EP2006539A2 - Hubkolbenpumpe zum Fördern einer Flüssigkeit - Google Patents

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EP2006539A2
EP2006539A2 EP08009795A EP08009795A EP2006539A2 EP 2006539 A2 EP2006539 A2 EP 2006539A2 EP 08009795 A EP08009795 A EP 08009795A EP 08009795 A EP08009795 A EP 08009795A EP 2006539 A2 EP2006539 A2 EP 2006539A2
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EP
European Patent Office
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piston
reciprocating
reciprocating piston
pump
liquid
Prior art date
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Withdrawn
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EP08009795A
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English (en)
French (fr)
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EP2006539A3 (de
Inventor
Heiko Neuner
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Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2006539A2 publication Critical patent/EP2006539A2/de
Publication of EP2006539A3 publication Critical patent/EP2006539A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F04B17/04—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/046—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the fluid flowing through the moving part of the motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B11/00—Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation
    • F04B11/0008—Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation using accumulators
    • F04B11/0016—Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation using accumulators with a fluid spring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B11/0008—Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation using accumulators
    • F04B11/0033—Equalisation of pulses, e.g. by use of air vessels; Counteracting cavitation using accumulators with a mechanical spring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating pump with an electromagnetically driven, with a return spring mounted reciprocating piston for conveying a liquid, an impact damper made of elastomer for damping an impact of the reciprocating piston at the end of a delivery phase, a reciprocating piston opposite the core flange, wherein between the reciprocating piston and the core flange of the position of the reciprocating piston dependent gap is given.
  • Reciprocating pumps are used, for example, to supply a vehicle heating system with liquid fuel. You can per unit time promote a well-defined amount of liquid, such as fuel. This makes it possible, when used in a motor vehicle heating, a stable operation with simultaneous delivery of a desired amount of heat is achieved.
  • a reciprocating piston reciprocates periodically in the axial direction and, with each period, delivers a well-defined quantity of a liquid, for example fuel.
  • the oscillating piston produces a "clacking" impact sound when impacting in its end positions, which is why modern reciprocating pumps are optimized not only in terms of accurate metering of the flow rate but also with respect to the resulting working noise.
  • the impact sound when reaching the respective axial end positions of the reciprocating piston is reduced by so-called impact damper, which absorb the kinetic energy of the reciprocating piston.
  • impact dampers are typically made of an elastomer.
  • the DE 1 966 459 A describes a pump for delivering a liquid in which the impact dampers are realized by utilizing the compressibility of liquid cushions of the pumped liquid.
  • the DE 10 2005 025 505 A1 describes a device for damping the end stop of a hydraulic cylinder with a liquid cushion.
  • the object of the invention is to develop the generic reciprocating pumps such that the above-described problem is avoided and even at temperatures below the glass transition temperature of the impact damper, a low-noise promotion of a liquid is possible.
  • the reciprocating piston pump according to the invention builds on the generic state of the art in that the kinetic energy of the reciprocating piston during an early delivery interval of a delivery phase is mainly absorbed by the return spring and the promotion of the liquid and that the kinetic energy of the reciprocating piston during a late delivery interval of a delivery phase mainly is absorbed by the hydraulic damping of the liquid present in the gap. If the temperature inside the reciprocating pump is below the glass transition temperature of the impact damper, the elasticity of the impact damper is severely limited. The impact damper in this state is no longer able to absorb the kinetic energy of the reciprocating piston at the end of the delivery phase.
  • the pumped liquid can be exploited to absorb some of the kinetic energy of the reciprocating piston in a late delivery interval of the delivery phase by means of a movement of the reciprocating piston in the Reciprocating pump to absorb decelerating fluid cushion.
  • the fluid cushion exerts a hydraulic damping on the reciprocating piston and builds its damping effect ideally only shortly before reaching the end stop, so as not to negatively influence the duty cycle of the reciprocating pump.
  • the liquid cushion is formed when liquid is pressed through in the late delivery interval of the delivery phase between the reciprocating piston and the core flange shortly before reaching the end position.
  • shock absorber made of elastomer must absorb less kinetic energy of the reciprocating piston, since a part of the kinetic energy of the reciprocating piston is absorbed by the hydraulic damping of the liquid present in the gap between the reciprocating piston and the core flange. This leads to a measurable noise reduction of the impact noise of the oscillating reciprocating piston at low temperatures and is a simple, inexpensive, constructive measure for which no additional components are needed.
  • the fluidic optimization can be done by minimizing the gap existing between the core flange and the piston in order to build up the hydraulic damping to decelerate the piston before it touches the impact stopper at its end stop at the end of the delivery phase.
  • Minimizing means reducing the gap to a value that just barely touches the reciprocating piston and core flange, taking into account manufacturing tolerances.
  • a liquid-filled gap is present between the core flange and the reciprocating piston in each position of the reciprocating piston, which prevents a positive connection between the reciprocating piston and the core flange.
  • the minimum distance between the core flange and the reciprocating piston at the end of the delivery phase is generously sized, which offers the advantage of a high manufacturing tolerance.
  • the reciprocating piston moves toward the core flange, the reciprocating piston displaces the liquid present in this area.
  • the displaced fluid must flow through the gap between the core flange and the reciprocating piston, which reaches its minimum extension when the end stop reaches the end of the delivery phase.
  • an increasing hydraulic damping builds up, which dominates the absorption of kinetic energy of the reciprocating piston during a late delivery interval of a delivery phase, when the gap becomes narrow enough.
  • the effect of the hydraulic damping depends inter alia on the viscosity of the liquid and therefore increases with decreasing temperature.
  • a damping element comprising an elastomer is provided in the delivery line for damping pulsations generated by the reciprocating piston pump. Due to the oscillating movement of the reciprocating piston and the pulsed conveyance associated therewith, undesirable pulsations may occur in a delivery line. In extreme cases, these are even able to prevent stable operation of the devices supplied with the pumped liquid, for example a motor vehicle heater.
  • the gap width between the reciprocating piston and the core flange in the radial direction perpendicular to the axial direction of movement of the reciprocating piston at the end of the delivery phase is between 1.0 and 0.1 mm.
  • the lower limit for the gap width is given by the production fluctuations occurring during production, since a positive connection between the reciprocating piston and the core flange is to be avoided.
  • a sensible upper limit for the gap width is given by the required strength of the hydraulic damping and is influenced by the respective design of the reciprocating piston pump. For example, a different mass of the reciprocating piston is relevant in various designs.
  • the gap width between the reciprocating piston and the core flange in the radial direction perpendicular to axial movement direction of the reciprocating piston at the end of the delivery phase is between 0.5 and 0.3 mm.
  • the reciprocating pump may usefully be provided in the delivery line of a vehicle heating system for delivery of liquid fuel.
  • Reciprocating pump 16 shown is intended to convey a liquid, for example fuel, in the direction illustrated by the arrows from an inlet 18 connected to a reservoir to an outlet 20 usually connected to a delivery line.
  • a liquid for example fuel
  • the output side is referred to in the following on the drawing 1 and with right the input side of the reciprocating pump is called.
  • the reciprocating pump 16 includes a return spring 26, a winding 22, an electrical connection 42, a Nachsaugventil 32, a delivery chamber 30, a pump chamber 56, two shock absorbers made of elastomer 46, 48, a damping element 34 in a housing part 44, with an elastomer 36, a chamber 38 and a plurality of evenly around the longitudinal axis of the reciprocating pump 16 distributed holes 40, and a reciprocating piston 24, with a rod 52 which forms its central longitudinal axis, a tube 54 which the rod 52nd on the right side of the reciprocating piston and a check valve 28, which is arranged at the right end of the tube 54.
  • the individual components of the lifting piston 24 are rigidly connected to each other, only the check valve 28 usually includes moving parts.
  • the tube 54 further has at least one bore 58, which connects the volume in the interior of the tube with the volume in the region of the core flange 50, thus allowing a connection between the delivery chamber 30 and the pump chamber 56 when the check valve 28 is opened.
  • the delivery cycle of the reciprocating pump 16 can be divided into a delivery phase and a Nachsaugphase, wherein FIG. 1 represents the state at the beginning of the funding phase.
  • a voltage is applied in a suitable manner, whereby a winding 22 is energized. Winding 22 builds up a magnetic field which electromagnetically moves lift piston 24 to the right.
  • the reciprocating piston compresses the liquid present in the delivery chamber 30 and the check valve 28 opens due to the increasing pressure.
  • the liquid in the interior of the delivery chamber can now flow into the region of the core flange 50 through the interior of the tube 54 and the bore 58 present in the tube.
  • the reciprocating piston 24 on the left side has opened the outlet 20, through which the volume of liquid displaced in the delivery chamber 30 can be expelled from the reciprocating pump 24.
  • the piston moves to its right stop on the shock absorber 46, wherein a total of the present in the delivery chamber 30 liquid volume is conveyed into the pump chamber 56 and the delivery phase ends. In the delivery phase, no liquid is ejected from the outlet 20.
  • the Nachsaugphase begins with the termination of the energization of the winding 22.
  • the return spring 26 presses the reciprocating piston 24 to the left. Due to the resulting negative pressure in the delivery chamber 30 closes the check valve 28 and the suction valve 32 opens, whereby new fluid to be conveyed is sucked through the inlet 18 and refills the delivery chamber again. In this phase, liquid is expelled at the outlet 20, since the volume of the pump chamber 54 is reduced during the Nachsaugphase by the movement of the reciprocating piston 24.
  • the delivery phase ends when the reciprocating piston 24 has reached its initial position shown again and the delivery chamber is completely filled. The kinetic energy of the piston 24 at the end of the Nachsaugphase is absorbed by a shock absorber made of elastomer 48.
  • the impact damper 46 can absorb the impact energy of the piston 24 at the end of the production phase with low noise.
  • the noise damping of the reciprocating pump 16 thus operates in a known manner.
  • the temperature is below the glass transition temperature of the elastomeric shock absorber 46, it can no longer completely absorb the impact energy of the reciprocating piston 24 due to its reduced elasticity. This makes itself noticeable without the optimization according to the invention in a clearly louder impact noise of the lifting piston 24.
  • the optimization can be carried out in particular by reducing the gap width, which is present at the end of the delivery phase between the core flange 50 and the piston 24.
  • the gap width is understood to mean the distance between the core flange 50 and the lifting piston 24 in the plane perpendicular to the direction of movement.
  • the gap width in the radial direction between the reciprocating piston 24 and the core flange 50 at the end of the conveying phase should be of the order of 1.0 to 0.1 mm, preferably between 0.5 and 0.3 mm ,
  • the reciprocating piston 24 is supplied by the magnetic field of the winding 22 energy, which is partially stored in the return spring 28, partially present as kinetic energy of the reciprocating piston and is partially consumed in the promotion of the liquid.
  • the distance between the core flange 50 and the lifting piston 24 decreases continuously during the conveying phase.
  • the liquid must be forced through a very narrow gap. This creates a hydraulic pressure in this area, which absorbs another part of the kinetic energy of the piston 24 and converts it into heat.
  • the hydraulic pressure builds up by the displacement of liquid from the area between the core flange 50 and the piston 24 through the reciprocating piston 24.
  • a fluid cushion is formed between the reciprocating piston 24 and the core flange 50 which decelerates the movement of the reciprocating piston 24 in addition to the return spring.
  • the liquid cushion in particular contributes to the part of the liquid at the end of the delivery phase is conveyed from the delivery chamber 30 into the pump chamber 56 and thereby exits through the bore 58 from the tube 54 in the region of the core flange 50.
  • the strength of this hydraulic pressure, and thus the amount of energy absorbed, is highly dependent on the gap width in the plane perpendicular to the direction of movement of the reciprocating piston 24 and on the viscosity of the liquid.
  • the kinetic energy of the reciprocating piston is converted into heat mainly by the hydraulic pressure.
  • the hydraulic pressure is not dominant even in a late interval of the delivery phase and less kinetic energy of the reciprocating piston is absorbed.
  • the hydraulic damping thus relieves the impact damper 46, which must absorb less kinetic energy.
  • the impact noise of the reciprocating piston on the shock absorber is damped in this way, even at low temperatures.
  • the magnitude of the hydraulic damping increases as the temperature decreases, while the elastomer 46 shock absorber can absorb less kinetic energy as it hardens.
  • the hydraulic piston damper 24 decelerating hydraulic damping does not interfere with the operation of the reciprocating pump, since it is highly dependent on the viscosity of the liquid and only shortly before reaching the end stop at the end of the delivery phase can assume a relevant order of magnitude.
  • Undesired pulsations in the delivery line may be reduced by a damping element 34 comprising an elastomer 36.
  • a damping element 34 comprising an elastomer 36.
  • the elastomer 36 expands into a provided in a housing part 44 adjacent chamber 38. For this purpose, only a certain back pressure of the liquid fuel is necessary. Pulsations in the line can be damped by the elasticity of the elastomer 36.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram, which includes a vehicle heater with a reciprocating pump according to the invention.
  • the illustrated motor vehicle heater 10 may be, for example, an auxiliary or auxiliary heater.
  • Fuel is conveyed from a fuel tank by the reciprocating pump 16 to a burner / heat exchanger unit 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe (16) mit einem elektromagnetisch antreibbaren, mit einer Rückstellfeder (26) gelagerten Hubkolben (24) zum Fördern einer Flüssigkeit, einem Aufschlagdämpfer aus Elastomer (46) zum Dämpfen eines Aufschlages des Hubkolbens (24) am Ende einer Förderphase, einem dem Hubkolben (24) gegenüberliegenden Kernflansch (50), wobei zwischen dem Hubkolben (24) und dem Kernflansch (50) ein von der Position des Hubkolbens (24) abhängiger Spalt gegeben ist.
Die Erfindung ist dabei dadurch gekennzeichent, dass die kinetische Energie des Hubkolbens (24) während eines frühen Förderintervalls einer Förderphase hauptsächlich durch die Rückstellfeder (26) und die Förderung der Flüssigkeit absorbiert wird und dass die kinetische Energie des Hubkolbens (24) während eines späten Förderintervalls einer Förderphase hauptsächlich durch die hydraulische Dämpfung der in dem Spalt vorhandenen Flüssigkeit absorbiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe mit einem elektromagnetisch antreibbaren, mit einer Rückstellfeder gelagerten Hubkolben zum Fördern einer Flüssigkeit, einem Aufschlagdämpfer aus Elastomer zum Dämpfen eines Aufschlages des Hubkolbens am Ende einer Förderphase, einem dem Hubkolben gegenüberliegenden Kernflansch, wobei zwischen dem Hubkolben und dem Kernflansch ein von der Position des Hubkolbens abhängiger Spalt gegeben ist.
  • Hubkolbenpumpen werden beispielsweise zur Versorgung einer Kraftfahrzeugheizung mit flüssigem Brennstoff eingesetzt. Sie können pro Zeiteinheit eine genau definierte Menge einer Flüssigkeit, zum Beispiel Brennstoff, fördern. Dadurch lässt sich, bei Einsatz in einer Kraftfahrzeugheizung, ein stabiler Betrieb bei gleichzeitiger Abgabe einer gewünschten Wärmemenge erreicht wird.
  • Im Inneren der Hubkolbenpumpe bewegt sich ein Hubkolben in axialer Richtung periodisch hin und her und fördert mit jeder Periode eine genau definierte Menge einer Flüssigkeit, zum Beispiel Brennstoff. Durch den oszillierenden Hubkolben entsteht beim Aufschlag in seinen Endlagen ein "klackendes" Aufschlaggeräusch, weshalb moderne Hubkolbenpumpen nicht nur hinsichtlich einer genauen Dosierung der Fördermenge sondern auch bezüglich der entstehenden Arbeitsgeräusche optimiert sind. Das Aufschlaggeräusch bei Erreichen der jeweiligen axialen Endpositionen des Hubkolbens wird durch so genannte Aufschlagdämpfer reduziert, die die Bewegungsenergie des Hubkolbens absorbieren. Diese Aufschlagdämpfer bestehen typischerweise aus einem Elastomer.
  • Nachteilig dabei ist, dass sich Elastomere bei tiefen Temperaturen unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur verhärten, wodurch sich das Aufschlaggeräusch des Kolbens verstärkt, da dessen Aufschlagenergie weniger gut absorbiert werden kann.
  • Die DE 1 966 459 A beschreibt eine Pumpe zur Förderung einer Flüssigkeit, bei der die Aufschlagdämpfer unter Ausnutzung der Kompressibilität von Flüssigkeitspolstern der geförderten Flüssigkeit realisiert werden.
  • Die DE 10 2005 025 505 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Dämpfung des Endanschlages eines Hydraulikzylinders mit einem Flüssigkeitspolster.
  • Solche an sich auch bei tiefen Temperaturen wirksamen Dämpfungen erfordern jedoch vergleichsweise aufwendige konstruktive Maßnahmen, so dass man grundsätzlich bestrebt sein kann, am Dämpfungsprinzip mit Elastomeren festzuhalten.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäßen Hubkolbenpumpen derart weiterzubilden, dass das vorstehend erläuterte Problem vermieden wird und auch bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur des Aufschlagdämpfers eine geräuscharme Förderung einer Flüssigkeit möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die kinetische Energie des Hubkolbens während eines frühen Förderintervalls einer Förderphase hauptsächlich durch die Rückstellfeder und die Förderung der Flüssigkeit absorbiert wird und dass die kinetische Energie des Hubkolbens während eines späten Förderintervalls einer Förderphase hauptsächlich durch die hydraulische Dämpfung der in dem Spalt vorhandenen Flüssigkeit absorbiert wird. Liegt die Temperatur im Inneren der Hubkolbenpumpe unter der Glasübergangstemperatur des Aufschlagdämpfers, so ist die Elastizität des Aufschlagdämpfers stark eingeschränkt. Der Aufschlagdämpfer ist in diesem Zustand nicht mehr in der Lage, die kinetische Energie des Hubkolbens am Ende der Förderphase zu absorbieren. Die geförderte Flüssigkeit kann ausgenutzt werden, um einen Teil der kinetischen Energie des Hubkolbens in einem späten Förderintervall der Förderphase mithilfe eines die Bewegung des Hubkolbens in der Hubkolbenpumpe abbremsenden Flüssigkeitspolsters zu absorbieren. Das Flüssigkeitspolster übt dabei eine hydraulische Dämpfung auf den Hubkolben aus und baut seine dämpfende Wirkung idealerweise nur kurz vor Erreichen des Endanschlages auf, um den Arbeitszyklus der Hubkolbenpumpe nicht negativ zu beeinflussen. Das Flüssigkeitspolster entsteht, wenn in dem späten Förderintervall der Förderphase zwischen dem Hubkolben und dem Kernflansch kurz vor Erreichen der Endlage Flüssigkeit hindurchgepresst wird. Das bedeutet, dass der Aufschlagdämpfer aus Elastomer weniger kinetische Energie des Hubkolbens absorbieren muss, da ein Teil der kinetischen Energie des Hubkolbens durch die hydraulische Dämpfung der in dem Spalt zwischen Hubkolben und Kernflansch vorhandenen Flüssigkeit absorbiert wird. Dies führt zu einer messbaren Geräuschreduzierung des Aufschlaggeräusches des oszillierenden Hubkolbens bei tiefen Temperaturen und ist eine einfache, kostengünstige, konstruktive Maßnahme für die keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden.
  • Vorteilhafterweise kann die strömungstechnische Optimierung dadurch geschehen, dass der zwischen Kernflansch und Hubkolben vorhandene Spalt minimiert wird, um die hydraulische Dämpfung zum Abbremsen des Hubkolbens vor Berührung des Aufschlagdämpfers bei seinem Endanschlag am Ende der Förderphase aufzubauen. Minimieren bedeutet Verringern des Spaltmaßes auf einen Wert, der gerade noch die Berührung von Hubkolben und Kernflansch unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen vermeidet. Üblicherweise ist zwischen dem Kernflansch und dem Hubkolben in jeder Position des Hubkolbens ein mit Flüssigkeit gefüllter Spalt vorhanden, der einen Formschluss zwischen Hubkolben und Kernflansch verhindert. Der minimale Abstand zwischen Kernflansch und Hubkolben am Ende der Förderphase wird großzügig bemessen, was den Vorteil einer hohen Fertigungstoleranz bietet. Wird das Spaltmaß verkleinert, so ist eine geringere Fertigungstoleranz notwendig. Bewegt sich der Hubkolben auf den Kernflansch zu, so verdrängt der Hubkolben die in diesem Bereich vorhandene Flüssigkeit. Die verdrängte Flüssigkeit muss durch den Spalt zwischen Kernflansch und Hubkolben strömen, der bei Erreichen des Endanschlags am Ende der Förderphase seine minimale Ausdehnung erreicht. Mit kleiner werdender Querschnittsfläche des Spaltes, in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Hubkolbens, baut sich dabei eine anwachsende hydraulische Dämpfung auf, die die Absorption kinetischer Energie des Hubkolbens während eines späten Förderintervalls einer Förderphase dominiert, wenn der Spalt schmal genug wird. Insbesondere ist anzumerken, dass der Effekt der hydraulischen Dämpfung unter anderem von der Viskosität der Flüssigkeit abhängt und deshalb mit sinkender Temperatur anwächst.
  • Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass zur Aufschlagdämpfung des Hubkolbens am Ende einer Nachsaugphase ein Aufschlagdämpfer aus Elastomer vorgesehen ist. Konstruktionsbedingt erreicht der Hubkolben bei seiner oszillierenden Bewegung zwei Endanschlagspunkte. Der Aufschlag des Hubkolbens am Ende der Nachsaugphase würde, wenn er nicht gedämpft wäre, ebenfalls zu einer ungewollten Geräuschentwicklung der Hubkolbenpumpe beitragen. Am Anschlagpunkt am Ende Nachsaugphase wird deshalb ein ausreichend dimensionierter O-Ring aus Elastomer zur Aufschlagdämpfung eingesetzt, der die Aufschlagenergie des Hubkolbens absorbieren kann. Bei diesem Anschlagpunkt der Hubkolbenpumpe ist mehr Bauraum vorhanden, weshalb ein größerer Aufschlagdämpfer verwendet werden kann, der auch bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur des Elastomers genügend Bewegungsenergie des Hubkolbens absorbiert, um einen geräuscharmen Betrieb der Hubkolbenpumpe zu gewährleisten.
  • Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zur Dämpfung von durch die Hubkolbenpumpe erzeugten Pulsationen in der Förderleitung ein ein Elastomer umfassendes Dämpfungselement vorgesehen ist. Durch die oszillierende Bewegung des Hubkolbens und der damit verbundenen gepulsten Förderung können unerwünschte Pulsationen in einer Förderleitung entstehen. Diese sind im Extremfall sogar in der Lage, einen stabilen Betrieb der mit der geförderten Flüssigkeit versorgten Geräte, zum Beispiel einer Kraftfahrzeugheizung, zu verhindern.
  • Um den Effekt der hydraulischen Dämpfung zu nutzen, ist nützlicherweise vorgesehen, dass die Spaltbreite zwischen Hubkolben und Kernflansch in radialer Richtung senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Hubkolbens am Ende der Förderphase zwischen 1,0 und 0,1 mm liegt. Da mit sinkender Spaltbreite die Stärke der hydraulischen Dämpfung ansteigt, sorgt ein schmalerer Spalt für eine stärkere hydraulische Dämpfung. Die untere Grenze für die Spaltbreite wird dabei durch die bei der Produktion auftretenden Fertigungsschwankungen gegeben, da ein Formschluss zwischen Hubkolben und Kernflansch zu vermeiden ist. Eine sinnvolle obere Grenze für die Spaltbreite wird durch die benötigte Stärke der hydraulischen Dämpfung gegeben und wird von der jeweiligen Bauform der Hubkolbenpumpe beeinflusst. So ist zum Beispiel bei verschiedenen Bauformen eine unterschiedliche Masse des Hubkolbens relevant.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spaltbreite zwischen Hubkolben und Kernflansch in radialer Richtung senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Hubkolbens am Ende der Förderphase zwischen 0,5 und 0,3 mm liegt.
  • Die Hubkolbenpumpe kann nützlicherweise in der Förderleitung einer Kraftfahrzeugheizung zur Förderung von flüssigem Brennstoff vorgesehen sein.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Schnittansicht einer Hubkolbenpumpe und
    Figur 2
    ein schematisches Blockschaltbild, das eine Fahrzeugheizung veranschaulicht, welche die erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe umfasst.
  • Die in Figur 1 dargestellte Hubkolbenpumpe 16 ist dazu vorgesehen, eine Flüssigkeit, zum Beispiel Brennstoff, in der durch die Pfeile veranschaulichten Richtung von einem mit einem Reservoir verbundenen Einlass 18 zu einem üblicherweise mit einer Förderleitung verbundenen Auslass 20 zu fördern. Mit Links wird im Folgenden auf der Zeichnung 1 die Ausgangsseite bezeichnet und mit Rechts wird die Eingangsseite der Hubkolbenpumpe bezeichnet.
  • Die Hubkolbenpumpe 16 umfasst eine Rückstellfeder 26, eine Wicklung 22, einen elektrischen Anschluss 42, ein Nachsaugventil 32, eine Förderkammer 30, einen Pumpenraum 56, zwei Aufschlagdämpfer aus Elastomer 46, 48, ein Dämpfungselement 34 in einem Gehäuseteil 44, mit einem Elastomer 36, einer Kammer 38 und mehreren gleichmäßig um die Längsachse der Hubkolbenpumpe 16 verteilte Bohrungen 40, und einen Hubkolben 24, mit einem Stab 52 der seine zentrale Längsachse bildet, einem Rohr 54, welches den Stab 52 auf der rechten Seite des Hubkolbens umfasst und einem Rückschlagventil 28, welches am rechten Ende des Rohres 54 angeordnet ist. Die einzelnen Bestandteile des Hubkolbens 24 sind starr miteinander verbunden, lediglich das Rückschlagventil 28 umfasst üblicherweise bewegliche Teile. Das Rohr 54 weist weiterhin mindestens eine Bohrung 58 auf, die das Volumen im Inneren des Rohres mit dem Volumen im Bereich des Kernflansches 50 verbindet und so eine Verbindung zwischen Förderkammer 30 und Pumpenraum 56 ermöglicht, wenn das Rückschlagventil 28 geöffnet ist.
  • Der Förderzyklus der Hubkolbenpumpe 16 kann in eine Förderphase und eine Nachsaugphase unterteilt werden, wobei Figur 1 den Zustand zu Beginn der Förderphase darstellt. An dem elektrischen Anschluss 42 wird in geeigneter Weise eine Spannung angelegt, wodurch eine Wicklung 22 bestromt wird. Die Wicklung 22 baut ein magnetisches Feld auf, das den Hubkolben 24 elektromagnetisch in Bewegung nach Rechts versetzt. Dabei komprimiert der Hubkolben die in der Förderkammer 30 vorhandene Flüssigkeit und das Rückschlagventil 28 öffnet auf Grund des steigenden Druckes. Die Flüssigkeit im Inneren der Förderkammer kann nun durch das Innere des Rohres 54 und die in dem Rohr vorhandene Bohrung 58 in den Bereich des Kernflansches 50 strömen. Gleichzeitig hat der Hubkolben 24 auf der linken Seite den Auslass 20 geöffnet, durch den das in der Förderkammer 30 verdrängte Flüssigkeitsvolumen aus der Hubkolbenpumpe 24 ausgestoßen werden kann. Der Hubkolben bewegt sich bis zu seinem rechten Anschlagpunkt an dem Aufschlagdämpfer 46, wobei insgesamt das in der Förderkammer 30 vorhandene Flüssigkeitsvolumen in den Pumpenraum 56 gefördert wird und die Förderphase endet. In der Förderphase wird keine Flüssigkeit aus dem Ausgang 20 ausgestoßen.
  • Die Nachsaugphase beginnt mit dem Beenden der Bestromung der Wicklung 22. Die Rückstellfeder 26 drückt den Hubkolben 24 nach Links. Auf Grund des in der Förderkammer 30 entstehenden Unterdrucks schließt das Rückschlagventil 28 und das Nachsaugventil 32 öffnet, wodurch neue zu fördernde Flüssigkeit durch den Einlass 18 angesaugt wird und die Förderkammer erneut auffüllt. In dieser Phase wird Flüssigkeit am Auslass 20 ausgestoßen, da das Volumen des Pumpenraumes 54 während der Nachsaugphase durch die Bewegung des Hubkolbens 24 verkleinert wird. Die Förderphase endet, wenn der Hubkolben 24 seine dargestellte Ausgangslage wieder erreicht hat und die Förderkammer vollständig gefüllt ist. Die kinetische Energie des Hubkolbens 24 am Ende der Nachsaugphase wird von einem Aufschlagdämpfer aus Elastomer 48 absorbiert.
  • Abhängig von der Temperatur können nun zwei unterschiedliche Fälle unterschieden werden. Liegt die Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des aus Elastomer bestehenden Aufschlagdämpfers 46, so kann der Aufschlagdämpfer 46 die Aufschlagenergie des Hubkolbens 24 am Ende der Förderphase geräuscharm absorbieren. Die Geräuschdämpfung der Hubkolbenpumpe 16 arbeitet also auf bekannte Weise.
  • Liegt jedoch die Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des aus Elastomer bestehenden Aufschlagdämpfers 46, so kann er die Aufschlagenergie des Hubkolbens 24 auf Grund seiner reduzierten Elastizität nicht mehr vollständig absorbieren. Dies macht sich ohne die erfindungsgemäße Optimierung in einem deutlich lauteren Aufschlaggeräusch des Hubkolbens 24 bemerkbar. Die Optimierung kann insbesondere durch eine Verkleinerung der Spaltbreite erfolgen, die am Ende der Förderphase zwischen Kernflansch 50 und Hubkolben 24 vorhanden ist. Unter Spaltbreite wird der Abstand zwischen Kernflansch 50 und Hubkolben 24 in der Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung verstanden. Um von dem Effekt der hydraulischen Dämpfung zu profitieren, sollte die Spaltbreite in radialer Richtung zwischen Hubkolben 24 und Kernflansch 50 am Ende der Förderphase in der Größenordnung von 1,0 bis 0,1 mm liegen, vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,3 mm.
  • Dem Hubkolben 24 wird durch das magnetische Feld der Wicklung 22 Energie zugeführt, die teilweise in der Rückstellfeder 28 gespeichert wird, teilweise als kinetische Energie des Hubkolbens vorliegt und teilweise bei der Förderung der Flüssigkeit verbraucht wird. Durch die Bewegung des Hubkolbens 24 nimmt der Abstand zwischen Kernflansch 50 und Hubkolben 24 im Verlauf der Förderphase kontinuierlich ab. In einem späten Intervall der Förderphase, kurz vor dem Ende der Förderphase, muss die Flüssigkeit durch einen dann sehr schmalen Spalt gepresst werden. Dadurch entsteht in diesem Bereich ein hydraulischer Druck, der einen weiteren Teil der kinetischen Energie des Hubkolbens 24 absorbiert und in Wärme umwandelt. Der hydraulische Druck baut sich durch die Verdrängung von Flüssigkeit aus dem Bereich zwischen Kernflansch 50 und Hubkolben 24 durch den Hubkolben 24 auf. Ein Flüssigkeitspolster bildet sich zwischen Hubkolben 24 und Kernflansch 50 das die Bewegung des Hubkolbens 24 zusätzlich zu der Rückstellfeder abbremst. Zum Aufbau des Flüssigkeitspolsters trägt insbesondere der Teil der Flüssigkeit bei, der am Ende der Förderphase von der Förderkammer 30 in den Pumpenraum 56 gefördert wird und dabei durch die Bohrung 58 aus dem Rohr 54 in den Bereich des Kernflansches 50 austritt. Die Stärke dieses hydraulischen Druckes, und damit die absorbierte Energiemenge, ist stark von der Spaltbreite in der Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Hubkolbens 24 und von der Viskosität der Flüssigkeit abhängig. Bei geeigneter Dimensionierung des Spaltes kann daher erreicht werden, dass in einem späten Intervall der Förderphase die Bewegungsenergie des Hubkolbens hauptsächlich durch den hydraulischen Druck in Wärme umgesetzt wird. Bei einer Hubkolbenpumpe ohne die erfindungsgemäße Optimierung ist auch in einem späten Intervall der Förderphase der hydraulische Druck nicht dominierend und weniger kinetische Energie des Hubkolbens wird absorbiert. Die hydraulische Dämpfung entlastet so den Aufschlagdämpfer 46, der weniger kinetische Energie absorbieren muss. Das Aufschlaggeräusch des Hubkolbens auf den Aufschlagdämpfer wird auf diese Weise auch bei tiefen Temperaturen gedämpft. Insbesondere steigt die Stärke der hydraulischen Dämpfung mit sinkender Temperatur an, während der Aufschlagdämpfer aus Elastomer 46 weniger kinetische Energie absorbieren kann, da er verhärtet.
  • Die den Hubkolben 24 abbremsende hydraulische Dämpfung wirkt sich nicht störend auf den Betrieb der Hubkolbenpumpe aus, da er stark von der Viskosität der Flüssigkeit abhängt und nur kurz vor Erreichen des Endanschlages am Ende der Förderphase eine relevante Größenordnung annehmen kann.
  • Unerwünschte Pulsationen in der Förderleitung können durch ein Dämpfungselement 34, das einen Elastomer 36 umfasst reduziert werden. Wenn zum Beispiel flüssiger Brennstoff durch eine Bohrung 40 tritt und in Kontakt mit dem Elastomer 36 gelangt, dehnt sich das Elastomer 36 in eine in einem Gehäuseteil 44 vorgesehene benachbarte Kammer 38 aus. Hierzu ist lediglich ein gewisser Gegendruck des flüssigen Brennstoffes nötig. Pulsationen in der Leitung können durch die Elastizität des Elastomers 36 gedämpft werden.
  • Figur 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das eine Fahrzeugheizung mit einer erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe umfasst. Die dargestellte Kraftfahrzeugheizung 10 kann beispielsweise eine Zusatz- oder Standheizung sein. Brennstoff wird von einem Brennstofftank durch die Hubkolbenpumpe 16 zu einer Brenner/Wärmetauschereinheit 14 gefördert.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Kraftfahrzeugheizung
    12
    Brennstofftank
    14
    Brenner/Wärmetauschereinheit
    16
    Hubkolbenpumpe
    18
    Einlass
    20
    Auslass
    22
    Wicklung
    24
    Hubkolben
    26
    Rückstellfeder
    28
    Rückschlagventil
    30
    Förderkammer
    32.
    Nachsaugventil
    34
    Dämpfungselement
    36
    Elastomer
    38
    Kammer
    40
    Bohrung
    42
    elektrischer Anschluss
    44
    Gehäuseteil
    46
    Aufschlagdämpfer aus Elastomer
    48
    Aufschlagdämpfer aus Elastomer
    50
    Kernflansch
    52
    Stab
    54
    Rohr
    56
    Pumpenraum
    58
    Bohrung

Claims (7)

  1. Hubkolbenpumpe (16) mit
    - einem elektromagnetisch antreibbaren, mit einer Rückstellfeder (26) gelagerten Hubkolben (24) zum Fördern einer Flüssigkeit,
    - einem Aufschlagdämpfer aus Elastomer (46) zum Dämpfen eines Aufschlages des Hubkolbens (24) am Ende einer Förderphase,
    - einem dem Hubkolben (24) gegenüberliegenden Kernflansch (50), wobei zwischen dem Hubkolben (24) und dem Kernflansch (50) ein von der Position des Hubkolbens (24) abhängiger Spalt gegeben ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die kinetische Energie des Hubkolbens (24) während eines frühen Förderintervalls einer Förderphase hauptsächlich durch die Rückstellfeder (26) und die Förderung der Flüssigkeit absorbiert wird und
    - dass die kinetische Energie des Hubkolbens (24) während eines späten Förderintervalls einer Förderphase hauptsächlich durch die hydraulische Dämpfung der in dem Spalt vorhandenen Flüssigkeit absorbiert wird.
  2. Hubkolbenpumpe (16) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen Kernflansch (50) und Hubkolben (24) vorhandene Spalt minimiert wird, um die hydraulische Dämpfung zum Abbremsen des Hubkolbens (24) vor Berührung des Aufschlagdämpfers (46) bei seinem Endanschlag am Ende der Förderphase aufzubauen.
  3. Hubkolbenpumpe (16) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufschlagdämpfung des Hubkolbens (24) am Ende einer Nachsaugphase ein Aufschlagdämpfer aus Elastomer (48) vorgesehen ist.
  4. Hubkolbenpumpe (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung von durch die Hubkolbenpumpe (16) erzeugten Pulsationen in einer Förderleitung ein ein Elastomer (36) umfassendes Dämpfungselement (34) vorgesehen ist.
  5. Hubkolbenpumpe (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite zwischen Hubkolben (24) und Kernflansch (50) in radialer Richtung senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Hubkolbens (24) am Ende der Förderphase zwischen 1,0 und 0,1 mm liegt.
  6. Hubkolbenpumpe (16) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite zwischen Hubkolben (24) und Kernflansch (50) in radialer Richtung senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Hubkolbens (24) am Ende der Förderphase zwischen 0,5 und 0,3 mm liegt.
  7. Kraftfahrzeugheizung (10), mit einer Hubkolbenpumpe (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die dafür vorgesehen ist flüssigen Brennstoff zu fördern.
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