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WO2010091753A1 - Kraftstoffpumpe - Google Patents

Kraftstoffpumpe Download PDF

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WO2010091753A1
WO2010091753A1 PCT/EP2009/066634 EP2009066634W WO2010091753A1 WO 2010091753 A1 WO2010091753 A1 WO 2010091753A1 EP 2009066634 W EP2009066634 W EP 2009066634W WO 2010091753 A1 WO2010091753 A1 WO 2010091753A1
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WO
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rotor
fibers
wear
drive shaft
fuel pump
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PCT/EP2009/066634
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Dornhoefer
Roland Seidel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M37/00—Apparatus or systems for feeding liquid fuel from storage containers to carburettors or fuel-injection apparatus; Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M37/04—Feeding by means of driven pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/026—Selection of particular materials especially adapted for liquid pumps
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/188—Rotors specially for regenerative pumps
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/615—Filler

Definitions

  • the invention relates to a fuel pump according to the preamble of the main claim.
  • the rotor is driven by a drive shaft from an armature of an electric motor.
  • the drive shaft protrudes positively into a driver opening of the rotor.
  • the disadvantage is that the rotor in the area of the driving opening is subjected to a high tribological load by the drive shaft, as a result of which wear on the driving opening occurs over time. If the uppermost covering layer, that is to say the so-called sprayed skin of the rotor in the region of the driving opening, is first damaged by wear, the fillers lie free on the surface of the rotor and cause progressively increasing wear on the rotor and on the drive shaft. This wear can adversely affect the functional properties and the life of the fuel pump.
  • Main claim has the advantage that the wear on the cam opening of the rotor and the drive shaft is greatly reduced by the base material of the rotor blended fibers are plastic fibers.
  • the wear is reduced by the plastic fibers by more than a factor of one hundred. Furthermore, it was found that the occurring wear does not increase progressively as in the prior art, but only linearly over the operating time. The amount of this wear reduction is extraordinary Surprising and unexpected, since all known, commonly used fiber fillers, such as glass or carbon fibers, cause strong and progressive wear and progressive wear.
  • the high-strength plastic fibers are made of aramid, since these fibers set the highest reduction in wear.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • M0S 2 molybdenum sulfide
  • the base material is polyphenylene sulfide (PPS), since this is a cheap, swellable thermoplastic, but is very susceptible to wear when glass or carbon fibers are incorporated.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • FIG. 2 shows a partial view of the driving opening of the rotor of the fuel pump from FIG.
  • Fig.l shows an example of a fuel pump, in which the invention could find application.
  • the fuel pump serves to convey fluid, for example fuel, from a reservoir to an internal combustion engine.
  • the fuel pump may be both a flow pump or a positive displacement pump.
  • the fuel pump has a pump housing 1 with at least one inlet channel 2 and an outlet channel 3.
  • the inlet channel 2 of the fuel pump is connected for example via a suction line 4 to a reservoir 5, in which, for example, fuel is stored.
  • the output channel 3 is connected via a pressure line 8, for example with an internal combustion engine 9.
  • the pump housing 1 has a pump chamber 10, in which a rotor 11 rotates about a pump axis 12 in a rotating manner.
  • the pump chamber 10 is delimited by two end walls 17, 18 lying opposite one another in the direction of the pump axis 12, and by a circumferential wall 19 in the radial direction with respect to the pump axis 8.
  • the rotor 11 serves to convey liquid and builds up a predetermined pressure downstream of the pump chamber 10.
  • the rotor 11 is designed as a turbine runner.
  • the design of the rotor 11 is expressly arbitrary.
  • the rotor 11 is driven via a drive shaft 15 by an actuator 16, for example an armature of an electric motor.
  • the rotor 11 and the drive shaft 15 are positively connected to each other by the rotor 11 has a driving opening 22 into which the drive shaft 15 in or out of a form fit.
  • the positive connection results, for example, in that the drive shaft 15 at its end portion facing the rotor 11 at least one - A -
  • the rotor 11 is made of a thermoplastic material as a base material.
  • the base material is for example polyphenylene sulfide (PPS), but could also be another plastic, for example PEEK or POM.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the base material of the rotor 11 fibers and other fillers are added. The fibers serve to increase the strength of the component and the mineral fillers reduce the component swelling in the pumped medium fuel. Swelling of the rotor 11 may cause the rotor 11 to run against one of the walls or planar surfaces of the pumping chamber 10, resulting in high friction, high wear and possibly failure of the fuel pump.
  • the rotor 11 is subjected to a high tribological load in the area of the driver opening 22, as a result of which wear on the driver opening 22 occurs over time.
  • This wear is particularly high in fuels with poor lubricating properties, such as ethanol or ethanol mixtures.
  • the fibers added to the base material are synthetic fibers.
  • the plastic fibers have a high strength (between 2000-3000 N / mm 2 tensile strength) and consist according to the embodiment of aramid.
  • the plastic fibers reduce the wear on the Mitaueröffhung 22 by more than a factor of 100. It was found that the wear that still occurs does not increase progressively as in the prior art, but only linearly over the operating time.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • M0S 2 molybdenum sulfide
  • minerals are added as further fillers to reduce component swelling in contact with fuels.
  • fillers for example, 40% calcium carbonate may be added.
  • nanoparticles are added, for example, as nanoparticles (so-called nanocomposites) in order to achieve higher strengths and to reduce wear.
  • the rotor 11 is manufactured by means of injection molding.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Details And Applications Of Rotary Liquid Pumps (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Es sind schon Kraftstoffpumpen bekannt mit einem Rotor zum Fördern von Flüssigkeiten, der aus einem thermoplastischen Kunststoff als Basiswerkstoff besteht, dem Fasern und weitere Füllstoffe zugesetzt sind. Die dem Basiswerkstoff beigefügten Fasern sind Glasfasern. Die weiteren Füllstoffe sind mineralische Füllstoffe. Die Füllstoffe sind erforderlich, um eine Quellung des Rotors im Kraftstoff zu mindern bzw. die Festigkeit zu erhöhen. Der Rotor wird über eine Antriebswelle von einem Anker eines Elektromotors angetrieben. Dazu ragt die Antriebswelle formschlüssig in eine Mitnehmeröffhung des Rotors hinein. Nachteilig ist, dass der Rotor im Bereich der Mitnehmeröffhung durch die Antriebswelle tribologisch stark belastet ist, wodurch im Laufe der Zeit ein Verschleiß an der Mitnehmeröffhung auftritt. Wenn die oberste Deckschicht, also die sogenannte Spritzhaut des Rotors im Bereich der Mitnehmeröffhung erst einmal durch Verschleiß verletzt ist, liegen die Füllstoffe frei an der Oberfläche des Rotors und verursachen einen progressiv ansteigenden Verschleiß am Rotor und an der Antriebswelle. Dieser Verschleiß kann die Funktionseigenschaften und die Lebensdauer der Kraftstoffpumpe nachteilig beeinträchtigen. Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe wird der Verschleiß an der Mitnehmeröffhung des Rotors und an der Antriebswelle stark verringert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fasern Kunststofffasern sind.

Description

Beschreibung
Titel
Kraftstoffpumpe
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffpumpe nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es sind schon Kraftstoffpumpen bekannt mit einem Rotor zum Fördern von Flüssigkeiten, der aus einem thermoplastischen Kunststoff als Basiswerkstoff besteht, dem Fasern und weitere Füllstoffe zugesetzt sind. Die dem Basiswerkstoff beigefügten Fasern sind Glasfasern. Die weiteren Füllstoffe sind mineralische Füllstoffe. Die Füllstoffe sind erforderlich, um eine
Quellung des Rotors im Kraftstoff zu mindern bzw. die Festigkeit zu erhöhen. Der Rotor wird über eine Antriebswelle von einem Anker eines Elektromotors angetrieben. Dazu ragt die Antriebswelle formschlüssig in eine Mitnehmeröffnung des Rotors hinein. Nachteilig ist, dass der Rotor im Bereich der Mitnehmeröffnung durch die Antriebswelle tribologisch stark belastet ist, wodurch im Laufe der Zeit ein Verschleiß an der Mitnehmeröffnung auftritt. Wenn die oberste Deckschicht, also die sogenannte Spritzhaut des Rotors im Bereich der Mitnehmeröffnung erst einmal durch Verschleiß verletzt ist, liegen die Füllstoffe frei an der Oberfläche des Rotors und verursachen einen progressiv ansteigenden Verschleiß am Rotor und an der Antriebswelle. Dieser Verschleiß kann die Funktionseigenschaften und die Lebensdauer der Kraftstoffpumpe nachteilig beeinträchtigen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Verschleiß an der Mitnehmeröffnung des Rotors und an der Antriebswelle stark verringert wird, indem die dem Basiswerkstoff des Rotors beigemischten Fasern Kunststofffasern sind. Der Verschleiß wird durch die Kunststofffasern um mehr als den Faktor Hundert verringert. Weiterhin wurde festgestellt, dass der auftretende Verschleiß nicht wie im Stand der Technik progressiv, sondern nur linear über der Betriebszeit ansteigt. Die Höhe dieser Verschleißminderung ist außerordentlich überraschend und war unerwartet, da alle bekannten, üblicherweise eingesetzten Faserfüllstoffe, wie Glas- oder Kohlefasern, starken und in fortgeschrittenem Stadium auch progressiven Verschleiß verursachen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Kraftstoffpumpe möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die hochfesten Kunststofffasern aus Aramid hergestellt sind, da sich bei diesen Fasern die höchste Verschleißminderung einstellt.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn dem Kunststoff als weiterer Füllstoff Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit und/oder Molybdänsulfid (M0S2) zugemischt ist, da auf diese Weise die Reibung und auch der Verschleiß unter Mischreibungsbedingungen verringert wird.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn dem Basiswerkstoff 10% Massenanteil Kunststofffasern und 10% Massenanteil Polytetrafluorethylen (PTFE) beigefügt sind, da auf diese Weise ein Optimum bzgl. Verschleißwiderstand, Quellreduzierung und Festigkeit erreicht wird.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn diese weiteren Füllstoffe als Nanopartikel zugemischt sind, da auf diese Weise höhere Festigkeiten erreicht werden und auch der Verschleiß reduziert wird.
Auch vorteilhaft ist, wenn der Basiswerkstoff Polyphenylensulfid (PPS) ist, da dies ein preiswerter, quellbeständiger Thermoplast ist, der jedoch sehr verschleißanfällig ist, wenn Glasoder Kohlefasern inkorporiert sind.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn zusätzlich Mineralien als weitere Füllstoffe beigefügt sind, da auf diese Weise die Quellanfälligkeit des Materials weiter reduziert wird. Als Füllstoff kann z.B. Calziumcarbonat zugesetzt werden. Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig.1 zeigt im Schnitt eine vereinfacht dargestellte Kraftstoffpumpe und
Fig.2 eine Teilansicht der Mitnehmeröffnung des Rotors der Kraftstoffpumpe aus Fig.1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig.l zeigt beispielhaft eine Kraftstoffpumpe, bei der die Erfindung Anwendung finden könnte.
Das Kraftstoffpumpe dient dazu, Flüssigkeit, beispielsweise Kraftstoff, aus einem Vorratsbehälter zu einer Brennkraftmaschine zu fördern. Die Kraftstoffpumpe kann sowohl eine Strömungspumpe oder als auch eine Verdrängerpumpe sein.
Das Kraftstoffpumpe hat ein Pumpengehäuse 1 mit zumindest einem Eingangskanal 2 und einem Ausgangskanal 3. Der Eingangskanal 2 des Kraftstoffpumpes ist beispielsweise über eine Saugleitung 4 mit einem Vorratsbehälter 5 verbunden, in dem beispielsweise Kraftstoff gespeichert ist. Der Ausgangskanal 3 ist über eine Druckleitung 8 beispielsweise mit einer Brennkraftmaschine 9 verbunden.
Das Pumpengehäuse 1 weist eine Pumpenkammer 10 auf, in der ein Rotor 11 rotierend um eine Pumpenachse 12 umläuft. Die Pumpenkammer 10 wird begrenzt durch zwei sich in Richtung der Pumpenachse 12 gegenüberliegende Stirnwände 17,18 und in radialer Richtung bezüglich der Pumpenachse 8 von einer Umfangswand 19.
Der Rotor 11 dient der Flüssigkeitsförderung und baut einen vorbestimmten Druck stromab der Pumpenkammer 10 auf. Beispielhaft ist der Rotor 11 als Turbinenlaufrad ausgebildet. Die Ausbildung des Rotors 11 ist aber ausdrücklich beliebig. Der Rotor 11 wird über eine Antriebswelle 15 von einem Aktor 16, beispielsweise einem Anker eines Elektromotors, angetrieben. Der Rotor 11 und die Antriebswelle 15 sind formschlüssig miteinander verbunden, indem der Rotor 11 eine Mitnehmeröffnung 22 aufweist, in die die Antriebswelle 15 formschlüssig hinein- bzw. hindurchragt. Der Formschluss ergibt sich beispielsweise dadurch, dass die Antriebswelle 15 an ihrem dem Rotor 11 zugewandten Endabschnitt zumindest eine - A -
Abflachung 23 aufweist, die jeweils mit einem Mitnehmerabschnitt 24 der Mitnehmeröffhung 22 formschlüssig zusammenwirkt (Fig.2). Der Rotor 11 ist auf der Antriebswelle 15 beispielsweise derart gelagert, dass er zwischen den Stirnwänden 17,18 axial beweglich ist.
Der Rotor 11 ist aus einem thermoplastischen Kunststoff als Basiswerkstoff hergestellt. Der Basiswerkstoff ist beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS), könnte aber auch ein anderer Kunststoff sein, beispielsweise PEEK oder POM. Dem Basiswerkstoff des Rotors 11 sind Fasern und weitere Füllstoffe zugesetzt. Die Fasern dienen der Erhöhung der Bauteilfestigkeit und die mineralischen Füllstoffe der Minderung der Bauteilquellung im Fördermedium Kraftstoff. Eine Quellung des Rotors 11 kann zu einem Anlaufen des Rotors 11 an eine der Wandungen oder Planflächen der Pumpenkammer 10 führen, was hohe Reibung, hohen Verschleiß und möglicherweise ein Ausfallen der Kraftstoffpumpe zur Folge hat.
Der Rotor 11 ist im Bereich der Mitnehmeröffhung 22 tribologisch stark belastet, wodurch im Laufe der Zeit ein Verschleiß an der Mitnehmeröffhung 22 auftritt. Dieser Verschleiß ist bei Kraftstoffen mit schlechten Schmiereigenschaften, beispielsweise Ethanol oder Ethanolgemischen, besonders hoch.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die dem Basiswerkstoff zugesetzten Fasern Kunststofffasern sind. Die Kunststofffasern haben eine hohe Festigkeit (zwischen 2000 - 3000 N/mm2 Zugfestigkeit) und bestehen gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Aramid. Durch die Kunststofffasern wird der Verschleiß an der Mitnehmeröffhung 22 um mehr als den Faktor 100 verringert. Es wurde festgestellt, dass der noch auftretende Verschleiß nicht wie im Stand der Technik progressiv, sondern nur linear über der Betriebszeit ansteigt.
Dem Basiswerkstoff sind als weiterer Füllstoff Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit und/oder Molybdänsulfid (M0S2) zugemischt, die Reibung unter Mischreibungsbedingungen zu verringern. Desweiteren sind als weitere Füllstoffe Mineralien zugesetzt, die eine Bauteilquellung in Kontakt mit Kraftstoffen mindern sollen. Als Füllstoffe können beispielsweise 40% Calziumcarbonat zugesetzt sein.
Diese weiteren Füllstoffe sind beispielsweise als Nanopartikel (sogenannte Nanocomposites) zugesetzt, um höhere Festigkeiten zu erreichen und den Verschleiß zu reduzieren.
Der Rotor 11 wird mittels Spritzguss hergestellt.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoffpumpe mit einem Rotor (11) zum Fördern von Flüssigkeiten, der aus einem thermoplastischen Kunststoff als Basiswerkstoff besteht, dem Fasern und weitere Füllstoffe zugesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Kunststofffasern sind.
2. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffasern aus Aramid hergestellt sind.
3. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff als weiterer Füllstoff Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit, Molybdänsulfid (M0S2) und/oder Mineralien zugemischt sind.
4. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basiswerkstoff 10% Kunststofffasern und 10% Polytetrafluorethylen (PTFE) beigefügt ist.
5. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Füllstoffe als Nanopartikel zugemischt sind.
6. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiswerkstoff Polyphenylensulfid (PPS) ist.
7. Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) ein Spritzgussteil ist.
PCT/EP2009/066634 2009-02-12 2009-12-08 Kraftstoffpumpe Ceased WO2010091753A1 (de)

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