DE602004001152T2

DE602004001152T2 - Ausgeglichene Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe

Info

Publication number: DE602004001152T2
Application number: DE602004001152T
Authority: DE
Inventors: Michael Raymond Mendon Raney; Eugen Clarkston Maier
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: EP1464837A1; DE602004001152D1; ATE330124T1; US6769889B1; EP1464837B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Innenzahnradpumpen für Kraftstoffe und insbesondere Pumpen mit einem Druckausgleich der Rotoren für reduzierten Verschleiß.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen herrscht in einer Innenzahnradpumpe ein Druckungleichgewicht zwischen einer Hochdruckaustrittsseite der inneren und äußeren Rotoren und einer Niederdruckeinlassseite der Rotoren, wodurch Kräfte erzeugt werden, die zu einem Kippen oder Vorspannen der Rotoren gegen eine der benachbarten Seitenplatten neigen. Dies kann dort hinnehmbar sein, wo die Pumpe zum Unterdrucksetzen von Schmieröl in einem Motor benutzt wird, da die Rotoren hydrodynamische Schmierfilme entwickeln, die ausreichend sein können, um ein Reiben der Rotoren auf den Seitenplatten zu verhindern und dadurch übermäßigen Verschleiß zu vermeiden.
Wenn jedoch eine Innenzahnradpumpe zum Unterdrucksetzen von Benzin verwendet wird, erschwert die extrem niedrige Viskosität dieses Fluides das Aufbauen einer hydrodynamischen Schmierung bei hohen Auslassdrücken. Ohne diese Art der Schmierung muss teureres Material eingesetzt werden, oder es wären andere komplexere Schmiersysteme erforderlich, um übermäßigen Verschleiß zu verhindern. Weiterhin vergrößert ein hoher Arbeitsdruck die innere Undichtigkeit der Pumpe und vermindert den volumetrischen Wirkungsgrad, was zu einer für Automobilanwendun gen als Kraftstoffpumpe ungeeigneten Pumpe führt. Arbeitsdrücke für Innenzahnradpumpen für Benzin sind folglich auf relativ niedrige Drücke, typisch unter 1.0 MPa, begrenzt worden.
US 5 997 262 , US 6 106 240 , US 4 199 305 , US 2 940 399 und EP 0 559 552 offenbaren bekannte Innenzahnradpumpen mit Druck ausgleichenden Anordnungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Innenzahnradpumpe zum Unterdrucksetzen von Benzinkraftstoff, die geeignet ist, Drücke bis zu 2.0 MPa mit einem guten mechanischen und volumetrischen Wirkungsgrad zu entwickeln und die Standzeiterfordernisse an eine Automobilkraftstoffpumpe zu erfüllen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 1 geschaffen.
Ein Merkmal der verbesserten Pumpe ist die Verwendung eines Schattenkanals in der Seitenplatte gegenüber dem Auslasskanal, die so angeordnet ist, dass ein Ausgleichen von hohen Kraftstoffdrücken auf den entgegengesetzten Seiten des Rotors begünstigt wird.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die inneren und äußeren Rotoren vorbestimmte Seitenspalte aufweisen. Die Spalte des äußeren Rotors sind größer als die des inneren Rotors, um einen Kraftstoffdruckausgleich auf den Seiten des äußeren Rotors zu begünstigen.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal ist die Einlagerung einer zentralen Ausnehmung in das Seitenteil, dem die Seite gegenüber liegt, die die Antriebswelle lagert, wobei die zentrale Ausnehmung offen zu einer Seite des inneren Rotors ist und die Antriebswelle umgibt. Die Ausnehmung kommuniziert durch einen verengten Kanal mit Auslassdruck vom benachbarten Schattenkanal, um den Kraftausgleich auf entgegengesetzten Seiten des inneren Rotors zu unterstützen.
Noch ein weiteres bevorzugtes Merkmal besteht darin, dass die Antriebswelle und der innere Rotor beide durch eine einzige Hülse gelagert sind, welche in einem Seitenteil des Gehäuses angeordnet ist. Eine erste Lagerbuchse lagert die Antriebswelle in der Hülse, und eine zweite Lagerbuchse lagert den inneren Rotor auf einem äußeren Durchmesser der Hülse.
Ein fakultatives Merkmal besteht darin, dass sich die Hülse in eine Ausnehmung im inneren Rotor erstreckt, welche mit dem Auslasskanal durch verengte Spalte zwischen dem inneren Rotor und der Seitenplatte, welche die Antriebswelle lagert, und zwischen der Hülse und einer Lagerbuchse in der Ausnehmung kommuniziert.
Ein weiteres fakultatives Merkmal besteht darin, dass eine Hartbeschichtung wie zum Beispiel Chrom, auf die Oberflächen der Seitenplatten aufgebracht sein kann, um den Verschleiß zu minimieren, wenn die Pumpe startet, stoppt oder bei Drehzahlen läuft, die zu niedrig sind, um einen ausreichenden hydrodynamischen Schmierfilm zu entwickeln.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden vollständiger aus der folgenden Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen:
1 ist eine bildhafte Explosionsansicht, die die Anordnung und Bestandteile einer Innenzahnradpumpe mit Druck ausgleichenden Merkmalen gemäß der Erfindung darstellt;
2 ist eine Querschnittsansicht der Pumpenanordnung von 1; und
3 ist eine bildhafte Ansicht, die die Merkmale der Einlassseitenplatte besser veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen im Detail, bezeichnet Bezugszeichen 10 allgemein eine Innenzahnradpumpe, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Pumpe 10 umfasst ein Gehäuse 12, welches Einlass- und Auslassseitenplatten 14, 16 umfasst, die zum Verschließen von entgegengesetzten Seiten einer zentralen Platte 18 angeordnet sind. Die zentrale Platte 18 umgrenzt eine exzentrische, zentrale Öffnung, die eine kreisförmige Rotorkammer zwischen den Seitenplatten bildet. Die Seiten- und zentralen Platten begrenzen Seiten- und zentrale Teile des Pumpengehäuses, die anders als separate Platten ausgebildet sein können, falls dies gewünscht ist.
Innerhalb der Rotorkammer 22 sind innere und äußere Zahnradrotoren 24, 26 drehbar, die innerhalb der Rotorkammer auf exzentrischen inneren und äußeren Rotorachsen 28, 30 drehbar sind. Der innere Rotor umfasst äußere Zähne 32, die in innere Gegenzahnvertiefungen 34 eingreifen, um Pumpkammern 36 mit variablem Volumen zwischen den inneren und äußeren Rotoren zu umgrenzen.
Eine Antriebswelle 38 erstreckt sich durch die Auslassseitenplatte 16 und ist in dieser durch eine Hülse 40 gelagert, die sich durch die Platte hindurch und teilweise in den Rotorhohlraum erstreckt. Eine Wellenlagerbuchse 42 auf der Antriebswelle ist drehbar innerhalb der Hülse 40 aufgenommen, und eine Rotorlagerbuchse 44 ist drehbar auf einem vorstehenden, inneren Ende der Hülse 40 aufgenommen. Die Buchse 44 ist in eine Vertiefung 46 in der Auslassplattenseite des inneren Rotors eingepresst. Es sollte angemerkt werden, dass ein hochverschleißfestes Material wie beispielsweise Wolframcarbid für die Buchsen und Hülsen erforderlich ist, da schmierende Fluidfilme in diesen Bereichen mit kleiner Fläche und hohen Kräften schwierig aufzubauen sind.
Die Antriebswelle 38 weist ein Antriebsende 48 auf, welches in eine Durchbruchöffnung 50 in dem inneren Rotor 24 eingreift, um den inneren Rotor und auch den äußeren Rotor 26 durch Eingriff mit diesem drehbar anzutreiben. Der äußere Rotor 26 umfasst einen kreisförmigen Umfangsrand 52, der drehbar ist nahe und entgegen dem inneren Umfang der zentralen Öffnung 20, welche die Rotorkammer 22 bildet.
Die Einlassseitenplatte 14 umfasst einen allgemein bogenförmigen Einlasskanal 54, der sich durch die Platte erstreckt und mit der Rotorkammer 22 und den zwischen den Rotoren 24, 26 ausgebildeten Pumpkammern 36 kommuniziert. Der Einlasskanal 54 erstreckt sich bogenförmig über etwas weniger als einen Halbkreis, wobei der Kanal 54 mit einer Einlasshälfte der kreisförmigen Rotorkammer 22 verbunden ist.
Auf ähnliche Weise erstreckt sich ein allgemein bogenförmiger Auslasskanal 56 durch die Auslassseitenplatte 16 über einen geringfügig weniger als einen Halbkreis betragenden Winkelbereich. Der Auslasskanal 56 ist mit einer Auslasshälfte der Rotorkammer 22 verbunden, und liegt gegenüber der mit dem Einlasskanal 54 verbundenen Einlasshälfte.
Nach der Montage wird das Gehäuse 12 durch Haltestifte 58 zusammengehalten, die sich durch die Auslassseitenplatte 16 und die zentrale Platte 18 hindurch in die Einlassseitenplatte 14 erstrecken, um damit eine Ausrichtung dieser Bestandteile zu erhalten.
Erfindungsgemäß ist ein Schattenkanal 60 in eine innere Oberfläche der Einlassseitenplatte 14 eingesenkt. Der Schattenkanal ist in Ausdehnung und Fläche im Wesentlichen identisch zum Auslasskanal 56 ausgebildet und unmittelbar gegenüber vom Auslasskanal angeordnet, um dadurch die Bereitstellung eines ausgleichenden Auslassdruckes auf der dem Auslasskanal gegenüberliegenden Seite des äußeren Rotors zu unterstützen.
Die inneren und äußeren Rotoren 28, 30 weisen vorher festgesetzte Seitenspalte zu den gegenüberliegenden Seiten der Gehäuseseitenplatten 14, 16 auf. Die Seitenspalte 62, 64 des äußeren Rotors sind wesentlich größer als die entsprechenden Seitenspalte 66, 68 des inneren Rotors bezüglich den benachbarten Seitenplatten 14, 16. In einem bestimmten Beispiel zum Vergleich betragen die Seitenspalte des äußeren Rotors 26 ungefähr 15 Mikron (15 μm) auf jeder Seite des Rotors, während die Seitenspalte des inneren Rotors näher bei ungefähr 10 Mikron (10 μm) auf jeder Seite des Rotors liegen.
Die größeren, neben dem äußeren Rotor 26 geschaffenen Spalte ermöglichen unter hohem Druck stehendem Kraftstoff leichteren Zutritt zu entgegengesetzten Seiten des äußeren Rotors vom Auslasskanal 56 und dem gegenüberliegenden Schattenkanal 60 her. Der unter hohem Druck ste hende Kraftstoff, der auf beide Seiten des äußeren Rotors entgegengerichtet einwirkt, bewirkt einen ausgeglichenen Druck, der darauf abzielt, den äußeren Rotor in einer axial zentrierten Position mit gleichen Spalten 62, 64 auf jeder Seite zu halten. Die kleineren Spalte des inneren Rotors 24 begrenzen den Durchfluss von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff in den zentralen Antriebswellenbereich der Pumpe und begrenzen somit die Undichtigkeit zwischen den Pumpenkammern und durch andere Spalte des Pumpengehäuses selbst.
Um das Ausgleichen von Drücken auf den inneren Rotor zu unterstützen, ist eine zentrale Vertiefung 70 im Inneren der Einlassseitenplatte 14 vorgesehen und zur Seite des inneren Rotors 24 hin offen. Eine Nut, die einen verengten Kanal 72 bildet, erstreckt sich von der zentralen Vertiefung 70 zum in der Einlassseitenplatte 14 ausgebildeten Schattenkanal 60, was einen begrenzten Fluss von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff vom Schattenkanal in die zentrale Vertiefung 70 ermöglicht, um einen Ausgleichsdruck auf den inneren Rotor 24 auszuüben.
Auf der Auslassseite der Pumpe kann unter hohem Druck stehender Kraftstoff vom Auslasskanal 56 durch die engeren Spalte 66, 68 des inneren Rotors 24 und durch die nicht dargestellten Lagerspalte der Rotorlagerbuchse 44 in die Endausnehmung 46 strömen, die im inneren Rotor 24 ausgebildet und offen zur inneren Seite der Auslassseitenplatte 16 ist. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in den Spalten bildet einen hydrodynamischen Film aufgrund der Rotation des inneren Rotors, und die Drücke in den Ausnehmungen auf entgegengesetzten Seiten des inneren Rotors neigen zu einem Aufrechterhalten eines Druckgleichgewichts, das auf ein Zentrieren des Rotors hinwirkt.
Bei der Endmontage der Pumpe kann das Gehäuse 12 in ein nicht dargestelltes, geeignetes äußeres Gehäuse eingeschlossen werden, oder es kann in der dargestellten Ausführung innerhalb einer Ausnehmung in eine Motorbaugruppe eingebaut werden, in welcher der Betrieb der Pumpe vorgesehen ist. In beiden Fällen kann die Anordnung nicht dargestellte Rückschlagventile umfassen, die mit den Einlass- und Auslasskanälen verbunden sind und zum Verhindern eines Kraftstoffrückflusses vom Auslasskanal zum Einlasskanal ausgebildet sind, wenn das Kraftstoffsystem außer Betrieb ist.
Im Betrieb dreht eine Drehung der Antriebswelle 38 die inneren und äußeren Rotoren 22, 24 gemeinsam. Kraftstoff wird in den Einlasskanal 54 und in die verbundenen Pumpkammern 36 in ihrer umkreisenden Bewegung in der Pumpe während der Expansion der Kammern über einen Phasenwinkel von ungefähr 160° hinweg eingezogen. Wenn die Rotation fortgesetzt wird, werden die Pumpkammern 36 zusammengezogen und drücken Kraftstoff aus diesen Kammern hinaus in den Auslasskanal 56. Dies entwickelt einen Auslasskraftstoffdruck, der durch ein nicht dargestelltes, externes Druckbegrenzungsventil begrenzt ist und für die Einspritzung in Motorzylinder durch ein geeignetes Kraftstoffeinspritzsystem zur Verfügung steht.
Während des Pumpenbetriebs bei normalen Antriebsdrehzahlen werden hydrodynamische Filme zwischen den Rotoren und den gegenüberliegenden inneren Seiten der Seitenplatten aufgebaut. Die hydrodynamischen Filme schmieren und unterstützen die Drehbewegung der mit Spalten von den Seitenplatten beabstandeten Rotoren. Dies minimiert das Auftreten von Verschleiß durch Rotation der Rotoren angrenzend an die Seitenplatten oder gegen diese. Zusätzlich begrenzen die minimierten Spalte zwischen dem inneren Rotor und den Seitenplatten den Verlust von Kraft stoffdruck durch die kleineren Rotorspalte und reduzieren das Auftreten von Kraftstoffverlust von der Pumpenwelle her. Demgemäß wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, während relativ hohe Kraftstoffdrücke zur Verwendung in einem Einspritzsystem aufgebaut werden.
Bei Start- und Stoppbedingungen der Pumpe und möglicherweise bei einem Betrieb bei niedrigen Drehzahlen könnte der Aufbau von hydrodynamischen Schmierfilmen aus Kraftstoff nicht möglich sein. Dementsprechend kann es wünschenswert sein, eine harte Verschleißoberfläche entweder durch Materialauswahl oder durch Beschichtung der inneren Oberflächen der Seitenplatten zu schaffen, um die Möglichkeit übermäßigen Verschleißes über die Lebenszeit der Pumpe bedingt durch die niedrige Drehzahl und die Start- und Stoppbedingungen zu reduzieren. Die Pumpenrotoren selbst sind vorzugsweise aus Materialien mit hoher Festigkeit und ausgezeichneten Verschleißeigenschaften gefertigt, da die Rotoren im Betrieb ständig im Eingriff miteinander rotieren. Demgemäß würden die Seiten der Rotoren normalerweise nicht mit einem gehärteten Material wie beispielsweise Chrom beschichtet werden müssen, würden aber mit den chrombeschichteten inneren Oberflächen der Seitenplatten zusammen arbeiten, um den Verschleiß jedweder Teile gegeneinander zu minimieren.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte verstanden werden, dass zahlreiche Änderungen im Schutzbereich der Erfindung vorgenommen werden können. Demgemäß ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern dass der volle Schutzbereich durch die Sprache der folgenden Ansprüche vorgegeben ist.

Claims

Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe (10) umfassend: ein Gehäuse (12) mit einem ersten Seitenteil (14) und einem zweiten Seitenteil (16), welche entgegengesetzte Seiten eines zentralen Teils (18) mit einer zentralen Öffnung (20) verschließen, die eine kreisförmige Rotorkammer (22) zwischen den Seitenteilen definiert; einen inneren Zahnrotor (24) und einen äußeren Zahnrotor (26), welche auf exzentrischen inneren (28) und äußeren (30) Rotorachsen innerhalb der Rotorkammer drehbar sind, wobei der innere Rotor Außenzähne (32) aufweist, welche in die inneren Gegenzahnvertiefungen (34) des äußeren Rotors eingreifen und ausgebildet sind, um eine Mehrzahl von Pumpkammern (36) mit variablem Volumen zwischen den Rotoren und drehbar mit diesen innerhalb der Rotorkammer zu begrenzen; eine Antriebswelle (38), die sich durch eines (16) der Seitenteile erstreckt und in diesem drehbar gelagert ist, wobei die Antriebswelle ein Antriebsende aufweist, das kurz vor dem anderen Seitenteil endet und antreibbar in den inneren Rotor (24) zur Drehung um die innere Rotorachse (28) eingreift, und wobei der äußere Rotor (26) durch den inneren Rotor angetrieben wird und eine Umfangseite (52) aufweist, die nahe einer radial inneren Seite (20) der kreisförmigen Rotorkammer drehbar ist; einen Einlasskanal (54) und einen Auslasskanal (56), welche sich durch die ersten bzw. zweiten Seitenteile (14, 16) erstrecken und mit den Pumpkammern (36) in Expansions- bzw. Kontraktionsabschnit ten ihrer Umlaufbahnen innerhalb der Rotorkammer (22) kommunizieren; und einen im Seitenteil (14) dem Auslasskanal (56) gegenüberliegend angeordneten, zur Rotorkammer hin offenen Schattenkanal (60), welcher eine ähnliche Fläche und Gestaltung aufweist wie der Auslasskanal (56) und diesem gegenüber liegt, um hohe Kraftstoffdrücke auf entgegengesetzten Seiten des Rotors auszugleichen; dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Rotoren (24, 26) vorbestimmte Seitenspalte (62, 64, 66, 68) zu den gegenüberliegenden Seiten der Gehäuseseitenteile (14, 16) aufweisen, wobei die Seitenspalte (62, 64) des äußeren Rotors größer sind als die Seitenspalte (66, 68) des inneren Rotors, um einen Kraftstoffdruckausgleich zwischen gegenüberliegenden Seiten des äußeren Rotors zu fördern, während der Kraftstofffluss zwischen dem inneren Rotor (24) und den Seitenteilen (14, 16) begrenzt ist.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 1, ferner umfassend eine zentrale Vertiefung (70) in dem Seitenteil (14), das gegenüber dem liegt, welches die Antriebswelle lagert, und offen zu einer Seite des inneren Rotors (24) ist und die Antriebswelle (38) umgibt, wobei die zentrale Vertiefung durch einen verengten Kanal (72) mit Auslassdruck von einem benachbarten Kanal (60) kommuniziert, um den Kraftausgleich auf gegenüberliegenden Seiten des inneren Rotors zu unterstützen.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 2, wobei der Auslasskanal (56) in einem die Antriebswelle (38) lagernden Seitenteil (16) angeordnet ist, und der begrenzte Kanal (72) die zentrale Vertiefung (70) mit dem Schattenkanal (60) verbindet.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 3, wobei sich der Einlass- und Auslasskanal (54, 56) durch gegenüberliegende Seitenteile (14, 16) des Gehäuses (12) erstrecken.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1, wobei die Antriebswelle und der innere Rotor beide durch eine einzige Hülse (40) gelagert sind, welche in dem einen (16) der Seitenteile, welches die Antriebswelle lagert, angeordnet ist.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 5, umfassend eine zwischen der Buchse und der Antriebswelle angeordnete Wellenlagerbuchse (42) und eine zwischen der Buchse und dem inneren Rotor angeordnete Rotorlagerbuchse (44).
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Seitenteile getrennte Seitenplatten (14, 16) sind, und das zentrale Teil eine getrennte Platte (18) ist, die zwischen den Seitenplatten befestigt ist.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 7, wobei der Einlasskanal und der Auslasskanal in jeweils gegenüberliegenden Seitenplatten angeordnet sind.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 8, wobei der Auslasskanal (56) in der Seitenplatte (16) angeordnet ist, welche die Antriebswelle (38) lagert.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 9, wobei sich die Hülse (40) in eine Ausnehmung (46) in dem inneren Rotor (24) erstreckt, welche mit dem Auslasskanal durch verengte Spalte (68) zwischen dem inneren Rotor und der Seitenplatte (16), welche die Antriebswelle lagert, und zwischen der Hülse (40) und einer Lagerbuchse (44) in der Ausnehmung kommuniziert.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 1, wobei Innenflächen der Seitenteile (14, 16) harte Oberflächen aufweisen, um Verschleiß zu minimieren, der während des Startens und Stoppens der Pumpe oder bei Drehzahlen auftreten kann, die zu langsam für eine Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms aus Kraftstoff sind.
Innenzahnradpumpe für Kraftstoffe nach Anspruch 6, wobei die Hülse (40), die Wellenlagerbuchse (42) und die Rotorlagerbuchse (44) ein Lagersystem umfassen und aus hoch verschleißfestem Material hergestellt sind.
Innenzahnradpumpe nach Anspruch 12, wobei das hoch verschleißfeste Material Wolframcarbid ist.