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Dokumentenidentifikation DE19506040C2 27.11.1997
Titel Zweistufige Kraftstoffpumpe
Anmelder Walbro Corp., Cass City, Mich., US
Erfinder Tuckey, Charles H., Cass City, Mich., US
Vertreter Patentanwälte Hauck, Graalfs, Wehnert, Döring, Siemons, 80336 München
DE-Anmeldedatum 21.02.1995
DE-Aktenzeichen 19506040
Offenlegungstag 18.01.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse F04D 5/00
IPC-Nebenklasse F02M 37/08   F02M 37/20   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zweistufige Kraftstoffpumpe in Seitenkanal-Bauart nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere eine Kraftstoffpumpe für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.

Seitenkanalpumpen sind bekannt, wie z. B. die US 4,408,952 zeigt. Sogenannte Peripheralpumpen sind ebenfalls bekannt, wie die US 4,556,363 zeigt. Ferner sind zweistufige Kraftstoffpumpen bekannt, bei denen eine Seitenkanalpumpe als erste Pumpstufe und eine Peripheralpumpe als zweite Stufe dient, vgl. GB 2,134,598 und US 4,408,952.

Eine Pumpe mit einem Seitenkanal als erste Pumpenstufe und einer Verdrängerpumpe mit einem Zahnradläufer als zweite Pumpenstufe ist in der US 5,149,252 offenbart. Zweistufige Pumpen unter Verwendung eines einzigen Rotors zeigen die GB 2,134,598, die US 5,129,796 und die US 4,408,952. Das Konzept einer Dampfabscheidung ist ebenfalls in diesen Patenten sowie in der US 5,149,252 offenbart.

Eine zweistufige Kraftstoffpumpe in Seitenkanal-Bauart nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der oben erwähnten GB 2,134,598, insbesondere Fig. 4 und 6, bekannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zweistufige Pumpe in Seitenkanal-Bauart zu schaffen, bei der eine optimale Kraftstoff-Dampfabscheidung und ein möglichst hoher Wirkungsgrad der beiden Pumpenstufen erreicht werden.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffpumpe besitzt einen Rotor, der in einem abgedichteten Gehäuse mit einem Einlaß an einem Ende und einem Auslaß an dem anderen Ende arbeitet. Der Rotor besitzt drei Funktionsbereiche. An dem äußeren Umfang befinden sich Schaufeln, die in einem ringförmigen äußeren Seitenkanal als zweite Pumpenstufe arbeiten, welche den erwünschten hohen Druck erzeugt und den flüssigen Kraftstoff der Pumpenkammer und dem Auslaß zuführt. Radial innerhalb des Umfangs befinden sich zwei radial beabstandete Reihen von Schaufeln, die axiale Kanäle in dem Rotor bilden. Die erste, äußere Reihe arbeitet unter einem ringförmigen Seitenkanal und bildet somit die erste Pumpenstufe, die Kraftstoff an eine zentrale Wirbelkammer oberhalb und unterhalb des Rotors abgibt. Die zweite, innere Reihe von Schaufeln und axialen Kanälen ermöglicht, daß Kraftstoff durch den Rotor zu der Wirbelkamme strömt. Die Wirbelkammer besitzt am Boden eine zentrale Ablaßöffnung für Dampf und einen tangentialen Kraftstoffauslaß, der zu dem Einlaß der zweiten Pumpenstufe gerichtet ist.

Die erfindungsgemäß ausgebildete zweistufige Pumpe besitzt nur einen einzigen Rotor, der als erste Pumpenstufe in Form einer Seitenkanalpumpe sowie als zweite Pumpenstufe in Form einer Peripheralpumpe dient und im übrigen in gegenüberliegenden zentralen Ausnehmungen arbeitet, um die Dampfströmung wie auch die Strömung flüssigen Kraftstoffes zur zweiten Pumpenstufe zu kontrollieren. Die erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffpumpe zeichnet sich durch eine verbesserte Dampfabscheidung, einen erhöhten Wirkungsgrad, wirtschaftliche Herstellung und Zusammenbau sowie eine hohe Lebensdauer aus.

Anhand der Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Fahrzeug-Kraftstoffpumpe;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Kraftstoffpumpe unterhalb des Rotors entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Stirnplatte unterhalb des Rotors entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine Teilschnittansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen den Rotor umgebenden stationären äußeren Ring entlang der Linie 5-5 in Fig. 1;

Fig. 6 einen Schnitt durch den in Fig. 5 gezeigten Ring entlang der Linie 6-6 in Fig. 5;

Fig. 7 eine Draufsicht auf den Rotor;

Fig. 8 eine fragmentarische Seitenansicht des Randes des Rotors entlang der Linie 8-8 in Fig. 7;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 7 gezeigten Rotors;

Fig. 10 eine Draufsicht auf eine obere Stirnplatte, die oberhalb des Rotors angeordnet ist;

Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 in Fig. 10;

Fig. 12 eine Schnittansicht entlang der Linie 12-12 in Fig. 10;

Fig. 13 ein Spiegelbild der Unterseite der in den Fig. 10, 11 und 12 gezeigten oberen Stirnplatte, die so gerichtet ist, daß sie der Ausrichtung der Fig. 2, 3, 5 und 10 entspricht.

Fig. 1 ist eine volle Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffpumpe, bei der einige der Kanäle zu Veranschaulichungszwecken in die Schnittebene gedreht sind. Die in den Fig. 2 bis 13 gezeigten tatsächlichen Bauteile unterschieden sich etwas von der Schnittansicht in Fig. 1. Ein Einlaßgehäuse 20 ist an einem Ende und ein Auslaßgehäuse 22 an dem anderen Ende der Kraftstoffpumpe angeordnet. Das Auslaßgehäuse 22 weist einen Kraftstoffauslaß 24 auf und trägt Bürsten 26, 28, die für einen umlaufenden Anker 30 vorgesehen sind. Der Anker 30 wird von Permanentmagneten 32 und einem Magnetflußring 34 eines elektrischen Antriebsmotors umgeben. Die Funktionsteile sind in einem metallischen Mantel 36 untergebracht, der an jedem Ende um einen O-Ring 38 gezogen ist.

Die Grundteile der Kraftstoffpumpe umfassen das Einlaßgehäuse 20, eine untere Stirnplatte 40, einen Rotorring 42, einen Rotor 50 und eine obere Stirnplatte 52. Das Einlaßgehäuse 20 bildet eine Basisplatte für die Kraftstoffpumpe und besitzt einen Kraftstoffeinlaß 60, der sich zu einem vertikalen Kanal 62 verjüngt. Zentral zu dem Einlaßgehäuse 20 ist eine der Dampfabscheidung dienende Wirbelkammer 64 angeordnet, die einen tangential verlaufenden Auslaß 66 aufweist (s. auch Fig. 2). Die Wirbelkammer 64 verjüngt sich zu einer Bodenwand 68 hin, die mit einem Dampfauslaß 70 versehen ist. Eine Orientierungsnut 72 dient dazu, bei der Positionierung der Teile in Umfangsrichtung mitzuhelfen.

Oberhalb des Einlaßgehäuses 20 befindet sich die untere Stirnplatte 40, die in Draufsicht in Fig. 3 dargestellt ist. Die Stirnplatte 40 liegt unterhalb des Rotors 50 und ist mit einem ringförmigen Seitenkanal 80 versehen, der von einem Durchgangskanal 82 ausgeht, welcher zu dem tangential verlaufenden Kanal 66 des Einlaßgehäuses 20 ausgerichtet ist. Ein Kanal 84 in Fig. 3 fluchtet mit dem Kraftstoffeinlaß-Kanal 62 der Fig. 2. Wenn die untere Stirnplatte 40 der Fig. 3 auf dem Einlaßgehäuse 20 der Fig. 2 liegt, fluchtet der Kanal 82 mit dem Kanal 66 in Fig. 2. Zentral zu der Platte 40 ist eine kreisförmige Öffnung 86 angeordnet, die mit der Wirbelkammer 64 des Einlaßgehäuses 20 fluchtet. Eine in Fig. 3 gezeigte Öffnung 88 stellt das Ende des Seitenkanals 80 dar und bildet eine Einlaßöffnung für die zweite (Hochdruck-)Pumpenstufe. Die Drehung des Rotors 50 erfolgt entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 3.

Oberhalb der unteren Stirnplatte 40 befindet sich der Rotorring 42, der in Draufsicht in Fig 5 und im Schnitt in Fig. 6 dargestellt ist. Der Ring 42 besitzt eine ringförmige innere Rippe 90, welche sich in Richtung auf jede Seite des Rings 42 verjüngt und um ungefähr 240° um den Ring 42 herum verläuft. Eine Nut 92 ist zu der Einlaßöffnung 82 (Fig. 3) der zweiten Pumpenstufe ausgerichtet, und eine Nut 93 ist zu der Auslaßöffnung 88 ausgerichtet (Fig. 3). Wenn der Ring 42 auf der unteren Stirnplatte 40 liegt (Fig. 3), fluchtet die Nut 92 mit der Öffnung 82 und die Nut 93 mit der Öffnung 88.

Oberhalb der Stirnplatte 40 befindet sich der mit dem Rotorring 42 zusammenwirkende Rotor 50, der in Draufsicht in Fig. 7, in Teilschnittansicht in Fig. 8 und in perspektivischer Ansicht in Fig. 9 dargestellt ist. Der Rotor 50 wird von der Ankerwelle 100 angetrieben, die durch ein zentrales Loch im Rotor 50 verläuft. Der Rotor 50 ist mit gestaffelten Schaufeln 102 und 104 versehen, die Taschen auf einer Seite bzw. Taschen auf der anderen Seite bilden, um eine Peripheralpumpe der in der US 5,257,916 und US 5,265,997 gezeigten Art zu bilden.

Der Rotor 50 unterscheidet sich jedoch von den vorbekannten Rotoren insofern, als er zwei radial beabstandete Reihen von axialen Öffnungen innerhalb des beschaufelten Umfanges besitzt. Die erste Reihe von sechzehn beabstandeten trapezförmigen Öffnungen 110 mit dazwischenliegenden Schaufeln 111 sind innerhalb des Umfangs angeordnet. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, fluchten diese Öffnungen 110 mit dem Einlaßkanal 62 bzw. 84. Die zweite Reihe von sechs im wesentlichen dreieckigen Öffnungen 120 und dazwischenliegenden Schaufeln 121 erstreckt sich um die zentrale Welle 100. Die Öffnungen 120 liegen über der zentralen Öffnung 86 in der unteren Stirnplatte 40.

Die obere Stirnplatte 52 ist oberhalb des Rotors 50 angeordnet und in den Fig. 10 bis 13 dargestellt. Die Ansicht der Fig. 13 ist ein Spiegelbild der Unterseite der Stirnplatte 52, die dem Rotor 50 zugewandt ist, der so ausgerichtet ist, daß er zu den Fig. 2, 3 und 10 paßt. Die Stirnplatte 52 besitzt eine zentrale Öffnung 130, die ein Lager 132 für die Ankerwelle 100 beherbergt. Eine ringförmige obere Nut 134 nimmt das untere Ende des Magnetflußringes 34 auf. Ein ringförmiger Seitenkanal 136 (Fig. 11-13) ist radial oberhalb der Öffnungen 110 des Rotors 50 und der zugehörigen Schaufeln 111 zwischen den Öffnungen angeordnet. Außerdem ist ein ringförmiger Seitenkanal 140 (Fig. 11-13) oberhalb der Schaufeln 102, 104 (Fig. 1) angeordnet und bildet somit einen Teil der zweiten (Hochdruck-)Pumpenstufe. In Fig. 12 erstreckt sich ein Hochdruck-Auslaßkanal 142 von dem Seitenkanal 140 zu der Ankerkammer, und er fördert Kraftstoff zu dem Pumpenauslaß 24. In der Unterseite der Stirnplatte 52 befindet sich eine Kammer 144, die oberhalb der Öffnungen 120 des Rotors (Fig. 1) und den sie trennenden Schaufeln 121 liegen. Sie befindet sich außerdem unmittelbar oberhalb der Öffnung 86 in der unteren Stirnplatte 40 und der Wirbelkammer 64 in dem Einlaßgehäuse 20.

Wenn die obere Stirnplatte 52 über dem Rotor 50 liegt, paßt ihre Orientierungsnut 72 zu der des Rotorringes 42, der unteren Stirnplatte 40 und des Einlaßgehäuses 20. Wenn, wie in Fig. 13 gezeigt ist, die Unterseite der Stirnplatte 52 auf dem Rotor 50 liegt und ihre Nut 72 ausgerichtet ist, ist der Hochdruck-Auslaß 142 ebenfalls zu dem Auslaßkanal 88 und der Nut 93 in dem Ring 42 ausgerichtet (Fig. 5). Der Auslaß 142 ist zur leichteren Erläuterung der Funktionsweise auf der linken Seite in Fig. 1 gezeigt; in der tatsächlichen oberen Stirnplatte 52, bei Betrachtung der Fig. 10, 12 und 13, befindet sich der Auslaß 142 jedoch auf der rechten Seite.

Der Eintritt von Kraftstoff erfolgt bei 150 in den oberen Seitenkanal 140 der Peripheralpumpe (Fig. 13), und die Drehung des Rotors 50 erfolgt entgegen dem Uhrzeigersinn in dem Seitenkanal 140 zu dem Hochdruck-Auslaß 142.

Die Funktionsweise der zweistufigen Kraftstoffpumpe wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, wenngleich die Anordnung der tatsächlichen Bauteile, wie oben erwähnt, in gewisser Weise von der in Fig. 1 gezeigten abweicht.

Der Einlaß 60 der Kraftstoffpumpe wird in flüssigem Kraftstoff in einem Kraftstofftank bzw. -reservoir mit geeigneten Filtern angeordnet. Bei Betrieb des elektrischen Motors und des Rotors 50 wird Kraftstoff durch die Kanäle 62, 84 und durchs die Öffnungen 110 zwischen den Schaufeln 111 in dem Rotor 50 zu dem Seitenkanal 136 (Fig. 11-13) der ersten Pumpenstufe gesaugt, wo er sich in Umfangsrichtung bewegt und in die Kammer 144 in der Stirnplatte 52 eintritt. Der in einem Wirbel strömende Kraftstoff gelangt dann durch die Öffnungen 120 in den Rotor 50 zu den Kammern 86 und 64 und erhält einen weiteren Drehimpuls, wenn er zwischen die Schaufeln 121 des Rotors 50 gelangt. Die Kammer 64 verjüngt sich zum Boden hin und mündet in den tangential verlaufenden Auslaß 66 (Fig. 1 und 2). Der schwerere flüssige Kraftstoff, der in der Kammer 64 in einem Wirbel strömt, bewegt sich zur Außenseite der Kammer und zu dem Auslaß 66, während der leichtere verdampfte Kraftstoff sich in der Mitte sammelt. Der verdampfte Kraftstoff kann durch den unteren zentralen Auslaß 70 austreten, während der flüssige Kraftstoff durch den tangentialen Kanal 66 nach oben durch den Kanal 82 in der unteren Stirnplatte 40 und nach oben zu dem Umfang der zweiten Stufe strömt, wo er bei 82 (Fig. 3 und 4) in den ebenfalls in Fig. 3 gezeigten unteren Seitenkanal 80 und den entsprechenden oberen Seitenkanal 140 in der oberen Stirnplatte 52 strömt (Fig. 11, 12 und 13). Der Kraftstoff in der zweiten Pumpenstufe bewegt sich durch die Kanäle 80 und 140 entgegen dem Uhrzeigersinn und gewinnt hierbei an Druck, bis er an den Kanälen 88 und 93 in den Auslaß 142 austritt, der in Fig. 1 schematisch und in den Fig. 10, 12 und 13 tatsächlich dargestellt ist. Dieser Hochdruckkraftstoff tritt in die Ankerkammer der Pumpe ein und erreicht den Pumpenauslaß 24, von wo er der Fahrzeug-Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Der Kraftstoff aus dem Pumpeneinlaß 60 gelangt somit nach oben durch die Öffnungen 110 in dem Rotor 50 zu der Kammer 144 und bewegt sich dann aus der Kammer 144 nach unten durch die Öffnungen 120 in dem Rotor 50 zu der Wirbelkammer 86, 64 und strömt tangential nach außen zu dem Kanal 66 und zu dem Einlaß der Seitenkanäle 80, 140 der zweiten Pumpenstufe. In der Zwischenzeit ist der Dampf durch Zentrifugalwirkung von dem flüssigen Kraftstoff in der Wirbelkammer abgeschieden worden, und er sammelt sich zentral zur Wirbelkammer 64 und tritt durch den Dampfauslaß 70 aus.


Anspruch[de]
  1. 1. Zweistufige Kraftstoffpumpe in Seitenkanal-Bauart, mit einem in einem Gehäuse vorgesehenen Kraftstoffeinlaß (60), der mit dem Einlaß eines als erste Stufe dienenden inneren Seitenkanals verbunden ist, dessen Auslaß in Umfangsrichtung zu seinem Einlaß beabstandet ist, einem als zweite Stufe dienenden äußeren Seitenkanal, der radial außerhalb des inneren Seitenkanals angeordnet und mit einem Kraftstoffauslaß verbunden ist, einem im Gehäuse angeordneten einzigen Rotor mit einer ersten Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Schaufeln, die in dem äußeren Seitenkanal umlaufen, sowie einer zweiten Reihe von Schaufeln, die axiale Öffnungen angrenzend an dem inneren Seitenkanal bilden, und einer Ablaßöffnung für Kraftstoffdampf, dadurch gekennzeichnet, daß zentral im Gehäuse eine Wirbelkammer (64) angeordnet ist, die mit dem Auslaß des inneren Seitenkanals (136) und über einen an ihrem Außenumfang angrenzenden Auslaß (66) mit dem Einlaß des äußeren Seitenkanals (140) verbunden ist, wobei die Kraftstoffdampf- Ablaßöffnung (70) zentral in der Wirbelkammer (64) angeordnet ist, und daß der Rotor mit einer dritten Reihe von Schaufeln (121) versehen ist, die axiale Öffnungen (120) im Bereich der Wirbelkammer (64) bilden, um Kraftstoff von dem inneren Seitenkanal (136) zu der Wirbelkammer (64) zu fördern.
  2. 2. Zweistufige Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Wirbelkammer (64) als tangential verlaufender Kanal (66) ausgebildet ist.
  3. 3. Zweistufige Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Ablaßöffnung (70) der Wirbelkammer (64) an der Unterseite der Wirbeikammer (64) angeordnet ist.
  4. 4. Zweistufige Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wirbelkammer (64) in Richtung auf die Unterseite des Gehäuses verjüngt.
  5. 5. Zweistufige Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenkanal-Auslaßkammer (144) oberhalb des Rotors (50) vorgesehen ist, die mit dem Auslaß des inneren Seitenkanals (136) in Verbindung steht und oberhalb der Wirbelkammer (64) sowie oberhalb der dritten Reihe von Schaufeln (121) angeordnet ist, wobei die axialen Öffnungen (120), die von der dritten Reihe von Schaufeln (121) gebildet werden, mit der Wirbelkammer (64) fluchten.






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