche eine zylindrische Kammer definieren, in der sich ein gleichfalls zylindrischer versetzter Rotor (7) befindet, wobei der Rotor (7) axial versehen ist mit einem Sitz zum Ankoppeln einer Welle (14), die an dem Boden des Statorkörpers (5) geeignet verriegelt ist, und auch in Fortsetzung des Sitzes mit einem facettierten zylindrischen oder vieleckigen Loch (16) versehen ist zum Ankoppeln der Motor-Eingangswelle (17), die den Rotor (7) antreibt, so daß die mit dem Stator verriegelte Welle (14) tatsächlich die radiale Spannung aufnimmt, die durch den Rotor (7) erzeugt wird, welcher seinerseits mit einer Mehrzahl radialer Schlitze (8) versehen ist zur Aufnahme entsprechender Blätter (9), welche die Zentrifugalkraft gegen die innere Umfangsfläche des Statorkörpers (5) verschiebt.

3. Benzinpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile, welche die Pumpeneinrichtung bilden, aus plastischem oder duroplastischem Material hergestellt sind, abgesehen von der mit dem Statorkörper (5) verknüpften metallischen Welle (14), wobei in Betracht gezogen wird, daß der Mikromotor (1) eine niedrige Drehzahl aufweist, etwa 3000 bis 35 000 U/min, und die beweglichen Teile ein relativ großes Spiel aufweisen, weshalb sie kaum gegen Schmutz in dem Benzin empfindlich sind.

4. Benzinpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) niedriger Drehzahl auch einen niedrigen Ausstoß aufweist und keinen ausgewuchteten und stromlinienförmig ausgebildeten Rotor benötigt.

5. Benzinpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ohne Unterscheidung eingetaucht sowie an der Leitung arbeitet, in welchem Fall der Statorkörper (5), der den Kraftstoffeinlaß (11) enthält, zum Anschluß an das Zulaufrohr einen rohrförmigen Ansatz aufweist ähnlich dem Rohr (12), das in der Kappe (6) vorhanden ist, welche die Packung bei dem Mikromotor (1) abdeckt, und durch das der Kraftstoff aus der ringförmigen Kammer, welche zwischen dem Motor (1) und dem zylindrischen Gehäuse (33) definiert ist, von der Druckgruppe und durch eine in dem Statordeckel (6) vorgesehene Auslaßöffnung (13) austritt.

6. Benzinpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (9) elastisch sind und dies zusammen mit dem Spiel der beweglichen Elemente der Pumpe daher den maximalen Arbeitsdruck dieser Pumpe beschränkt.

7. Benzinpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch weitere Justierung der beweglichen Elemente der Pumpe und durch Arbeiten des Motors mit höherer Drehzahl die Pumpe eine Hochdruckpumpe für Mehrpunkt- Einspritzsysteme wird.