-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Förderung
von Fluiden.
-
Bekannte
Vorrichtungen zur Förderung
von Fluiden sind beispielsweise Pumpen oder Verdichter, wobei als
grundsätzliche
Arten von Fördervorrichtungen
Verdrängermaschinen
und Strömungsmaschinen
bekannt sind.
-
Ferner
sind aus dem Stand der Technik im medizinischen Bereich die extrakorporale
Stoßwellenlithotripsie
bekannt, mittels welcher beispielsweise Nierensteine durch eine
außerhalb
des Körpers erzeugte
Stoßwelle
zerstört
werden. Die Stoßwelle wird
dabei so fokussiert, dass der Nierenstein im Brennpunkt liegt und
die am Stein wirkenden Druck- und Zugwellen den Stein zerstören. Die
Stoßwellen werden
dabei durch Funkenentladungen unter Wasser erzeugt und auf einen
Brennpunkt konzentriert.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Förderung
von Fluiden weist gegenüber
den bekannten Fördereinrichtungen
den Vorteil auf, dass sie in der Lage ist, einen kurzfristigen,
sehr hohen Druck zu erzeugen. Die Vorrichtung kann dabei besonders
kompakt und leichtbauend hergestellt werden. Ferner sind bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
nur eine minimale Anzahl von bewegten Teilen vorhanden. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Vorrichtung zur Förderung von Fluiden eine Einrichtung
zur Erzeugung von Stoßwellen
umfasst, welche das in einem Druckraum befindliche Fluid unter Druck
setzt. Somit werden erfindungsgemäß Stoßwellen zur Fluidförderung
verwendet, so dass im Vergleich mit einer herkömmlichen Pumpe oder einem herkömmlichen
Verdichter ein Aufbau sehr einfach gestaltbar ist. Da erfindungsgemäß keine
rotierenden Teile vorhanden sind, ergibt sich auch eine einfache Abdichtung
der Vorrichtung.
-
Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Vorzugsweise
ist die Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen eine Funkenentladungsvorrichtung.
-
Weiter
bevorzugt erzeugt die Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen
mehrere Stoßwellen
unmittelbar hintereinander. Dadurch können mehrere Stoßwellen
mit zeitlich sehr kurzem Zeitabstand im Bereich von wenigen Mikrosekunden
erzeugt werden. Hierdurch ist es möglich, sehr hohe Drücke an einem
fokussierten Punkt zu erreichen. Diese hohen Drücke können dadurch auch an einem
Punkt für
einen längeren
Zeitraum aufrechterhalten werden.
-
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung
eine Pumpe zur Förderung
von Flüssigkeiten
und die Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen ist eine in einer Flüssigkeit
angeordnete Funkenentladungseinrichtung.
-
Um
die Stoßwelle
an einem Punkt, insbesondere der Position eines Schließelements
an einem Fluidauslass im Druckraum zu konzentrieren, ist der Druckraum
vorzugsweise im Wesentlichen trichterförmig ausgebildet. Dadurch kann
eine hohe Druckspitze gezielt auf ein Schließelement am Fluidauslass gerichtet
werden. Der im Wesentlichen trichterförmige Druckraum ist dabei sich
verjüngend
ausgebildet, und insbesondere mit konisch zulaufenden Wänden ausgebildet.
-
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung
zur Erzeugung von Stoßwellen
in einem separaten Raum angeordnet, wobei der separate Raum von
dem Druckraum der Fördervorrichtung
durch eine Membran getrennt ist. Die Stoßwelle wird dabei auf die Membran
gerichtet, welche die Stoßwelle
auf das im Druckraum befindliche Fluid überträgt. Dadurch ist es möglich, dass
das zu fördernde
Fluid von dem Fluid unterschiedlich ist, in welchem die Stoßwellen
erzeugt werden.
-
Besonders
bevorzugt ist der separate Raum dabei mit einer Flüssigkeit
gefüllt,
insbesondere mit Wasser.
-
Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Membran,
welche den separaten Raum vom Druckraum der Fördervorrichtung trennt, mechanisch
mit dem Schließelement verbunden.
Vorzugsweise ist die mechanische Verbindung dabei ein Kolben oder
eine Stange. Das mechanische Verbindungselement kann dabei an der Membran
befestigt sein und/oder am Schließkörper befestigt sein. Das mechanische
Verbindungselement verbessert eine Genauigkeit der Bewegung.
-
Weiter
bevorzugt ist eine Kühleinrichtung vorgesehen,
um die Temperatur im Druckraum und/oder im Stoßwellenerzeugungsraum nicht
zu hoch werden zu lassen.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Förderung
von Fluiden, wobei das Fluid mittels Stoßwellen gefördert wird. Eine derartige Förderung
von Fluiden unterscheidet sich somit grundlegend von den bisher
bekannten Pumpen bzw. Verdichtern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können sehr
hohe Drücke
erzeugt werden, ohne dass eine Vielzahl von bewegten Bauteilen wie
bei einem Verdichter bzw. bei einer Pumpe notwendig sind. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders zur Förderung
von kleinen Fluidmengen bei hohen Drücken geeignet.
-
Die
erfindungsgemäße Förderungsvorrichtung
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
werden besonders bevorzugt im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise
bei Einspritzdüsen
für eine
Einspritzung von Kraftstoff verwendet. Die Düsen können dabei unmittelbar in Brennräume von
Motoren Kraftstoff einspritzen oder beispielsweise in das Rail eines Common-Rail-Systems. Eine
andere bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt beispielsweise
in Bremsanlagen für
Fahrzeuge, bei denen innerhalb kurzer Zeit hohe Drücke für einen
Bremsvorgang erzeugt werden müssen.
Eine noch andere bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung
ist in Hydraulikeinrichtungen von Fahrzeugen gegeben oder auch bei
anderen Hydraulikanwendungen.
-
Zeichnung
-
Nachfolgend
werden mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
-
1 eine
schematische Schnittansicht einer Fördervorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
-
2 eine
schematische Schnittansicht einer Fördervorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
-
3 eine
schematische Schnittansicht einer Fördervorrichtung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 eine Fördervorrichtung 1 im
Detail beschreiben. Die Fördervorrichtung 1 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff unter
hohem Druck.
-
Wie
in 1 gezeigt, umfasst die Einspritzvorrichtung einen
Druckraum 2, welchem Kraftstoff über einen ersten Zulauf 3 und
einen zweiten Zulauf 4 zugeführt wird. Der erste und zweite
Zulauf 3, 4 sind jeweils mittels einem Rückschlagventil 10 bzw. 11 mit
dem Druckraum 2 verbindbar bzw. absperrbar.
-
Ferner
umfasst die Einspritzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
eine Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen eine Funkenentladungseinrichtung mit
einer ersten Elektrode 6 und einer zweiten Elektrode 7.
Die Elektroden 6, 7 sind in einem Stoßwellenerzeugungsraum 5 angeordnet
und erzeugen in dem im Stoßwellenerzeugungsraum 5 befindlichen Kraftstoff
Stoßwellen.
Der Stoßwellenerzeugungsraum 5 ist
in seinem unteren Bereich 5a im Wesentlichen trichterförmig ausgebildet,
wobei der Druckraum 2 in den Stoßwellenerzeugungsraum 5 mündet. Durch
die im Wesentlichen trichterförmige
Ausbildung des Stoßwellenerzeugungsraumes 5 werden die
erzeugten Stoßwellen
in einem Fokussierpunkt 12 fokussiert.
-
Ähnlich wie
der untere Bereich 5a des Stoßwellenerzeugungsraums 5 ist
auch der obere Bereich 5b sich verjüngend gebildet, wodurch die
Konzentration der Stoßwelle
im Fokussierpunkt 12 verstärkt wird.
-
Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist der Fokussierpunkt 12 ein
kurzer Leitungsabschnitt ausgehend vom Druckraum 2, welcher
zu einem Auslassventil der Einspritzvorrichtung führt. Das
Auslassventil umfasst dabei einen Schließkörper 8, welcher als
eine Kugel ausgebildet ist und ein Federelement 9 um den Schließkörper 8 gegen
im Wesentlichen konische Wände
des Gehäuses
drückt.
Durch die Form des Stoßwellenerzeugungsraums 5 und
des Druckraumes 2, welcher an seinem unteren Bereich ebenfalls im
Wesentlichen trichterförmig
ausgebildet ist, werden die erzeugten Stoßwellen im Punkt 12 fokussiert und
wirken unmittelbar auf den Schließkörper 8. Der Schließkörper 8 verschließt bzw.
gibt eine Verbindung zwischen dem Druckraum 2 und Düsenbohrungen 13, 14 frei, über welche
eine Einspritzung des Kraftstoffs erfolgen kann. Dies ist durch
die Pfeile E angedeutet.
-
Die
Funktion der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung
ist dabei wie folgt. Wenn die Funkenentladungsvorrichtung eine Stoßwelle erzeugt, werden
die Rückschlagventile 10, 11 mit
erhöhtem Druck
beaufschlagt, so dass diese in die in 1 gezeigte
Stellung gehen und den ersten Zulauf 3 und den zweiten
Zulauf 4 jeweils verschließen. Durch die im Wesentlichen
trichterförmige
Form des Stoßwellenerzeugungsraumes 5 und
des unmittelbar anschließenden
Druckraumes 2 wird die Stoßwelle im Punkt 12 fokussiert.
An der Stoßfront
der Stoßwelle herrschen
hohe mechanische Spannungen und Drücke, wobei sich die Stoßwelle mit Überschallgeschwindigkeit
ausbreitet. Der durch die Stoßwelle
somit vor dem Schließkörper 8 im
Punkt 12 erzeugte Druck ist größer als die Rückstellkraft
des Federelements 9 des Auslassventils, so dass sich der
Schließkörper 8 nach
unten in Richtung des Pfeils A bewegt. Dadurch ist eine Verbindung
zwischen dem Druckraum 2 und der ersten und zweiten Düsenbohrung 13, 14 freigegeben.
Dadurch kann Kraftstoff unter hohem Druck eingespritzt werden. Der
Einspritzdruck entspricht dabei im Wesentlichen dem Druck an der Stoßwelle im
Fokussierpunkt 12.
-
Die
Stoßwelle
wird mittels einer Kondensatorentladung erzeugt und weist nur eine
zeitlich eng begrenzte Pulsdauer auf. Es sei angemerkt, dass es auch
möglich
ist, weitere Kondensatoren vorzusehen, welche in vorgegebenen Zeitabständen entladen
werden können,
so dass mehrere Stoßwellen
mit zeitlich sehr kurzem Zeitabstand erzeugt werden können und
im Fokussierpunkt 12 fokussiert werden können.
-
Nach
erfolgter Injektion ist der Druck im Druckraum 2 abgebaut
und die Einspritzvorrichtung kehrt wieder in ihre Ruhelage zurück, in welcher
die Verbindung zwischen dem Druckraum 2 und den Düsenbohrungen 13, 14 durch
den Schließkörper 8 verschlossen
ist, jedoch die Verbindung zwischen dem Druckraum 2 und
den Zuläufen 3, 4 geöffnet ist.
In dieser Lage kann ständig
Kraftstoff durch den ersten Zulauf 3 und den zweiten Zulauf 4 zugeführt werden, wobei
dies beispielsweise mit einem relativ niedrigen Grunddruck von 2 × 105 Pa erfolgt. Dadurch wird der Druckraum 2 für die nächste Injektion
gefüllt.
-
Die
Fördervorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
hat dabei die Besonderheit, dass die Funkenentladung in der geförderten
Flüssigkeit,
d.h. dem Kraftstoff, erfolgt. Somit kann die Funkenentladungseinrichtung
unmittelbar in die Fördereinrichtung
integriert werden, was eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht.
-
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 2 eine Fördervorrichtung 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
-
Im
Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel
ist beim zweiten Ausführungsbeispiel
eine Membran 16 zwischen dem Stoßwellenerzeugungsraum 5 und
dem Druckraum 2 angeordnet. Durch das Vorsehen dieser Membran 16 ist
es möglich,
im Stoßwellenerzeugungsraum 5 eine
Flüssigkeit 15 zu
verwenden, welche von der unter Druck zu setzenden Flüssigkeit
verschieden ist. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit 15 dabei
Wasser. Dadurch ist die Funkenentladungsvorrichtung des zweiten
Ausführungsbeispiels
eine sogenannte Unterwasserfunkentladungsvorrichtung.
-
Die
von den Elektroden 6, 7 erzeugte Stoßwelle wird
beim zweiten Ausführungsbeispiel
dabei auf die Membran 16 fokussiert, welche sich aufgrund der
Stoßwelle
in den Druckraum 2 bewegt. Dadurch steigt der Druck im
Druckraum 2 an, so dass die Rückschlagventile 10, 11 geschlossen
werden und sich der Schließkörper 8 gegen
die Federkraft des Federelements 9 in Richtung des Pfeils
A bewegt und von seinem Ventilsitz abgehoben wird. Dadurch ist eine
Verbindung zwischen dem Druckraum 2 und den Düsenbohrungen 13, 14 geöffnet, so
dass Kraftstoff über
die Düsenbohrungen 13, 14 eingespritzt
werden kann. Da der Druckraum 2 ebenfalls im Wesentlichen trichterförmig ausgebildet
ist, wird die über
die Membran übertragene
Stoßwelle
im Druckraum 2 weiter auf den Fokussierpunkt 12,
d.h. das Verbindungsstück
zwischen dem Druckraum 2 und dem Schließkörper 8, fokussiert.
-
Ansonsten
entspricht das zweite Ausführungsbeispiel
dem ersten Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
-
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 3 eine Fördervorrichtung 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen
bezeichnet.
-
Das
dritte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
zum zweiten Ausführungsbeispiel zwischen
der Membran 16 und dem Schließkörper 8 zusätzlich noch
ein mechanisches Verbindungselement 17 angeordnet ist.
Das Verbindungselement 17 umfasst eine Stange 18 und
eine tellerförmige
Auflage 19. Die tellerförmige
Auflage 19 befindet sich unmittelbar in Kontakt mit der
Membran 16. Das Verbindungselement 17 stellt dabei
eine mechanische Verbindung zwischen der Membran 16 und
dem Schließkörper 8 bereit.
Wenn sich somit die Membran 16 aufgrund einer erzeugten
Stoßwelle
in Richtung des Druckraums 2 bewegt, drückt sie über die tellerförmige Auflage 19 und
die Stange 18 auf den Schließkörper 8, so dass die
Bewegung der Membran 16 unmittelbar auf den Schließkörper 8 übertragen
wird. Dadurch treten weniger hydraulische Verluste im Druckraum 2 bei
einer Betätigung
der Einspritzvorrichtung auf. Auch kann eine schnellere Reaktionszeit
der Vorrichtung erreicht werden.
-
Ansonsten
entspricht das dritte Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf
die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
-
Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Fördervorrichtung 1 besonders bevorzugt
in Verbindung mit Kraftfahrzeugen als Einspritzvorrichtung zur Einspritzung
von Kraftstoff unter hohem Druck verwendet wird. Die Erfindung kann
jedoch auch bei Bremssystemen oder anderen hydraulischen Anlagen
verwendet werden. Da die erfindungsgemäße Fördervorrichtung 1 sehr
kompakt und leicht-bauend aufgebaut ist, kann das Gewicht eines
Fahrzeugs dadurch reduziert werden. Ferner können besonders hohe Drücke durch
die Erzeugung der Stoßwellen
erreicht werden, was sich bei dem Einspritzvorgang vorteilhaft auswirkt.