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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Einspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
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Stand der Technik
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Innenzahnradpumpen werden für verschiedenste Anwendungen zum Fördern von Fluiden eingesetzt. Innenzahnradpumpen weisen ein Innenzahnrad und ein Außenzahnrad auf. Dabei ist das Außenzahnrad konzentrisch um das Innenzahnrad angeordnet und ein Innenzahnring des Innenzahnrades greift in einen Außenzahnring des Außenzahnrades. Zwischen dem Innen- und Außenzahnrad bildet sich ein Arbeitsraum zum Fördern des Fluides aus. In einen Ansaugbereich des Arbeitsraumes strömt das zu fördernde Fluid ein. Bei hohen Temperaturen und/oder hohen Drehzahlen können wegen kleiner Strömungsräume für das Fluid an dem Ansaugbereich bei einer Flüssigkeit als zu förderndes Fluid der Dampfdruck der Flüssigkeit unter den statischen Druck absinken, so dass sich Dampfblasen bilden, Kavitation auftritt und die Förderleistung der Innenzahnradpumpe absinkt.
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Die
EP 1 933 033 A1 zeigt eine Innenzahnradpumpe mit einem integrierten Elektromotor. Der Rotor des Elektromotors stellt dabei auch das Innenzahnrad der Innenzahnradpumpe dar. Dabei weist der Rotor Permanentmagnete auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße Innenzahnradpumpe oder Zahnring-(Gerotor)pumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Fördern eines Fluides, umfassend ein Innenzahnrad mit einem Innenzahnring, ein Außenzahnrad mit einem Außenzahnring, wobei die Zähne des Innen- und Außenzahnrades ineinander greifen, einen zwischen dem Innenzahnrad und dem Außenzahnrad sich ausgebildeten Arbeitsraum, wobei das Außenzahnrad mit wenigstens einem Strömungskanal zur Vergrößerung des Arbeitsraumes zwischen dem Innen- und Außenzahnrad versehen ist. Die Strömungsverluste bzw. die hydraulischen Verluste des zu fördernden Fluides können damit verringert werden. In einem Ansaugbereich als Teil des Arbeitsraumes kann damit der statische Druck erhöht werden, so dass das Risiko einer Bildung von Dampfblasen oder von Kavitation verringert wird. Die Förderleistung wird wegen der geringeren hydraulischen Verluste erhöht.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das Außenzahnrad mit mehreren Strömungskanälen versehen.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der wenigstens eine Strömungskanal an einem Zahngrund des Außenzahnrades ausgebildet und/oder der wenigstens eine Strömungskanal ist außerhalb des im Volumen veränderbaren Teils des Arbeitsraumes ausgebildet und vorzugsweise beträgt das Volumen eines Strömungskanales wenigstens 10%, 20%, 30%, 40%, 50% oder 70% des maximalen Volumens des im Volumen veränderbaren Teils des Arbeitsraumes zwischen zwei Zähnen des Innenzahnrades und dem Außenzahnrad.
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In einer Variante ist an wenigstens 30%, 50%, 80% oder 90% der Zahngründe des Außenzahnrades je ein Strömungskanal ausgebildet.
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Vorzugsweise nimmt die Größe des wenigstens einen Strömungskanales in Richtung einer Rotationsachse des Innen- oder Außenzahnrades und/oder in Strömungsrichtung des zu fördernden Fluides in dem Arbeitsraum ab und/oder die Ausdehnung des wenigstens einen Strömungskanales ist in Richtung der Rotationsachse des Innen- oder Außenzahnrades um das 1-, 2-, 3- oder 5-Fache größer als senkrecht zu der Rotationsachse.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine Strömungskanal in Richtung einer Rotationsachse des Innen- oder Außenzahnrades und/oder in Strömungsrichtung des zu fördernden Fluides nur teilweise ausgebildet.
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Zweckmäßig ist die Innenzahnradpumpe als eine Innenzahnradpumpe mit integriertem Elektromotor ausgebildet ist. Die Innenzahnradpumpe mit integriertem Elektromotor weist damit einen kleinen und kompakten Aufbau auf.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist der Elektromotor einen Stator und einen Rotor auf und das Außenzahnrad ist durch den Rotor gebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine Strömungskanal Bestandteil des Arbeitsraumes.
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Insbesondere ist das Außenzahnrad mit Permanentmagneten versehen, so dass die Elektromaschine eine permanentmagneterregte Elektromaschine ist.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Stator konzentrisch um den Rotor ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Stator Spulen als Elektromagnete auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Rotor innerhalb des Stators ausgebildet.
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Insbesondere weist der Rotor keine Permanentmagnete, sondern Rotorzähne auf und der Elektromotor ist ein Reluktanzelektromotor.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Rotor an einem Innenabschnitt am Außenzahnring aus einem anderen Material und/oder weist einen anderen Aufbau auf als an einem Außenabschnitt. Der Rotor ist am Innenabschnitt mit dem Außenzahnring hohen mechanischen Beanspruchen ausgesetzt, weil der Außenzahnring in den Innenzahnring des Innenzahnrades eingreift. Am Außenabschnitt ist der Rotor keinen derartigen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt und muss lediglich den Bedürfnissen des Reluktanzelektromotors genügen, beispielsweise aus weichmagnetischem Material bestehen, für die Funktionsfähigkeit des Reluktanzelektromotors.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Innenabschnitt wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, von einer Buchse gebildet und der Außenabschnitt besteht aus mehreren mit von einer Isolierung umgebenen Blechplatten. Die Blechplatten bestehen aus Eisen als weichmagnetisches Material. Die Ausbildung der Blechplatten mit einer Isolierschicht um die Blechplatten herum ist erforderlich, damit sich am Außenabschnitt keine Wirbelströme bilden, welche die Funktionsfähigkeit des Reluktanzelektromotors verringern. An der Buchse ist dabei der Außenzahnring ausgebildet mit einer hohen mechanischen Verschleißfestigkeit.
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In einer Variante besteht der Rotor wenigstens teilweise aus Sinterstahl.
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Zweckmäßig besteht der Außenabschnitt des Rotors wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Sinterstahl.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Rotor axiale Ausnehmungen auf. Für die Funktionsfähigkeit des Rotors als Außenzahnrad bei einem Reluktanzelektromotor als integrierten Elektromotor benötigt der Rotor Rotorzähne.
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In einer ergänzenden Variante ist das Innenzahnrad exzentrisch gelagert.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Stator Spulen als Elektromagnete auf.
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Erfindungsgemäßes Einspritzsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors oder zum Einspritzen eines Abgasnachbehandlungsmediums, z. B. eine Harnstoff-Wasser-Lösung, in ein Abgasrohr eines Verbrennungsmotors mit einer Pumpe zum Fördern des Kraftstoffes oder des Abgasnachbehandlungsmediums, wobei die Pumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Innenzahnradpumpe ausgebildet ist.
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Zweckmäßig weist die Innenzahnradpumpe ein Gehäuse auf und vorzugsweise sind in einem von dem Gehäuse eingeschlossenen Innenraum das Innen- und Außenzahnrad angeordnet.
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In einer weiteren Variante umfasst die Innenzahnradpumpe eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung an dem Gehäuse für das Fluid, die in den Arbeitsraum münden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen Querschnitt einer Innenzahnradpumpe,
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2 ein Detailquerschnitt des Innen- und Außenzahnrades der Innenzahnradpumpe gemäß 1,
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3 einen Schnitt A-A des Außen- und Innenzahnrades gemäß 2,
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4 einen vereinfachten Längsschnitt der Innenzahnradpumpe mit einer Lagerung für einen Rotor
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5 eine stark schematisierte Ansicht eines Einspritzsystems in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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6 eine stark schematisierte Ansicht eines Einspritzsystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
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7 eine Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Innenzahnradpumpe 1 mit einem integrierten Elektromotor 2 dargestellt. Die Innenzahnradpumpe 1 dient zum Fördern eines Fluides, z. B. Kraftstoff oder eines Abgasnachbehandlungsmediums, in einem Einspritzsystem 3.
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Die Innenzahnradpumpe 1 weist ein Innenzahnrad 5 mit einem Innenzahnring 6 und ein Außenzahnrad 8 mit einem Außenzahnring 9 auf. Zähne 7 des Innenzahnringes 6 greifen dabei in Zähne 10 des Außenzahnringes 8. Zwischen dem Innenzahnrad 5 und dem Außenzahnrad 8 bildet sich ein Arbeitsraum 32 zum Fördern des Fluides aus. Das Außenzahnrad 8 ist dabei an einem Rotor 12 des Elektromotors 2 ausgebildet. Der Rotor 12 besteht dabei aus einem Innenabschnitt 13, der als Buchse 15 ausgebildet ist, und an der Buchse 15 ist das Außenzahnrad 8 bzw. der Außenzahnring 9 ausgebildet, wobei die Buchse 15 und der Außenzahnring 9 hohen mechanischen Belastungen standhält wegen des ineinander Greifens der Zähne 7 des Innenzahnringes 6 und der Zähne 10 des Außenzahnringes 9. Vorzugsweise besteht die Buchse 15 deshalb aus Stahl. Konzentrisch um den Innenabschnitt 13 des Rotors 12 ist ein Außenabschnitt 14 des Rotors 12 vorhanden. Der Außenabschnitt 14 besteht dabei aus Blechplatten 16 (Lamellenpaket mit Ausnehmungen für Permanentmagnete 31), die von einer Isolierung (nicht dargestellt) umgeben sind. Die Blechplatten 16 sind parallel zu der Zeichenebene von 1 ausgerichtet, so dass in 1 nur eine Blechplatte 16 aufgrund der Schnittbildung von 1 sichtbar ist. Dabei sind in dem Außenabschnitt 14 Permanentmagnete 31 angeordnet. Der Schichtaufbau des Außenabschnittes 14 mit den Blechplatten 16 ist erforderlich, damit sich im Außenabschnitt 14 keine größeren Wirbelströme ausbilden. Dies ist möglich wegen der elektrischen Isolierung außenseitig auf den Blechplatten 16.
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Das Innenzahnrad 5 und das Außenzahnrad 8 sind separat gelagert, wobei das Innenzahnrad 5 exzentrisch gelagert ist.
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Ein Stator 11 ist konzentrisch um den Rotor 12 ausgebildet. Der Stator 11 weist dabei Statorzähne 21 auf, um welche Spulen 20 angeordnet sind. Die Spulen 20 mit den Statorzähnen 21 bilden damit Elektromagnete 34. Der integrierte Elektromotor 2 ist ein permanentmagneterregter Elektromotor 2 als Synchronmotor.
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In 4 ist ein vereinfachter Längsschnitt der Innenzahnradpumpe 1 mit integriertem permanentmagneterregten Elektromotor 2 dargestellt. Der Rotor 12 ist dabei innerhalb des Stators 11 angeordnet. Am Rotor 12 ist eine Achse 30 ausgebildet, die mittels einer Lagerung 19 als Gleitlagerung gelagert ist. Das Innenzahnrad 5 ist mittels einer nicht dargestellten exzentrischen Lagerung gelagert.
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Das Außenzahnrad 8 weist an jedem Zahngrund 33, d. h. zwischen den Zähnen 10 des Außenzahnrades 8, Strömungskanäle 17 senkrecht zu der Zeichenebene von 2 auf (1, 2 und 3). An dem Zahngrund 33 tritt bei einer Verzahnung oder einem ineinander Greifen des Innen- und Außenzahnrades 5, 8 keine Berührung des Außenzahnrades 8 an dem Innenzahnrad 5 auf. Der Arbeitsraum 32 der in 2 dargestellten Innenzahnradpumpe 1 ist in einen Ansaugbereich 36 und einen Druckbereich 37 unterteilt. In dem Ansaugbereich 36 vergrößert sich das Volumen des Arbeitsraumes 32 wegen des ineinander Greifens des Innen- und Außenzahnrades 5, 8 und der Rotationsbewegung des Innen- und Außenzahnrades 5, 8 und in dem Druckbereich 37 verkleinert sich das Volumen des Arbeitsraumes 32. In dem Ansaugbereich 36 strömt somit das Fluid unter Unterdruck in den Arbeitsraum 32 ein und aus dem Druckbereich 37 strömt das Fluid unter Überdruck aus dem Arbeitsraum 32 heraus. Der Ansaugbereich 36 ist dabei in der Darstellung in 2 rechts von der strichliert dargestellten Schnittlinie A-A ausgebildet und der Druckbereich 37 ist links von der strichliert dargestellten Schnittlinie A-A in 2 vorhanden. Das zu fördernde Fluid, z. B. Kraftstoff, strömt dabei senkrecht zu der Zeichenebene von 2 von oben nach unten in den Ansaugbereich 36 ein und strömt senkrecht zu der Zeichenebene von 2 von unten nach oben aus dem Druckbereich 37 aus. An einem nicht dargestellten Gehäuse des Innenzahnradpumpe 1 ist hierfür außerhalb des Innen- und Außenzahnrades 5, 8 ein nicht dargestellter Saugkanal für den Ansaugbereich 36 und ein nicht dargestellter Druckkanal für den Druckbereich 37 ausgebildet.
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An dem Außenzahnrad 8 ist jeweils an jedem Zahngrund 33 zwischen den Zähnen 10 des Außenzahnrades 8 der Strömungskanal 17 ausgebildet. Der Strömungskanal 17 ist in Richtung einer Rotationsachse 38 des Außenzahnrades 8 nur teilweise ausgebildet (3). An dem in 3 dargestellten linken Ende des Außenzahnrades 8 ist kein Strömungskanal 17 vorhanden. Die Größe des Strömungskanales 17 nimmt in Richtung der Rotationsachse 38 von links nach rechts gemäß der Darstellung in 3 zu, so dass der Strömungskanal 17 an dem rechten Ende des Außenzahnrades 8 die größte Ausdehnung aufweist. In dem Ansaugbereich 36 nimmt gemäß der Darstellung in 2 das Volumen der veränderbaren Teils des Arbeitsraumes 32 zwischen zwei Zähnen 7 des Innenzahnrades 5 und dem Außenzahnrad 8 im Uhrzeigersinn zu. Das zu fördernde Fluid strömt in den Arbeitsraum 32 sowie zusätzlich in den Strömungskanal 17 gemäß der Darstellung in 3 von rechts nach links ein. An dem rechten Ende des Außenzahnrades 8 gemäß der Darstellung in 3 ist der nicht dargestellte Saugkanal der Innenzahnradpumpe 1 vorhanden. Die Strömungskanäle 17 verringern aufgrund des größeren Strömungsquerschnitts für das in den Ansaugbereich 36 einströmende Fluid die Strömungsgeschwindigkeit und damit die hydraulischen Verluste, so dass sich dadurch ein größerer Druck in dem Arbeitsraum 32 ergibt. Bei einer Flüssigkeit als zu förderndes Fluid kann damit die Druckdifferenz zwischen dem in dem Arbeitsraum 32 vorhandenen Druck und dem Dampfdruck der Flüssigkeit erhöht werden, d. h. das Risiko der Bildung von Dampfblasen oder von Kavitation kann verringert werden. Außerdem kann damit das Risiko eines Absenkens der Förderleistung verringert werden, weil ein – auch nur lokales – Absinken des Druckes unterhalb des Dampfdruckes in der zu fördernden Flüssigkeit die Förderleistung der Innenzahnradpumpe 1 verkleinert.
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An dem Druckbereich 37 werden in analoger Weise zu dem Ansaugbereich 36 die Geschwindigkeit des ausströmenden Fluides verkleinert und damit die Strömungsverluste reduziert.
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In 5 ist eine stark schematisierte Ansicht des Einspritzsystems 3 dargestellt. Das Einspritzsystem 3 dient zum Einspritzen eines Abgasnachbehandlungsmediums, z. B. eine Harnstoffwasserlösung, in Abgasrohr 24 eines Verbrennungsmotors 22 eines Kraftfahrzeuges 4. Die Innenzahnradpumpe 1 fördert dabei aus einem Vorratsbehälter 25 das Abgasnachbehandlungsmedium durch Leitungen 29 für das Abgasnachbehandlungsmedium das Abgasnachbehandlungsmedium in das Abgasrohr 24 ein. Weitere Einrichtungen zur Steuerung der Förderleistung der Innenzahnradpumpe 1 oder eines Einspritzventiles zum Einspritzen des Abgasnachbehandlungsmediums in das Abgasrohr 24 sind in 5 nicht dargestellt.
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In 6 ist das Einspritzsystem 3 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum 23 eines Verbrennungsmotors 22 eines Kraftfahrzeuges 4 dargestellt. Die Innenzahnradpumpe 1 mit integriertem Elektromotor 2 fördert dabei Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 26 durch eine Kraftstoffleitung 28 zu einer Hochdruckpumpe 35. Die Hochdruckpumpe 35 fördert den Kraftstoff in ein Hochdruck-Rail 27. Aus dem Hochdruck-Rail 27 wird der Kraftstoff in den Verbrennungsraum 23 eingespritzt. Hierfür erforderliche Einspritzorgane sind in 6 nicht dargestellt.
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Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe 1 und dem erfindungsgemäßen Einspritzsystem 3 erhebliche Vorteile verbunden. Die Innenzahnradpumpe 1 mit Elektromotor 2 arbeitet zuverlässig im Betrieb mit einer hohen Förderleistung, weil das Risiko der Bildung von Dampfblasen oder der Kavitation in dem Ansaugbereich 36 wegen der Strömungskanäle 17 verringert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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