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Die
Erfindung betrifft ein Fluidfördereinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1, eine System zum Einspeisen eines Abgasnachbehandlungsmediums
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und ein
Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Fluidfördereinrichtungen
werden für verschiedenste technische Anwendungen eingesetzt.
In Systemen zum Einspeisen eines Abgasnachbehandlungsmediums, z.
B. eine Harnstoff-Wasser-Lösung, in eine Abgasleitung einer
Verbrennungskraftmaschine sind Fluidfördereinrichtungen
erforderlich, um das Abgasnachbehandlungsmedium von einem Vorratsbehälter
für das Abgasnachbehandlungsmedium zu einem Einspritzventil
zum Einleiten des Abgasnachbehandlungsmedium in die Abgasleitung
der Verbrennungskraftmaschine zu fördern. Mit dem eingespritzten
Abgasnachbehandlungsmedium sollen in einem nachfolgenden Katalysator
Schadstoffe in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine reduziert
werden. Die Fluidfördereinrichtung pumpt das Abgasnachbehandlungsmedium
von dem Vorratsbehälter zu dem Einspritzventil. Die Fluidfördereinrichtung,
z. B. eine Membranpumpe, wird beispielsweise von einem Kurbeltrieb
angetrieben. Die Fluidfördereinrichtung pumpt das Abgasnachbehandlungsmedium
kontinuierlich zu dem Einspritzventil. Dabei ist es erforderlich,
dass eine Arbeitsmembran der Fluidfördereinrichung auf
Dauer auch bei größeren Drücken betrieben
werden kann.
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Die
WO 2005/024232 A1 zeigt
eine gattungsgemäße Fluidfördereinrichtung
als Membranpumpe. In einem Gehäuse ist eine Magnetspule
eingebettet. In einem hülsenförmigen Gleitlager
des Gehäuses ist ein topfförmiger Kolben angeordnet,
der axial beweglich ist. Ein Ende des Kolbens stützt sich gegen
eine Druckfeder ab. Ein Pumpenraum wird von einer Vertiefung eines
Pumpenkopfes gebildet, wobei der Pumpenraum auf einer Seite von
einer Membran begrenzt ist. Die Membran weist an der dem Kolben
zugewandten Seite einen Ansatz auf, der eine zentrale Bohrung des
Kolbens durchsetzt. Der Kolben ist somit mit der Membran verbunden. Mittels
zweier Rückschlagventile kann das zu fördernde
Fluid in den Pumpenraum ein- und ausgeleitet werden. Bei einer Bestromung
der Magnetspule wird der Kolben gegen die Kraft der Druckfeder soweit
verschoben, bis der Kolben mit seinem Flansch an einer Einstellschraube
anliegt. Die Membran wird dabei, da sie axial fest mit dem Kolben
verbunden ist, mitgenommen, wodurch die Membran einen Unterdruck
in den Pumpenraum erzeugt. Dadurch wird Fluid in den Pumpenraum
angesaugt. Nach dem Abschalten der Bestromung der Magnetspule bewegt sich
der Kolben unter der Kraft der Druckfeder zurück, bis er
mit seinem Flansch an einer Schulterfläche des Pumpengehäuses
zur Anlage kommt. Bei diesem axialen Verschiebevorgang wird die
Membran mitgenommen und elastisch verformt und das im Pumpenraum
befindliche zu fördernde Fluid wird unter Druck gesetzt,
so dass von einem als Auslassventil ausgebildetem Rückschlagventil
das zu fördernde Fluid aus dem Pumpenraum heraus gepumpt
wird. In nachteiliger Weise ist die elastische Membran einteilig
und kann normalerweise bei größeren Drücken von
z. B. mehr als 6 bar nicht auf Dauer betrieben werden.
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Die
DE 26 18 786 A1 zeigt
eine gattungsbildende Membranpumpe. Auf der der Pumpenkammer abgelegenen
Seite der Membran ist ein elastischer Körper angeordnet,
der im Verlauf eines Druckhubes durch die mechanische Betätigung
der Membran mitnehmbar ist.
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Aus
der
DE 41 19 228 C2 ist
eine gattungsgemäße Membranpumpe bekannt. Ein
Arbeitsraum wird von einer kalottenförmigen Pumpenraumwand und
einer an ihrem Außenrand im Pumpengehäuse eingespannten,
elastischen Arbeitsmembran gebildet. Auf der dem Arbeitsraum abgewandten
Seite der Membran ist eine als Geräuschdämpfung
ausgebildete, ringförmig die Membran-Ringzone untergreifende
Dämpfungs-Einrichtung vorgesehen. Die elastische Arbeitsmembran
ist nicht verstärkt, so dass ein Dauerbetrieb bei großen
Drücken im Allgemeinen nicht gewährleiset ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße Fluidfördereinrichtung,
insbesondere zum Fördern von Abgasnachbehandlungsmedien,
z. B. eine Harnstoff-Wasser-Lösung, für eine Verbrennungskraftmaschine,
umfasst eine bewegbare Arbeitsmembran, einen mittels der bewegbaren
Arbeitsmembran vergrößerbaren und verkleinerbaren
Arbeitsraum für ein zu förderndes Fluid, wenigstens
einen Fluidanschluss an den Arbeitsraum, insbesondere einen ersten
Fluidanschluss an den Arbeitsraum mit einem Ventil zum Einleiten
des Fluids in den Arbeitsraum und einen zweiten Fluidanschluss an
den Arbeitsraum mit einem Ventil zum Ausleiten des Fluids aus dem
Arbeitsraum, und wenigsten ein Mittel zum Bewegen der Arbeitsmembran,
wobei die Arbeitsmembran mit wenigstens einem Verstärkungselement
versehen ist. Das wenigstens Verstärkungselement stabilisiert und
verstärkt die Arbeitsmembran, so dass diese dauerhaft und
zuverlässig Fluide auch in einem hohen Druckbereich fördern
kann. Die Fluidanschlüsse mit Ventilen können
auch dahingehend ausgebildet sein, dass die Funktion der Fluidanschlüsse
zum Ein- oder Ausleiten des Fluides vertauschbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besteht das wenigstens eine Verstärkungselement
aus einem anderen Werkstoff als der restliche, nicht zu dem wenigstens
einen Verstärkungselement gehörende Teil der Arbeitsmembran
und/oder das Verstärkungselement ist Bestandteil der Arbeitsmembran.
Das wenigstens eine Verstärkungselement weist damit andere
Eigenschaften als der restliche Teil auf und kann damit zur Stabilisierung
der restlichen Teils der Arbeitsmembran einen Beitrag leisten.
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In
einer Variante ist das wenigstens eine Verstärkungslement
aufgrund einer stoff- und/oder form- und/oder kraftschlüssigen
Verbindung mit dem restlichen, nicht zu dem wenigstens einen Verstärkungselement
gehörenden Teil der Arbeitsmembran zusammen mit dem restlichen
Teil der Arbeitsmembran verformbar zum Vergrößern
oder Verkleinern des Arbeitsraumes. Das wenigstens eine Verstärkungselement
und der restliche Teil verformen sich somit im Wesentlichen in der
gleichen Weise aufgrund der Verbindung und bilden damit eine Einheit
zum Vergrößern und Verkleinern des Arbeitsraumes.
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Zweckmäßig
besteht das wenigstens eine Verstärkungselement wenigstens
teilweise aus Metall oder Kunststoff, z. B. Gummi.
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In
einer Variante besteht der restliche, nicht zu dem wenigstens einen
Verstärkungselement gehörende Teil der Arbeitsmembran
wenigstens teilweise aus Metall oder Kunststoff, z. B. Gummi.
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In
einer ergänzenden Ausgestaltung weist der Werkstoff des
wenigstens einen Verstärkungselementes einen größeren,
z. B. wenigstens doppelt so großen, Elastizitätsmodul
auf als der Werkstoff des restlichen, nicht zu dem wenigstens einen
Verstärkungselement gehörenden Teils der Arbeitsmembran.
Das wenigstens eine Verstärkungselement stabilisiert damit
den restlichen Teil wegen des größeren Elastizitätsmoduls.
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Vorzugsweise
ist der Werkstoff des wenigstens einen Verstärkungselements
elastisch und/oder biegbar. Das Verstärkungselement kann
sich damit zusammen mit dem restlichen Teil verformen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Werkstoff des restlichen, nicht
zu dem wenigstens einen Verstärkungselement gehörenden
Teils der Arbeitsmembran elastisch und/oder biegbar.
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In
einer zusätzlichen Variante ist das wenigstens eine Verstärkungselement
wenigstens eine Scheibenfeder und/oder wenigstens ein Gewebe und/oder
wenigstens eine Faser und/oder wenigstens eine Gewebematte.
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In
einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Scheibenfeder
mit wenigstens einer Ausnehmung, insbesondere einen Schlitz, versehen,
um die Federkonstante zu verkleinern.
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In
einer ergänzenden Ausgestaltung ist das wenigsten eine
Verstärkungselement, insbesondere die Scheibenfeder, im
Wesentlichen parallel zu dem restlichen, nicht zu dem wenigstens
einen Verstärkungselement gehörenden Teil der
Arbeitsmembran ausgerichtet.
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Vorzugsweise
ist das wenigstens eine Verstärkungselement von dem restlichen,
nicht zu dem wenigstens einen Verstärkungselement gehörenden Teil
der Arbeitsmembran wenigstens teilweise, insbesondere vollständig,
umschlossen. Das wenigstens eine Verstärkungselement und
der restliche Teil sind damit fomschlüssig miteinander
verbunden und verformen sich wenigstens teilweise in der gleichen
Weise.
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In
einer ergänzenden Ausgestaltung ist das wenigstens eine
Verstärkungselement, insbesondere unmittelbar oder mittels
eines Einsatzes, z. B. ein Gewinde- oder Steckeinsatz, mittels einer
Stange mit dem wenigstens einen Mittel zum Bewegen der Arbeitsmembran
verbunden.
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Vorzugsweise
umfasst das Mittel zum Bewegen der Arbeitsmembran ein Kurbeltrieb
oder einen Elektromagneten.
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Ein
erfindungsgemäßes System zum Einspeisen eines
Abgasnachbehandlungsmediums, z. B. eine Harnstoff-Wasser-Lösung,
in eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine, umfasst vorzugsweise
eine Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise die Abgasleitung, ein
Einspritzventil zum Einleiten des Abgasnachbehandlungsmediums in
die Abgasleitung, einen Vorratsbehälter für das
Abgasnachbehandlungsmedium, eine Fluidfördereinrichtung,
wenigstens eine Leitung zum Leiten des Abgasnachbehandlungsmediums
in die Abgasleitung mittels der Fluidfördereinrichtung,
wobei die Fluidfördereinrichtung gemäß einem
in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Fluidfördereinrichtung
ausgebildet ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in
dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Fluidfördereinrichtung
und/oder ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes System
zum Einspeisen eines Abgasnachbehandlungsmediums, z. B. eine Harnstoff-Wasser-Lösung,
in eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine.
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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 eine
schematische Längsschnitt einer Fluidfördereinrichtung
in einer ersten Stellung einer Arbeitsmembran mit einem Verstärkungselement,
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2 die
Fluidfördereinrichtung gemäß 1 in
einer zweiten Stellung der Arbeitsmembran mit dem Verstärkungselement
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3 eine
Ansicht des Verstärkungselements der Fluidfördereinrichtung
gemäß 1,
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4 eine
schematische Darstellung eines System zum Einspeisen eines Abgasnachbehandlungsmediums
in eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine und
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5 eine
stark vereinfachte Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 und 2 ist
ein Längsschnitt einer Fluidfördereinrichtung 1 als
Membranpumpe zum Fördern oder Pumpen eines Abgasnachbehandlungsmediums
in einem System 2 zum Einspeisen eines Abgasnachbehandlungsmediums
in eine Abgasleitung 21 einer Verbrennungskraftmaschine 20 dargestellt.
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In
einem Antriebsgehäusetopf 25 (nur teilweise dargestellt)
ist ein Kurbeltrieb 11 mit einer als Pleuelstange 13 ausgebildeten
Stange 12 angeordnet als Mittel 10 zum Bewegen
einer Arbeitsmembran 4.
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Der
Antriebsgehäusetopf 25 ist von einer Anschlussplatte 26 abgeschlossen.
Der im Querschnitt zylinderförmige Antriebsgehäusetopf 25 wird
somit deckelartig von der Anschlussplatte 26 verschlossen. Die
Anschlussplatte 26 besteht aus lichtdurchlässigen
und damit lasertransparentem Kunststoff. Der Antriebsgehäusetopf 25 besteht
aus laserabsorbierendem Kunststoff. Dadurch können in besonders vorteilhafter
Weise mittels der Schweißstege 28 zwischen dem
Antriebsgehäusetopf 25 und der Anschlussplatte 26 in
besonders vorteilhafter Weise die Anschlussplatte 26 und
der Antriebsgehäusetopf 25 mittels Laserschweißen
miteinader verbunden werden. Vorzugsweise ist dabei der Schweißsteg 28 auch
fluiddicht ausgebildet.
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In
der Anschlussplatte 26 ist ein erster Fluidanschluss 7 ausgebildet.
Ferner ist in dem Antriebsgehäusetopf 25 am Ende
des ersten Fluidanschlusses 7 ein als Einlassrückschlagventil 16 ausgebildetes
Ventil 9 vorhanden. Der erste Fluidanschluss 7 ist somit
auch in dem Antriebsgehäusetopf 25 mit dem Einlassrückschlagventil 16 vorhanden.
Durch den ersten Fluidanschluss 7 kann damit das zu fördernde Fluid
in einen Arbeitsraum 6 eingeleitet werden. Der Arbeitsraum 6 wird
dabei auf einer Seite von einer Innenseite des Antriebsgehäusestopfes 25 und
auf der anderen Seite von der bewegbaren elastischen Arbeitsembran 4 begrenzt.
Die aus Kunststoff, z. B. Gummi, ausgebildete Arbeitsmembran 4 ist
dabei in den Enden an einer Ringnut 27 des Antriebsgehäusetopfes 25 befestigt.
Ferner ist in analoger Weise zu dem ersten Fluidanschluss 7 und
dem Einlassrückschlagventil 16 an der Anschlussplatte 26 ein
zweiter Fluidanschluss 8 ausgebildet. An dem Antriebsgehäusetopf 25 ist
außerdem ein als Auslassrückschlagventil 17 ausgebildetes
Ventil 9 vorhanden sowie ein entsprechender Restabschnitt
des zweiten Fluidanschlusses 8. Das Einlassrückschlagventil 16 mit
einer nicht dargestellten Feder sowie einer beweglichen Klappe ist
dabei dahingehend ausgebildet, dass das zu fördernde Fluid
lediglich durch den ersten Fluidanschluss 7 in den Arbeitsraum 6 einströmen
kann, jedoch nicht durch den ersten Fluidanschluss 7 aus
dem Arbeitsraum 6 ausströmen kann. In gleicher
Weise kann aus dem zweiten Fluidanschluss 8 mit dem dahingehend
ausgebildeten Auslassrückschlagventil 17 das Fluid
ausschließlich aus dem Arbeitsraum 6 ausströmen.
Das Ein- und Auslassrückschlagventil 16, 17 sind
in analoger Weise mit einer nicht dargestellten Feder und einer
bewegbaren Klappe ausgebildet.
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An
der Arbeitsmembran 4 ist ein als Scheibenfeder 15 ausgebildetes
Verstärkungselement 5 form- und stoffschlüssig
befestigt. Bei der Herstellung der Scheibenfeder 15 aus
Metall wird die Scheibenfeder 15 in das Werkzeug zur Herstellung
der Arbeitsmembran 4 eingelegt und anschließend
beim Spritzgießvorgang zur Herstellung der Arbeitsmembran 4 die
Scheibenfeder 15 von dem Kunststoff zur Herstellung der
Arbeitsmembran 4 umspritzt. Die Scheibenfeder 15 aus
Metall als Verstärkungselement 5 und ein restlicher
Teil 14 aus Kunststoff und/oder Elastomer bilden gemeinsam
die Arbeitsmembran 4. Der Verbund zwischen der Scheibenfeder 15 und
dem restlichen Teil 14 der Arbeitsmembran 4 kann
auch mittels Vulkanisiern durchgeführt werden. Die Scheibenfeder 15 stabilisiert
und verstärkt den restlichen Teil 14 aus Kunststoff
der Arbeitsmembran 4, so dass die Arbeitsmembran 4 in vorteilhafter
Weise auch über einen längeren Zeitraum bei größeren
Drücken, z. B. von mehr als 6 bar, sicher und zuverlässig
mit einer sehr geringen Ausfallwahrscheinlichkeit eingesetzt werden
kann.
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In 3 ist
eine Ansicht der Scheibenfeder 15 dargestellt. Die Scheibenfeder 15 ist
tellerartig ausgebildet und weist dabei konzentrische Ausnehmungen 18 als
Schlitze 19 zu einem Mittelpunkt der Scheibenfeder 15 auf.
Die Ausnehmungen 18 verkleinern die Federkonstante der
Scheibenfeder 15, so dass größere elastische
Bewegungen der Scheibenfeder 15 als Bestandteil der Arbeitsmembran 4 mit
geringen Kräften möglich sind.
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Anstelle
einer Scheibenfeder 15 aus Metall als Verstärkungselement 5 können
als Verstärkungselement 5 auch in die Arbeitsmembran 4 aus
Gummi Fasern zur Verstärkung eingebracht werden, welche den
Gummi als Werkstoff der Arbeitsmembran 4 verstärken.
Darüber hinaus kann in den Gummi auch eine Gewebematte 30 zur
Verstärkung eingefügt werden, die z. B. wie die
Scheibenfeder 15 ausgebildet ist.
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In 2 ist
die Fluidfördereinrichtung 1 in einer zweiten
Stellung der Arbeitsmembran 4 dargestellt. Die Arbeitsmembran 4 befindet
sich dabei am unteren Totpunkt, so dass der Arbeitsraum 6 das
maximale Volumen einnimmt. Die Pleuelstange 13 ist mittels
eines als Steckeinsatz 31 ausgebildeten Einsatzes 29 mit
der Scheibenfeder 15 und damit der Arbeitsmembran 4 verbunden,
so dass ein geringer Teileaufwand erforderlich ist. Im unteren Totpunkt
der Arbeitsmembran 4 in einer ersten Stellung der Arbeitsmembran 4 nimmt
der Arbeitsraum 6 das minimale Volumen ein (1).
Die Arbeitsmembran 4 wird somit von dem Kurbeltrieb 11 bewegt,
der z. B. von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Bewegung
der Arbeitsmembran 4 bewirkt somit ein Vergrößern
des Arbeitsraumes 6, so dass in dem Arbeitsraum 6 ein
Unterdruck entsteht. Dieser entstehende Unterdruck wirkt auf das
Einlassrückschlagventil 16, das sich öffnet
und somit den ersten Fluidanschluss 7 freigibt. Dadurch
kann das zu fördernde Fluid durch den ersten Fluidanschluss 7 in
den Arbeitsraum 6 einströmen. Das Auslassrückschlagventil 17 ist
während dieses Vorganges geschlossen.
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Bei
einer Bewegung der Arbeitsmembran 4 in die in 1 dargestellte
Position verkleinert sich das Volumen des Arbeitsraumes 6,
so dass in dem Arbeitsraum 6 ein Überdruck entsteht.
Der Überdruck bewirkt, dass sich das Einlassrückschlagventil 16 schließt
und das Auslassrückschlagventil 17 öffnet. Damit
strömt das zu fördernde Fluid aus dem Arbeitsraum 6 heraus
durch den zweiten Fluidanschluss 8.
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In 4 ist
das System 2 zum Einspeisen eines Abgasnachbehandlungsmediums,
z. B. eine Harnstoff-Wasser-Lösung in die Abgasleitung 21 dargestellt.
Die Verbrennungskraftmaschine 20 erzeugt ein Abgas, das
durch die Abgasleitung 21 abgeleitet wird. In Strömungsrichtung
des Abgases ist in der Abgasleitung 21 außerdem
ein nicht dargestellter Katalysator vorhanden. Zur Verringerung
des Abgasausstoßes der insbesondere als Dieselmotor ausgebildeten
Verbrennungskraftmaschine 20 ist in Strömungsrichtung
des Abgases zwischen der Verbrennungskraftmaschine 20 und
dem nicht dargestellten Katalysator in der Abgasleitung 21 ein
Einspritzventil 24 vorhanden. In einem Vorratsbehälter 22 befindet sich
eine Harnstoffwasserlösung, die mittels der Fluidfördereinrichtung 1 durch
Leitungen 23 zu dem Einspritzventil 24 geleitet
wird. Das Einspritzventil 24 leitet dabei in Abhängigkeit
von der durch die Abgasleitung 21 strömende Menge
an Abgas die Harnstoffwasserlösung in die Abgasleitung 21 ein.
Die einzuleitende Menge an der Harnstoffwasserlösung kann zwischen
der Menge 0 und der maximalen Menge pro Zeiteinheit variieren.
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In 5 ist
ein Kraftfahrzeug 3 mit einem System 2 dargestellt.
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Die
Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind
miteinander kombinierbar, sofern nicht gegenteiliges erwähnt
wird.
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Insgesamt
betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Fluidfördereinrichtung 1 und
dem erfindungsgemäßen System 2 zum Einspeisen
eines Abgasnachbehandlungsmediums in die Abgasleitung 21 der
Verbrennungskraftmaschine 20 wesentliche Vorteile verbunden.
Die Arbeitsmembran 4 ist mittels eines Verstärkungselementes 5 stabilisiert und
verstärkt, so dass von der Fluidfördereinrichtung 1 auch über
längere Zeiträume hohe Drücke für
ein zu förderndes Fluid erzeugt werden können.
Das Förderverhalten der Fluidfördereinrichtung 1 ist
dabei in vorteilhafter Weise im Wesentlichen unabhängig
von der Temperatur oder dem Druck in dem Arbeitsraum 6,
weil sich die Arbeitsmembran 4 auch bei Temperaturerhöhungen
nur sehr gering ausdeht bzw. „aufbläst”,
Insbesondere beim Einsatz von Fluidfördereinrichtungen 1 in
Kraftahrzeugen 3 sind diese vorteilhaften Eigenschaften
erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/024232
A1 [0003]
- - DE 2618786 A1 [0004]
- - DE 4119228 C2 [0005]