-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Kraftfahrzeug-Kraftstoffpumpen, und spezieller ein rotierendes Pumpelement
vom Typ einer regenerativen Turbine oder einen Impeller mit Radschaufel-Unterteilungen,
die radial kürzer
sind als die Radschaufel.
-
Regenerative Turbinen-Kraftstoffpumpen
für Kraftwagen
arbeiten typischerweise indem sie ein rotierendes Pumpelement aufweisen,
zum Beispiel einen Impeller, der innerhalb eines Pumpengehäuses an
einer Motorwelle montiert ist. Das Pumpengehäuse ist aus zwei Hälften gebildet,
einschließlich
eines Pumpenverschlusses und eines Pumpenbodens, welche zusammenwirken
um eine Pumpenkammer um den äußeren Umfang
des Impellers herum zu bilden. Radschaufeln auf einem äußeren Umfang
des Impellers pumpen Kraftstoff während sich die Welle dreht,
und innerhalb der Pumpkammer werden Primärwirbel gebildet. Die Gestalt
der Primärwirbel,
welche den Pumpenwirkungsgrad bewirken, wird teilweise durch die
Gestalt der Radschaufel-Nuten und die zwischen den einzelnen Nuten
gebildeten Unterteilungen bestimmt. Herkömmliche, elektrische Kraftfahrzeug-Kraftstoffpumpen
verwenden regenerative Turbinenimpeller, die durch Unterteilungen
der gleichen Höhe
getrennte Radschaufeln aufweisen. 5 zeigt
einen derartigen Impeller 100, der Radschaufeln 102 und
Unterteilungen 104 aufweist, welche die Radschaufel-Nuten 106 voneinander
trennen. Die Nuten 104 erstrecken sich so daß sie mit den
Radschaufeln 102 bündig
sind. Während
der Impeller rotiert, drehen sich die Wirbel 108 in Pumpkammer 110,
und werden durch Unterteilungen 104 in Richtung auf den
Pumpenverschluß 110' geführt; und ändern die
Richtung abrupt um 90°,
was in Pumpverlusten und vermindertem Pumpenwirkungsgrad resultiert.
-
Mehrere U.S.-Patente, einschließlich U.S.-Patent
2,842,062 (Wright), U.S.-Patent 5,011,367 (Yoshida) und U.S.-Patent
4,403,910 (Watanabe et al.) legen Pumpenimpeller offen die fluidaktive
Oberflächen
mit gekrümmten
Wurzelabschnitten und radialen, linearen Unterteilungen aufweisen,
welche sich nach außen
hin erstrecken, um so mit dem äußeren Umfang
des Impellers bündig
zu sein. Diese Impeller sind ähnlich
dem in 5 gezeigten und besitzen
die selben Nachteile wie oben besprochen.
-
Regenerative Impeller vom Gasturbinen-Typ,
die rechteckige Blätter
besitzen, zwischen welchen gekürzte,
bogenförmig
gestaltete, fluidaktive Oberflächen
angeordnet sind, welche ein Fluid dazu bringen sich von dein Impellerumfang
her radial nach außen
zu bewegen, sind in U.S.-Patent 4,141,674 (Schonwald), U.S.-Patent
3,973,865 (Mugele), und U.S.-Patent 4,943,208 (Schonwald) gezeigt.
Die Impeller in diesen Offenlegungen besitzen jedoch nicht den vorteilhaften
Unterteilungsabschnitt der vorliegenden Erfindung.
-
U.S.-Patent 5,372,475 beschreibt
einen Impeller, der eine Unterteilungswand aufweist welche kürzer ist
als die radiale Länge
der Impeller-Radschaufeln. Der Impeller schließt ein Paar von axial gegenüberliegenden
Radschaufel-Nuten ein, die auf der Unterteilungswand gebildet sind.
Die Radschaufel-Nuten nähern
sich einander allmählich
an, und bilden dadurch Wirbel auf jeder Seite der Unterteilungswand,
welche sich radial außerhalb
der Unterteilungswand treffen. Mein U.S.-Patent 5,409,357, dem Abtretungsempfänger der
vorliegenden Erfindung übertragen,
legt eine Unterteilungswand offen welche einen parallelen Abschnitt
aufweist, um radial nach außen
von der Unterteilungswand eine „Totzone" zu schaffen, und um dadurch zu verhindern
daß die
Wirbel auf beiden Seiten der Unterteilungswand zusammenfließen. Die
vorliegende Erfindung strebt an einen Impeller mit einer Unterteilungswand
bereitzustellen, welche ähnlich
eine „Totzone" bildet und eine
gewünschte
Bewegung des Fluids in den Wirbeln fördert.
-
U.S.-Patent 5,310,308 beschreibt
eine Kraftfahrzeug-Kraftstoffpumpe, die ein Pumpengehäuse und
ein rotierendes Pumpelement aufweist, welches zwei nicht kommunizierende
Kammern bildet, die eine mit einem Kraftstoffeinlaß verbundene
Einlaßkammer
und eine mit einem Kraftstoffauslaß verbundene Auslaß-Pumpenkammer
umfassen. Das Pumpelement besitzt einen äußeren Ringabschnitt und eine
Mehrzahl von Radschaufeln radial innerhalb des Ringabschnitts. Die
Radschaufeln sind mit Radschaufel-Nuten durchsetzt, die von halbkreisförmiger Gestalt
sind, welche sich der Gestalt der Kraftstoffwirbel innerhalb der
Pumpenkammern annähert.
-
Die vorliegende Erfindung stellt
nun eine Kraftstoffpumpe bereit um Kraftstoff von einem Kraftstofftank
zu einem Kraftfahrzeugmotor zu liefern, wobei die Kraftstoffpumpe
umfaßt:
ein Pumpengehäuse;
einen Motor, der innerhalb dieses Gehäuses montiert ist und eine
sich von dort erstreckende Welle aufweist; einen innerhalb dieses
Gehäuses
montierten Pumpenboden, der eine Bohrung aufweist, durch welche
hindurch sich diese Welle erstreckt; ein rotierendes Pumpenelement,
das an dieser Welle angebracht ist und eine Mehrzahl von sich radial
nach außen
erstreckenden Radschaufeln um den äußeren Umfang dieses Pumpenelements
herum besitzt, und mit einer Mehrzahl von dazwischen eingeschobenen Unterteilungen,
die sich radial eine kürzere
Entfernung erstrecken als diese Radschaufeln, und wobei diese Unterteilungen
und diese Radschaufeln eine Mehrzahl von bogenförmig gestalteten Schaufelnuten
begrenzen; und einen Pumpenverschluß, der an einem Ende dieses
Gehäuses
montiert und an diesem Pumpenboden mit diesem rotierenden Pumpenelement
dazwischen angebracht ist; wobei dieser Pumpenverschluß und dieser
Pumpenboden zusammenwirken um eine vollständige Pumpenkammer für dieses
rotierende Pumpenelement zu bilden; gekennzeichnet dadurch daß; die Schaufelnuten
an einem radial äußersten
Teil der Unterteilungen axial divergieren, und daß die auswärts weisende
Oberfläche
jeder Unterteilung durch gerundete Ecken mit dem divergierenden äußersten
Teil der Unterteilung verbunden ist.
-
Die Unterteilungen erstrecken sich
vorzugsweise ungefähr über die
Hälfte
der radialen Entfernung vom radial innersten Punkt der Radschaufeln zum
radial äußersten
Punkt der Radschaufeln. Die Unterteilungen können aus einem bogenförmigen Abschnitt
bestehen, der axial divergierende Wände am radial äußersten
Abschnitt davon aufweist und eine flache Oberseite besitzt.
-
Die bogenförmigen Abschnitte sind im Wesentlichen
viertelkreisförmig
gestaltete Oberflächen, die
an einem radial innersten Wurzelabschnitt der Unterteilungen beginnen
und sich über
ungefähr
90 Grad erstrecken, um an dem radial äußersten Abschnitt zu divergieren.
Folglich definieren die Unterteilungen und Radschaufeln eine Mehrzahl
fluidaktiver, bogenförmig
gestalteter Radschaufel-Nuten, welche den Kraftstoff dazu bringen
sich von dein Impeller nach außen
zu bewegen. Ein Pumpenverschluß,
welcher einen Verschlußkanal-Abschnitt
einer ringförmigen
Pumpkammer mit einem Pumpeneinlaß aufweist, ist an einem Ende
des Gehäuses montiert
und ist an dem Pumpenboden mit dem Impeller dazwischen befestigt;
derart, daß der
Pumpenverschluß und
der Pumpenboden zusammenwirken, um eine vollständige Pumpenkammer für den Impeller
zu bilden.
-
In der bevorzugten Ausführungsform
besitzen die Unterteilungen von einer Ebene senkrecht zu der Welle
divergierende, sich mindestens ungefähr 0,01 Millimeter von dem
axial schmalsten Teil der bogenförmig
gestalteten Abschnitte erstreckende Seiten. Der Impeller ist vorzugsweise
symmetrisch um eine Ebene durch den Impeller hindurch und senkrecht
zur Welle, und ist aus einem phenolischen Kunststoff-Kompositmaterial
spritzgegossen. Die Krafstoffpumpe kann innerhalb des Kraftstofftanks des
Automobils montiert sein. in einer alternativen Ausführungsform
besitzt der Impeller einen Ringabschnitt um einen äußeren Umfang
davon, der an eine Mehrzahl von Radschaufeln derart angeschlossen ist,
daß eine
Mehrzahl von sich axial erstreckenden Durchgängen zwischen den Radschaufeln,
den Unterteilungen und dem Ringabschnitt gebildet wird.
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung stellt eine Kraftstoffpumpe bereit, die ein rotierendes
Pumpenelement mit – relativ
zu den Radschaufeln – kürzeren Radschaufel-Unterteilungen besitzt.
-
Die Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung besitzt einen Vorteil darin, daß sie eine Kraftstoffpumpe
bereitstellt die im wesentlichen viertelkreisförmig gestaltete Impellernuten
aufweist, die sich über
90 Grad erstrecken; um innerhalb einer das rotierende Pumpelement
umgebenden Pumpenkammer besser Wirbel zu bilden.
-
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es, daß die divergierenden Vorsprünge von
den viertelkreisförmigen
Nuten in dein Pumpelement den Wirbelstrom stabilisieren und Pumpverluste
vermindern.
-
Die Erfindung wird nun, anhand eines
Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, in denen:
-
1 eine
Querschnittsansicht einer Krafstoffpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
-
2 eine
Schnittansicht entlang Linie 2-2 von 1 ist,
die ein rotierendes Pumpelement gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
3 eine
Schnittansicht entlang Linie 3-3 des rotierenden Pumpelements von 2 ist, die eine Pumpen-Radsehaufel
mit durch eine radial verkürzte
Unterteilung getrennten Radschaufel-Nuten zeigt;
-
4 eine
teilweise Querschnittsansicht eines rotierenden Pumpelements gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die eine Radschaufeln trennende Unterteilung zeigt,
die aus bogenförmig
gestalteten Abschnitten besteht, welche divergierende Abschnitte
besitzt, die radial kürzer
sind als die Radschaufel;
-
5 eine
Querschnittsansicht eines Impellers des bisherigen Standes der Technik
innerhalb einer Pumpenkammer ist, die eine Unterteilung zeigt, die
am Umfang entlang bündig
mit der Radschaufel ist und die Radschaufel-Nuten voneinander trennt;
-
6 eine
Querschnittsansicht eines Impellers gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, die eine Wirbel innerhalb der Pumpenkammer optimal gestaltende,
radial gekürzte
Radschaufel-Unterteilung
zeigt;
-
7 eine
Schnittansicht entlang Linie 2-2 von 1 ist,
die eine rotierende Pumpe gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, und die einen radialen äußeren Kingabschnitt
mit den Pumpelement-Radschaufeln verbunden zeigt;
-
8 eine
Schnittansicht entlang Linie 8-8 von 7 ist,
die ein rotierendes Pumpelement gemäß einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und die eine Pumpen-Radschaufel
mit durch eine verkürzte
Unterteilung getrennten Radschaufel-Nuten zeigt; und die einen radial äußeren, umlaufenden
Ringabschnitt besitzt; und
-
9 eine
Querschnittsansicht eines Impellers gemäß einer alternativen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist, die einen umlaufenden Ringabschnitt
und eine radial verkürzte
Radschaufel-Unterteilung zeigt, um Wirbel innerhalb der Pumpenkammer
besser zu gestalten.
-
Unter Bezug auf 1 besitzt Kraftstoffpumpe 10 ein
Gehäuse 12,
um ihre inneren Bauteile zu enthalten. Motor 14, vorzugsweise
ein Elektromotor, ist innerhalb von Motorraum 16 montiert,
um die sich hiervon in Richtung auf den Kraftstoffeinlaß 19 an
der linken Seite der Kraftstoffpumpe 10 in 1 erstreckende Welle 18 zu drehen.
Ein rotierendes Pumpelement, vorzugsweise ein Impeller 20,
ist an Welle 18 befestigt und innerhalb des Pumpenbodens 22 und
des Pumpenverschlusses 24 eingehaust. Impeller 20 weist
eine Mittelachse auf welche mit der Achse von Welle 18 übereinstimmt.
Welle 18 reicht durch eine Wellenöffnung 26 in Pumpenboden 22, durch
Impeller 20, in Verschlußaussparung 28 hinein, und
stößt an Druckknopf 30 an.
Welle 18 ist innerhalb von Lager 32 gelagert.
Pumpenboden 22 besitzt einen Kraftstoffauslaß 34,
der von einer entlang des Umfangs von Impeller 20 durch
einen ringförmigen Verschlußkanal 38 von
Pumpenverschluß 24 und
einen ringförmigen
Bodenkanal 40 von Pumpenboden 22 gebildeten Pumpenkammer 36 reicht.
Mit Druck beaufschlagter Kraftstoff wird durch Kraftstoffauslaß 34 zu
Motorraum 16 hin ausgestoßen und kühlt Motor 14, während er über ihn
hinweg zu Pumpenauslaß 42 an
einem Ende von Pumpe 10 passiert, das dein Kraftstoffeinlaß 44 axial
gegenüberliegt.
-
2 zeigt
eine Schnittansicht von Impeller 20 entlang Linie 2-2 von 1. Radschaufeln 50 erstrecken
sich von dein äußeren Umfang 52 von
Impellerstirn 54 radial nach außen. Unterteilungen 56, welche
die Radschaufeln 50 am Umfang entlang trennen und dazwischen
eingeschoben sind, erstrecken sich um eine radial kürzere Entfernung
als Radschaufeln 50 von dem äußeren Umfang 52. Bohrung 58 ist
so gebildet daß Impeller 20 in
Gleitpassung auf Welle 16 passen kann. 3 ist eine Seitenansicht von Impeller 20 entlang
Linie 3-3 von 2. Impeller 20 ist
vorzugsweise symmetrisch um Achse 59, welche senkrecht
zu Welle 16 ist, und besitzt einen Außendurchmesser von zwischen
35 Millimeter und 40 Millimeter, bevorzugt ungefähr 38 Millimeter.
-
Eine genaue, teilweise Querschnittsansicht eines äußeren Umfangsabschnittes
von Impeller 50 durch eine Unterteilung 56 hindurch
ist in 4 gezeigt. Radschaufel 50,
welche vorzugsweise rechteckig gestaltet ist, stößt an Unterteilung 56 an.
Alternativ sind die Radschaufeln 50 bogenförmig oder
von irgendeiner anderen Gestalt, die einem Fachmann bekannt ist.
Unterteilung 56 umfaßt
bogenförmig
gestaltete Abschnitte 60 auf jeder Seite eines geraden
Abschnittes 62, welcher sich von den bogenförmig gestalteten
Abschnitten 60 radial nach außen erstreckt, und welcher
radial kürzer
ist als Radschaufel 50. Der gerade Abschnitt 62 besitzt
vorzugsweise eine flache Oberseite 66, die ungefähr parallel
mit der radial äußersten
Kante 68 von Radschaufel 50 ist. Die flache Oberseite 66 weist
außerdem
abgerundete Ecken 67 auf. Bogenförmige Abschnitte 60 beginnen
am äußeren Umfang 52 von
Impellerstirn 54 und sind vorzugsweise im Wesentlichen
viertelkreisförmig
gestaltet, erstrecken sich über
90 Grad und bilden dadurch einen divergierenden Abschnitt 70.
Der divergierende Abschnitt 70 erstreckt sich von dem axial
schmalsten Teil der Unterteilung 56 axial nach außen, wie
in 4 durch die Entfernung „m" angezeigt. In einer bevorzugten
Ausführungsform
beträgt
die Entfernung „m" zwischen 0,01 und
0,8 mm, aber ein Fachmann erkennt daß diese Entfernungbasierend
auf der Größe des Impellers
und der Pumpenkammer, ebenso wie dem Krümmungsradius der Nuten 64 – variieren
wird. Vorzugsweise liegt die minimale Stärke der Untereilungswand (der
axial schmalste Teil der Unterteilungswand) zwischen 0,2 und 1,0
mm. In einer alternativen Ausführungsform
besitzt der gerade Abschnitt 62 parallele Seiten, welche
sich eine Entfernung L von den bogenförmigen Abschnitten 60 radial
nach außen
erstrecken, wie in 4 meines '357er-Patents zu
sehen, wobei der divergierende Teil radial außerhalb des parallelen Teils
bereitgestellt ist. Die parallele Entfernung L beträgt bevorzugt zwischen
ungefähr
0,1 Millimeter und 0,5 Millimeter. Weil die parallelen Seiten in
dem '357er-Patent genau beschrieben
sind ist dies hier nicht genau veranschaulicht.
-
Unterteilung 56 erstreckt
sich vorzugsweise ungefähr
die halbe Entfernung zwischen dein äußeren Umfang 52 von
Impellerstirn 54 und der äußersten Kante 68 von
Radschaufel 50. Radschaufel-Nuten 64 sind somit
durch Unterteilungen 56 axial getrennt.
-
6 zeigt
einen Impeller 20, wie gerade beschrieben, innerhalb von
Pumpenverschluß 24 und
Pumpenboden 22 angeordnet. Während Impeller 20 rotiert
werden im ringförmigen
Verschlußkanal 38 und
im ringförmigen
Bodenkanal 40 von Pumpenkammer 36 Wirbel 72 gebildet.
Weil der verkürzte, gerade
Teil 62 von Impeller 20 die Entfernung zwischen
Unterteilung 56 und der oberen Wand 36a der Pumpenkammer
steigert, wird geglaubt daß die
Winkelbeschleunigung von Wirbeln 72 nahe dein ringförmigen Verschlußkanal 38 und
dem ringförmigem
Bodenkanal 40 vermindert ist, wie auch die Größe von Zonen
niedriger Geschwindigkeit (Gegenströmungen oder Sekundärwirbel)
nahe dem äußeren Radschaufel- Umfang 68 von
Impeller 20. Weiterhin verbessert der divergierende Teil 70 den
Rotationsstrom der Primärwirbel 72.
Studien haben gezeigt daß mit
dem oben beschriebenen Impellerdesign der Wirkungsgrad von Pumpe 10 um
nahezu 10% oder mehr steigt. Die größte Verbesserung wird mit einer
dickeren Unterteilung 56 verwirklicht, wo der axial schmalste
Teil der Unterteilung 56 mindestens ungefähr 0,3 min
stark ist. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis zwischen
der axialen Stärke
des schmalen Teils der Unterteilungswand zu der Stärke am divergierenden
Ende in einem Bereich von 0,2 bis 1,0.
-
in einer in 7 gezeigten alternativen Ausführungstorm
weist Impeller 20 einen Ringabschnitt 76 um eine äußeren Umfang 52 davon
mit Radschaufeln 50 verbunden auf. 8 zeigt eine Seitenansicht der alternativen
Ausführungsform
von Impeller 20 entlang Linie 8-8 von 7. Ringabschnitt 76 paßt eng innerhalb
von Pumpenkammer 36, wie in 9 zu
sehen, so daß Pumpenboden 22 keinen Abstreiferabschnitt
(nicht gezeigt) erfordert wie er in herkömmlichen Kraftstoffpumpen benötigt wird,
die regenerative Impeller vom Turbinentyp verwenden. Eine Mehrzahl
sich axial erstreckender Durchgänge 78 ist
zwischen Radschaufeln 50, Unterteilungen 56 und
Ringabschnitt 76 gebildet. Die in 9 gezeigte Oberseite der Unterteilungswand 56 ist
mit einer bogenförmigen
Oberseite 66' veranschaulicht
(d. h. konvex), gegenüber
dem in 4 veranschaulichten
geraden Abschnitt. Die bogenförmige
Oberseite 66' ist
an die gekrümmten
Nuten 64 mit einem Radius angepaßt, um die Wirbelströmungen zu
verbessern.
-
Der Impeller 20 ist bevorzugt
aus einem Kunststoffmaterial – wie
etwa Phenol- Acetyl-
oder anderen Kunststoffen – oder
den Fachleuten bekannten und durch diese Offenlegung vorgeschlagenen Nicht-Kunststoff-Materialien
spritzgegossen. Alternativ kann Impeller 20 in Aluminium
oder Stahl gußgeformt
werden.
-
Die Kraftstoffpumpe 10 kann
innerhalb des Kraftstofftanks (nicht gezeigt) montiert werden, oder kann – alternativ – in der
Leitung montiert werden.