WO2020074288A1 - Fluidpumpe, wasserfördereinheit, wassereinspritzsystem, verbrennungsmotor und fahrzeug - Google Patents

Fluidpumpe, wasserfördereinheit, wassereinspritzsystem, verbrennungsmotor und fahrzeug Download PDF

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Fluid pump Water delivery unit, water injection system, combustion engine and vehicle
  • the invention relates to a fluid pump for conveying a liquid fluid.
  • the invention further relates to a water delivery unit with such a fluid pump and a water injection system with such a water delivery unit.
  • the invention further relates to an internal combustion engine that is operated with such a water injection system, and a vehicle with such an internal combustion engine.
  • a vehicle is to be understood here to mean any type of vehicle which must be supplied with a liquid fuel for operation, but in particular passenger cars and / or commercial vehicles. Furthermore, the vehicle can also be a partially electric vehicle, but in particular personal vehicles and / or commercial vehicles.
  • Water injection is about cooling the combustion air further than a charge air cooler in a supercharged internal combustion engine.
  • a water spray is used especially at high speeds - e.g. injected into the collector of a suction module, which, due to its evaporation, cools down the combustion air before it flows into a cylinder. This is more sensible than ever, especially in today's downsizing era.
  • An operating method of an internal combustion engine is known from the two publications WO 2012/045 452 and EP 2 789 839 A2, in which water is injected into a combustion chamber.
  • One object of the invention is to address the problem of water icing in a water pump used for this purpose.
  • a fluid pump placed under protection according to claim 1.
  • the use of such a fluid pump as a water pump of a water delivery unit is also proposed and placed under protection (cf. claim 7).
  • a water delivery unit, a water injection system, an internal combustion engine and a vehicle are proposed and placed under protection (see claims 8 to 11).
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of at under claims.
  • An icing-related expansion of the fluid is to be understood as the icing of the fluid, which forms outside of an operation of the fluid pump at correspondingly low temperatures.
  • a liquid fluid is to be understood primarily as water.
  • Such a urea-water solution is available under the trade name AdBlue®. It can e.g. a 32.5% urea-water solution that freezes as such at approx. -11 ° C.
  • the proposed compensating element acts in the sense of a freeze protection element, which contributes to ensuring the operation of the fluid pump.
  • the tube is a dimensionally stable foam element. It is also proposed to provide a pump stage housing with a cover, a pump stage housing part and the cover forming a receptacle for the pump impeller.
  • the pump impeller can be formed in the form of a side channel pump impeller and / or a peripheral channel pump impeller.
  • the pump stage can advantageously have at least one element molded from a plastic.
  • Fig. 1 shows a proposed water pump in a first and second perspective view
  • Fig. 2 shows the water pump shown in Fig. 1 in a
  • the water pump 2 is part of a water delivery unit for use in a water injection system, which in turn is provided for injecting water - that can be, for example, distilled and / or demineralized water or just water - into an internal combustion engine of a vehicle.
  • the water conveyor unit is arranged on a water tank, which as such, depending on the construction of the vehicle, is different Places can be accommodated, for example in a spare wheel well of a trunk.
  • the water pump 2 comprises an electric motor 4 designed as a dry rotor and an internal rotor and a pump stage 6 driven by this electric motor 4 in the form of a flow pump stage, which comprises a pump impeller 12 in the form of a side channel pump impeller.
  • the pump impeller 12 can be designed in the form of a side channel pump impeller and / or a peripheral channel pump impeller.
  • a stator of the electric motor 4 enclosing a rotor is positively joined to the pump stage 6 (cf. FIG. 2).
  • the pump stage 6 is in a region of a pump-side shaft end of the rotor which extends into the pump stage 6 through the pump impeller 12 by means of a e.g. three-part seal sealed to the electric motor 4.
  • round cord rings can also be used, for example as part of a two-part or multi-part seal.
  • round cord rings are made of a round cord and butt-glued or butt-vulcanized sealing rings. The round cord can be extruded. This inevitably results in a joint on the circumference at which the ends of the round cord are glued or vulcanized.
  • the flow pump stage 6 further comprises a pump stage housing having the cover 10, a pump stage housing part 8 being joined to the cover 10.
  • the pump stage housing part 8 and the cover 10 form a receptacle of the pump impeller 12.
  • An inlet E of the water pump 2 or the pump stage 6 is formed on a section 9 of the pump stage housing part 8, whereas an outlet A of the water pump 2 or the Pump stage 6 is integrally formed on a section 11 of the cover 10.
  • a hollow body or insert element in the form of a tube 14, 16 is inserted in a clamping manner, which lines the inlet E or the outlet A in sections.
  • the two tubes 14, 16 are each designed in the form of a cylinder.
  • the cross-sectional shape of the cylinder can correspond to that of a circular ring or at least be substantially circular.
  • the tubes 14, 16 are formed from a dimensionally stable foam element.
  • the foam element is formed from a dimensionally stable, closed-pore, gas-filled foam material which is reversibly deformable by the liquid water and by the ice flow of the water over the life of the water pump 2.
  • the foam material is also over the life of the water pump 2 permanently elastic over all operating temperatures of the water pump and at correspondingly low temperatures to which the water pump can be exposed outside of a water pump operation and under which the water in the water pump freezes.
  • the foam material is also such that neither the gas emerges from the foam material nor the liquid water diffuses into the foam material.
  • the foam material is dimensionally stable in all working pressure ranges of the water pump.
  • the foam material assumes such a shape again even after compression or deformation by said ice channel and after the water has liquefied.
  • the two tubes 14, 16 act in the sense of anti-freeze elements and contribute to ensuring the operation of the water pump 2 by elastically absorbing an ice flow of the water which occurs in inlet E or outlet A, outside operation of the water pump 2.

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Abstract

Es wird eine Fluidpumpe 2 zur Förderung eines flüssigen Fluids vorgeschlagen, umfassend: • - einen Elektromotor 4 und • - eine durch den Elektromotor 4 angetriebene, ein Pumpenlaufrad 12 aufweisende Pumpenstufe 6. Dabei wird vorgeschlagen, ein erstes, als Ausgleichselement fungierendes elastisches Röhrchen 14 in einem Einlass E der Fluidpumpe 2 und/oder ein zweites, als Ausgleichselement fungierendes elastisches Röhrchen 16 in einem Auslass A der Fluidpumpe 2 anzuordnen. Das jeweilige Röhrchen 14, 16 kleidet dabei den Einlass E oder den Auslass A aus und nimmt eine sich im Einlass E oder Auslass A einstellende, vereisungsbedingte Ausdehnung des Fluids elastisch auf. Des Weiteren werden eine Wasserfördereinheit mit einer solchen Fluidpumpe, ein Wassereinspritzsystem mit einer solchen Wasserfördereinheit, ein Verbrennungsmotor mit einem solchen Wassereinspritzsystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Verbrennungsmotor vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Fluidpumpe, Wasserfördereinheit, Wassereinspritzsystem, Ver brennungsmotor und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe zur Förderung eines flüssigen Fluids. Die Erfindung betrifft ferner eine Wasser fördereinheit mit einer solchen Fluidpumpe und ein Wasser einspritzsystem mit einer solchen Wasserfördereinheit. Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor, der mit einem solchen Wassereinspritzsystem betrieben wird, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Verbrennungsmotor.
Unter einem Fahrzeug ist dabei jede Art von Fahrzeug zu verstehen, welches zum Betrieb mit einem flüssigen Kraftstoff versorgt werden muss, insbesondere aber Personenkraftwagen und/oder Nutzfahrzeuge. Ferner kann es sich beim Fahrzeug auch um ein teilelektrisches Fahrzeug handeln, insbesondere aber um Per sonenkraftwagen und/oder Nutzfahrzeuge.
Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von Wasser im Sinne eines Additivs zur Einspritzung in einen Verbrennungsmotor bekannt. Die Wassereinspritzung dient dabei der Verbrauchs reduktion sowie der Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors.
Bei der Wassereinspritzung geht es darum, die Verbrennungsluft weiter herunter zu kühlen, als das mit einem Ladeluftkühler eines aufgeladenen Verbrennungsmotors gelingt. Dabei wird vor allem bei hohen Drehzahlen ein Wassersprühnebel - z.B. in den Sammler eines Saugmoduls - eingespritzt, welcher infolge seiner Ver dunstung die Verbrennungsluft herunterkühlt, bevor sie in einen Zylinder strömt. Insbesondere in den heutigen Zeiten des "Downsizings" ist das sinnvoller denn je.
Aus den beiden Druckschriften WO 2012/045 452 und EP 2 789 839 A2 ist je ein Betriebsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, bei dem Wasser in einen Brennraum eingespritzt wird. Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, der Problematik einer Wasservereisung in einer zu diesem Zweck verwendeten Wasserpumpe zu begegnen.
Diese Aufgabe wird durch eine gemäß Anspruch 1 unter Schutz gestellte Fluidpumpe gelöst. Es wird ferner eine Verwendung einer solchen Fluidpumpe als Wasserpumpe einer Wasserfördereinheit vorgeschlagen und unter Schutz gestellt (vgl. Anspruch 7) . Des Weiteren werden eine Wasserfördereinheit, ein Wassereinspritz system, ein Verbrennungsmotor sowie ein Fahrzeug vorgeschlagen und unter Schutz gestellt (vgl. Ansprüche 8 bis 11) . Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche .
Unter einer vereisungsbedingten Ausdehnung des Fluids ist der Eisgang des Fluids zu verstehen, der sich außerhalb eines Betriebs der Fluidpumpe bei entsprechend tiefen Temperaturen bildet .
Unter einem flüssigen Fluid ist dabei in erster Linie Wasser zu verstehen. Grundsätzlich aber eignet sich die vorgeschlagene Fluidpumpe auch zur Förderung einer Harnstoff-Wasser-Lösung zur Verwendung in einem Abgasreinigungssystem (Abgasreinigungsver fahren SCR-Verfahren; SCR = Selective Catalytic Reduction) .
Eine solche Harnstoff-Wasser-Lösung ist unter dem Handelsnamen AdBlue® erhältlich. Dabei kann es sich z.B. um eine 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung handeln, die als solche bei ca. -11°C einfriert .
Das vorgeschlagene Ausgleichselement wirkt im Sinne eines Einfrierschutzelements, welches zur Sicherung eines Betriebs der Fluidpumpe beiträgt.
Dabei wird vorgeschlagen, das Röhrchen als formstabiles Schaum element auszubilden. Ferner wird vorgeschlagen, ein Pumpenstufengehäuse mit einem Deckel vorzusehen, wobei ein Pumpenstufengehäuseteil und der Deckel eine Aufnahme des Pumpenlaufrades bilden.
Dabei wird vorgeschlagen, den Einlass der Fluidpumpe am Pumpen stufengehäuseteil und den Auslass der Fluidpumpe am Deckel auszubilden .
Das Pumpenlaufrad kann dabei in Gestalt eines Seitenkanalpumpen laufrades und/oder eines Peripheralkanalpumpenlaufrades aus gebildet sein.
Zur Kosten und Gewichtseinsparung kann die Pumpenstufe vorteil hafterweise zumindest ein aus einem Kunststoff gespritztes Element aufweisen.
Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren darstellungen im Einzelnen erläutert. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Hierzu zeigen, teilweise schematisiert:
Fig. 1 eine vorgeschlagene Wasserpumpe in einer ersten und zweiten perspektivischen Darstellung und
Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Wasserpumpe in einer
Schnittdarstellung .
Die Wasserpumpe 2 ist Teil einer Wasserfördereinheit zur Ver wendung in einem Wassereinspritzsystem, welches wiederum zur Einspritzung von Wasser - das kann z.B. destilliertes und/oder demineralisiertes Wasser oder auch nur Wasser sein - in einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Was serfördereinheit ist dabei an einem Wassertank angeordnet, der als solcher je nach Konstruktion des Fahrzeugs an verschiedenen Stellen untergebracht sein kann, etwa in einer Reserverad-Mulde eines Koffer- raums .
Die Wasserpumpe 2 umfasst einen als Trockenläufer und Innenläufer ausgebildeten Elektromotor 4 sowie eine durch diesen Elektro motor 4 angetriebene Pumpenstufe 6 in Gestalt einer Strömungs pumpenstufe, welche ein Pumpenlaufrad 12 in Gestalt eines Seiten kanalpumpenlaufrades umfasst. Grundsätzlich kann aber das Pumpenlaufrad 12 in Gestalt eines Seitenkanalpumpenlaufrades und/oder eines Peripheralkanalpumpenlaufrades ausgebildet sein. Ein einen Rotor umschließender Stator des Elektromotors 4 ist dabei mit der Pumpenstufe 6 formschlüssig gefügt (vgl. Fig. 2) .
Die Pumpenstufe 6 ist in einem Bereich eines pumpenseitigen, sich in die Pumpenstufe 6 bis durch das Pumpenlaufrad 12 erstreckenden Wellenendes des Rotors mittels einer z.B. dreiteiligen Dichtung gegenüber dem Elektromotor 4 abgedichtet.
Alternativ zu einer solch mehrteiligen Dichtung können grund sätzlich auch sogenannte Rundschnurringe verwendet werden, etwa auch als Bestandteil einer zwei- oder mehrteiligen Dichtung. Solche Rundschnurringe sind im Gegensatz zu Elastomer-O-Ringen aus einer Rundschnur gefertigte und stoßgeklebte bzw. stoß vulkanisierte Dichtringe. Die Rundschnur kann dabei extrudiert sein. Dadurch ergibt sich zwangsläufig eine Stoßstelle am Umfang, an welcher die Enden der Rundschnur verklebt bzw. vulkanisiert werden .
Die Strömungspumpenstufe 6 umfasst ferner ein den Deckel 10 aufweisendes Pumpenstufengehäuse, wobei ein Pumpenstufenge häuseteil 8 mit dem Deckel 10 gefügt ist. Das Pumpenstufen gehäuseteil 8 und der Deckel 10 bilden dabei eine Aufnahme des Pumpenlaufrades 12. Ein Einlass E der Wasserpumpe 2 bzw. der Pumpenstufe 6 ist dabei an einem Abschnitt 9 des Pumpenstufen gehäuseteils 8 angeformt, wohingegen ein Auslass A der Wasser pumpe 2 bzw. der Pumpenstufe 6 an einem Abschnitt 11 des Deckels 10 angeformt ist. Aus Fertigungsgründen wird ferner vorgeschlagen, das Pumpen stufengehäuseteil 8, den Deckel 10 sowie das Pumpenlaufrad 12 jeweils als ein gespritztes Kunststoffelement auszubilden. Dadurch werden Kosten und Gewicht eingespart.
Sowohl im Einlass E als auch im Auslass A ist jeweils ein Hohl körper bzw. Einsatzelement in Gestalt eines Röhrchens 14, 16 klemmend eingesetzt, welches den Eingang E bzw. den Ausgang A abschnittsweise auskleidet . Die beiden Röhrchen 14 , 16 sind dabei jeweils in Gestalt eines Zylinders ausgebildet. Die Quer schnittsform des Zylinders kann dabei der eines Kreisrings entsprechen oder aber zumindest im Wesentlichen kreisringförmig sein. Die Röhrchen 14, 16 sind dabei aus einem formstabilen Schaumelement ausgebildet.
Das Schaumelement ist dabei aus einem formstabilen, geschlossen porigen, mit einem Gas gefüllten Schaummaterial ausgebildet, welches über eine Lebensdauer der Wasserpumpe 2 durch das flüssige Wasser sowie durch den Eisgang des Wassers reversibel verformbar ist. Das Schaummaterial ist ferner über die Lebens dauer der Wasserpumpe 2 dauerelastisch über alle Betriebs temperaturen der Wasserpumpe sowie über entsprechend tiefe Temperaturen, denen die Wasserpumpe außerhalb eines Betriebes der Wasserpumpe ausgesetzt sein kann und unter denen das Wasser in der Wasserpumpe gefriert. Das Schaummaterial ist ferner so beschaffen, dass weder das Gas aus dem Schaummaterial austritt noch das flüssige Wasser in das Schaummaterial eindiffundiert.
"Formstabil" bedeutet dabei, dass das Schaummaterial im flüssigen Zustand des Wassers stets eine den jeweiligen
Druckverhältnissen innerhalb des Eingangs E oder Ausgangs A entsprechende Form annimmt. Das Schaummaterial ist dabei in allen Arbeitsdruckbereichen der Wasserpumpe formstabil. Auch nach einer Stauchung bzw. Verformung durch den besagten Eisgang und nachdem sich das Wasser verflüssigt hat, nimmt das Schaummaterial wieder eine solche Form an. Die beiden Röhrchen 14, 16 fungieren dabei im Sinne von Einfrier- schutzelementen und tragen zur Sicherung eines Betriebs der Wasserpumpe 2 bei, indem sie einen sich im Einlass E bzw. Auslass A, außerhalb eines Betriebs der Wasserpumpe 2 einstellenden Eisgang des Wassers elastisch aufnehmen.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Aus führungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplari schen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Claims

Patentansprüche
1. Fluidpumpe (2) zur Förderung eines flüssigen Fluids,
umfassend : einen Elektromotor (4) und
eine durch den Elektromotor (4) angetriebene, ein Pumpen laufrad (12) aufweisende Pumpenstufe (6), wobei ein erstes, als Ausgleichselement fungierendes elas tisches Röhrchen (14) in einem Einlass (E) der Fluidpumpe (2) und/oder ein zweites, als Ausgleichselement fungierendes elasti sches Röhrchen (16) in einem Auslass (A) der Fluidpumpe (2) angeordnet ist/sind, wobei das jeweilige Röhrchen (14, 16) den Einlass (E) oder den Auslass (A) auskleidet und eine sich im Einlass (E) oder Auslass (A) einstellende, vereisungsbedingte Ausdehnung des Fluids elastisch aufnimmt.
2. Fluidpumpe (2) nach Anspruch 1, wobei das Röhrchen (14, 16) als formstabiles Schaumelement ausgebildet ist.
3. Fluidpumpe (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpenstufe (6) ein Pumpenstufengehäuse mit einem Deckel (10) aufweist, wobei ein Pumpenstufengehäuseteil (8) und der Deckel (10) eine Aufnahme des Pumpenlaufrades (12) bilden.
4. Fluidpumpe (2) nach Anspruch 3, wobei der Einlass (E) am Pumpenstufengehäuseteil (10) und der Auslass (A) am Deckel (10) ausgebildet sind.
5. Fluidpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Pumpenlaufrad (12) in Gestalt eines Seitenkanalpumpenlauf rades und/oder eines Peripheralkanalpumpenlaufrades aus gebildet ist.
6. Fluidpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pumpenstufe (6) zumindest ein aus einem Kunststoff ge spritztes Element (8, 10, 12) aufweist.
7. Verwendung einer Fluidpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Wasserpumpe einer Wasserfördereinheit.
8. Wasserfördereinheit zur Verwendung in einem Wasserein spritzsystem zur Einspritzung von Wasser in einen Verbren nungsmotor, wobei die Wasserfördereinheit eine Fluidpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
9. Wassereinspritzsystem zur Einspritzung von Wasser in einen Verbrennungsmotor, wobei das Wassereinspritzsystem eine Wasserfördereinheit nach Anspruch 8 aufweist.
10. Verbrennungsmotor mit einem Wassereinspritzsystem nach Anspruch 9.
11. Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 10.
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