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Die Erfindung betrifft ein System zur Zumessung von Fluid entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Zumesssysteme für Fluide sind in der Technik weit verbreitet und bekannt, insbesondere im Zusammenhang mit Heizungsanlagen und mit Abgassystemen in Fahrzeugen, sie werden auch als Dosiersysteme oder Einspritzsysteme bezeichnet. Sie bestehen in der Regel mindestens aus einem Druckerzeuger und einer Düse, in vielen Fällen übernimmt der Druckerzeuger auch die Funktion des Zumessens. In anderen Fällen sind die Funktionen getrennt, der Druckerzeuger erzeugt nur den Druck, und das Zumessen übernimmt ein Zumessventil. Die Funktion der Düse ist oft mit der Funktion des Zumessventils verknüpft, das Gerät mit beiden Funktionen wird meist Injektor genannt.
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DE 102006044246B4 beschreibt beispielsweise ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer Dosierpumpe, die als Membranpumpe ausgeführt ist. In dieser Patentschrift werden weitere Zumesssysteme in Betracht gezogen und gewürdigt.
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DE 10 2008 010 073 B4 zeigt eine Hubkolbenpumpe sowie ein System zum Dosieren eines Fluids, die aber nicht durch Kraftvergleich druckregelnd arbeitet, sondern im Wesentlichen unabhängig vom Auslassdruck Volumen verdrängt. Lediglich durch eine Leckage ergibt sich eine gewisse Druckabhängigkeit der Förderung. Auch die beschriebene Zwischenstellung ist nicht auf eine Druckregelung durch Verdrängung, sondern auf eine Beeinflussung des Leckagestroms ausgelegt. Insbesondere vermag das beschriebene System in der Zwischenstellung nicht einen gleichbleibenden Druck in der der Pumpe nachgeschalteten Leitung bereitzustellen oder durch Regelung einen solchen Druck einzustellen.
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DE 101 47 172 A1 zeigt eine Hubkolbenpumpe für einfrierende Medien, die außer der Rückstellfeder noch zwei weitere Federn aufweist, die dazu dienen, Körper in das Pumpengehäuse zu drücken und beim Einfrieren des Mediums nachzugeben, um eine Beschädigung der Pumpe zu verhindern. Ein solcher Einfrierschutz stellt keine Druckregelung dar, zumal nur sehr geringe Mengen kompensiert werden können, denn im Normalbetrieb, wenn die Pumpe tatsächlich fördert, findet ein solches Ausweichen nicht statt. Abgesehen von diesem Sicherheitsmerkmal handelt es sich um eine Dosierpumpe, die gesteuert verdrängend, und nicht durch Kraftvergleich druckregelnd arbeitet.
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DE 10 2007 039 794 A1 beschreibt eine Dosierpumpe und ihr Ansteuerverfahren. Die Dosierpumpe ist dazu eingerichtet, einstellbare Einzelfördermengen zu verdrängen, wobei aber die Einzelfördermengen durch die Ansteuerdauer gesteuert und nicht durch den Auslassdruck geregelt werden. Zusätzlich ist vorgesehen, die effektive Fördermenge durch ein Zusammenwirken von Ansteuerung, Dosierpumpe und Dosierventil zu verändern, wobei keine Druckregelung vorliegt.
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EP 1 731 761 B1 beschreibt eine Dosierpumpe mit einem Kapseldämpfer. Die Dosierpumpe arbeitet immer im Vollhub, also nicht druckregelnd. Der Dämpfer beeinfusst den Druck nur kurzzeitig, den zeitlichen Mittelwert des Drucks kann der Dämpfer nicht beeinflussen.
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Die Druckschrift
DE 40 15 780 A1 beschreibt ein Verdichtungsdrucksteuersystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe mit einer aufwendigen Regelung für komprimierbare Fluide, die einen Drucksensor enthält.
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Die Druckschrift
EP 1 398 502 A2 beschreibt eine Hubkolbenpumpe, die mit variabler Frequenz betrieben wird, aber den Druck nicht regelt.
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Die Druckschrift
US 4 278 406 A beschreibt eine Düngerföderpumpe, die als Kolbenpumpe ausgeführt ist.
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Als druckregelnde Pumpen für beliebige Fluide sind aus der Praxis vor allem rotierende Pumpen bekannt. Diese Pumpen sind aber erheblich komplexer und teurer als elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen und lassen sich daher in den Anwendungsfeldern der Hubkolbenpumpen nicht einsetzen.
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Alle bisher bekannten Zumesssysteme sind entweder in ihrer Herstellung recht aufwendig, oder weisen eine recht geringe Genauigkeit der Zumessung auf, oder lassen eine Beeinflussung des Drucks nicht zu.
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Die Aufgabenstellung dieser Erfindung besteht darin, ein mit geringem Aufwand herstellbares Zumesssystem zu beschreiben, das eine hohe Genauigkeit der Mengenzumessung und eine Beeinflussung des Drucks bei der Zumessung ermöglicht. Die Beeinflussung des Drucks dient nicht nur zur Verbesserung der Genauigkeit der Zumessung bei veränderten Umgebungsbedingungen, sondern auch zur Erzielung günstiger Einspritzverhältnisse, nämlich der Strahlform und der Tröpfchenverteilung im Strahl, bei veränderten Prozessbedingungen.
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Die Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die weiteren Ansprüche beschreiben vorteilhafte Erweiterungen der technischen Lehre der Erfindung.
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Die Verwendung einer Kolbenpumpe, die durch eine selbsttätige Anpassung des wirksamen Kolbenhubs nur soviel Fluid fördert, wie es zum Erreichen und Aufrechterhalten eines vorbestimmten Drucks im Auslass der Pumpe erforderlich ist, ist von Rotationspumpen bekannt, aber nicht von Hubkolbenpumpen, die von einem Magneten angetrieben sind. Die Verwendung dieser Pumpe bewirkt, dass auch ohne den Einsatz anderer druckregelnder oder druckbegrenzender Ventile ein annähernd konstanter Druck in der Leitung zwischen der Pumpe und dem Zumessventil erreicht wird, solange die Pumpe bedarfsgerecht angesteuert wird.
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Der sich ergebende Druck ist bei der hier eingesetzten druckregelnden Hubkolbenpumpe annähernd konstant, bei genauerer Betrachtung aber eine Funktion des Kolbenhubs H. Dieser Kolbenhub aber ist nicht oder nur sehr aufwendig beobachtbar und nicht unmittelbar steuerbar, er ergibt sich bei Vernachlässigung der volumetrischen Verluste aus dem beobachtbaren Verbrauchsvolumenstrom Q, der bekannten Kolbenfläche A und der steuerbaren Ansteuerfrequenz F:
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Dieser funktionale Zusammenhang kann zur Feinsteuerung des Drucks benutzt werden, wenn der funktionale Zusammenhang zwischen dem Hub und dem Druck bekannt und in der Ansteuerung abgelegt ist. Dann kann die Frequenz, die in einem beschreibbaren Bereich variabel ist, als Stellgröße für den Druck verwendet werden.
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Der Druck soll zum Beispiel gesteuert werden, um bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und unterschiedlichen Öffnungszeiten des Zumessventils die Strahlform hinter der Düse und die Tröpfchenverteilung der eingespritzten Flüssigkeit zu optimieren. Die Zusammenhänge werden in Versuchsreihen oder in Simulationsrechnungen ermittelt, in Kennfelder umgesetzt und durch die elektrische Ansteuerung angewandt, indem die Ansteuerfrequenz der Hubkolbenpumpe abhängig von der Einspritzmenge und von gemessenen Prozessparametern verändert wird.
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Wenn der Druck für die Einspritzbedingungen nicht variiert werden, sondern möglichst genau konstant gehalten werden soll, wird die Abhängigkeit des Drucks von der Frequenz genutzt, um kleine Abweichungen des Drucks, die sich zum Beispiel aus der Temperatur ergeben, auszuregeln oder steuernd zu korrigieren. Wenn der Druck im geschlossenen Regelkreis ausgeregelt werden soll, muss der Druck selbst oder eine mit dem Druck verknüpfte Prozessvariable mittels eines Sensors gemessen werden. Wenn der Druck in einer offenen Steuerkette korrigiert werden soll, muss ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Störgröße und dem Fehler im Druckwert bekannt sein, in der Ansteuerung abgelegt sein und bei der Festlegung der Frequenz in der Ansteuerung berücksichtigt werden. Im Fall einer Änderung des Förderstroms als Störgröße ist das einfach zu beschreiben (siehe oben), für andere Störgrößen müssen Versuchsreihen oder Simulationsrechnungen den funktionalen Zusammenhang ergeben.
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Im Sinne einer möglichst geringen Beeinflussung der Einspritzbedingungen durch zufällige Druckänderungen ist es vorteilhaft, die Arbeitsweise der Pumpe auf die Betätigung des Zumessventils zeitlich abzustimmen, insbesondere den Hubmagneten der Pumpe nicht zu betätigen, wenn das Zumessventil geöffnet ist. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, einen zeitlichen Sicherheitsabstand zwischen der jeweils letzten Betätigung des Hubmagneten und der Ansteuerung des Zumessventils einzuhalten.
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In jedem geschlossenen System, in dem Fluide durch eine Pumpe gefördert werden, muss ein geeignetes Mittel zur Begrenzung des Drucks vorhanden sein. Meist wird dazu ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen. Hier kann in vorteilhafter Weise die druckregelnde Eigenschaft der Pumpe genutzt werden, um einen unzulässigen Anstieg des Drucks infolge einer den Bedarf übersteigenden Förderung des Fluids zu verhindern. Steigt der Druck aus andern Gründen, zum Beispiel temperaturbedingt, unzulässig hoch an, so bewirken die Leckagepfade in der Pumpe, dass der Druck allmählich wieder abgebaut wird. Diese Leckagepfade sind in den Rückschlagventilen der Pumpe vorgesehen. Somit kann auf ein Druckbegrenzungsventil verzichtet werden.
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Nach einem Abstellen des Systems ist es in vielen Anwendungen erforderlich, dass der Druck abgebaut wird, um unerwünschte Abflüsse von Fluid in das nachgeordnete System zu vermeiden. Dazu wird in vielen Fällen ein Ablassventil verwendet. Hier kann auf dieses Ablassventil verzichtet werden, weil die Leckagepfade in der Pumpe das Fluid in den Vorratsbehälter zurückfließen lassen.
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Für eine störungsfreie und geräuscharme Funktion des Systems ist es vorteilhaft, wenn durch den Betrieb der Pumpe möglichst geringe Druckpulsationen erzeugt werden.
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Die druckregelnde Hubkolbenpumpe der gewählten Bauart weist ohnehin vergleichsweise kleine Druckpulsationen auf, aber diese lassen sich noch weiter vermindern, wenn man die Pumpe mit einem Dämpfer ausrüstet, der in den auslasseitigen Verdrängerraum der Pumpe integriert ist. Damit entfällt die Notwendigkeit, im Leitungssystem einen Dämpfer vorzusehen oder die Leitungen als Dämpfungsschläuche auszuführen.
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Das beschriebene Zumesssystem lässt sich in vorteilhafter und kostengünstiger Weise in Heizungsanlagen und in Abgasanlagen einsetzen. Insbesondere in Abgasanlagen stellt sich häufig die übergeordnete Anforderung, die Einspritzmenge und die Strahlform beim Einspritzen veränderlichen Prozessparametern anzupassen, das ist mit den hier beschriebenen Mitteln mit geringem Aufwand möglich. In einigen solchen Anlagen werden auch Flüssigkeiten verarbeitet, die in dem spezifizierten Temperaturbereich einfrieren können, wenn die Anlage nicht betrieben wird. Die druckbegrenzenden und druckabbauenden Merkmale des hier beschriebenen Zumesssystems sind geeignet, die Anlage beim Einfrieren der Flüssigkeit vor Schäden zu schützen.
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Bilder zur Bescheibung der Erfindung:
- 1 beschreibt das Zumesssystem mit seinen Schnittstellen.
- 2 beschreibt eine beispielhafte druckregelnden Hubkolbenpumpe
- 3 beschreibt den funktionalen Zusammenhang zwischen der Frequenz, dem Förderstrom, dem Hub des Kolbens und dem Druck
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Beispielhafte Beschreibung anhand der Bilder
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Das Zumesssystem 1, wie in 1 beschrieben, besteht aus einem Vorratsbehälter 2 für das zuzumessende Fluid, einer Pumpe 3, einer Leitung 4, die aus mehreren Teilleitungen bestehen kann, einem Zumessventil 5 und einer Düse 6 und einer elektrischen Ansteuerung 7. Die elektrische Ansteuerung 7 steht elektrisch mit einer Stromversorgung 8 und einem übergeordneten elektrischen Steuersystem 9 in Verbindung, außerdem ist an ihr ein Sensor 10 angeschlossen, der einen wesentlichen Prozessparameter des mit dem Fluid zu beaufschlagenden Prozesses erfasst.
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Auf dieses System wirken diverse variable Umweltbedingungen wie zum Beispiel die Umgebungstemperatur und die Dichte der Luft ein, die Spannung der elektrischen Versorgung 8 ändert sich in gewissen Grenzen, das übergeordnete elektrische Steuersystem 9 erteilt Steuerbefehle und insbesondere zeitlich variable Mengenvorgaben für das Zumessen an die elektrische Ansteuerung 7 und der mit dem Fluid beaufschlagte Prozess reagiert darauf mit der Veränderung eines wesentlichen Prozessparameters, der durch den Sensor 10 gemessen und an die elektrische Ansteuerung 7 gemeldet wird. Der Prozess ist auch Störungen ausgesetzt, die von dem Sensor 10 erfasst werden und an die elektrische Ansteuerung gemeldet werden.
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Das Zumesssystem ist mit einer Hubkolbenpumpe 3 gemäß 2 versehen, die durch eine selbsttätige druckgesteuerte Anpassung des Kolbenhubs ihre Fördermenge dem Bedarf des Zumesssystems anpasst. Dazu zieht ein in dieser Pumpe enthaltener Elektromagnet 11 periodisch einen Kolben 12 gegen einen Anschlag, und eine Rückstellfeder 13 drückt den Kolben wieder zurück. Bei der ersten Bewegung wird der auslassseitige Verdrängerraum mit Fluid gefüllt, bei der zweiten Bewegung wird Fluid in die Leitung 4 verdrängt. Die Rückschlagventile 14 und 15 in der Pumpe stellen sicher, dass das Fluid nicht in den Vorratsbehälter zurückfließt.
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Die Rückstellfeder 13 ist so bemessen, dass sie den Kolben 12 nur solange zurückdrücken kann, bis der durch die Fluidverdrängung ansteigende Druck in der Leitung 4 einen vorbestimmten Grenzwert erreicht oder überschreitet. Wird dieser Grenzwert für den Druck erreicht, ist kein zurückstellender Überschuss der Federkraft über die auf den Kolben zurückwirkende Druckkraft mehr vorhanden und die Rückstellbewegung und damit die Fluidverdrängung kommen zum Stillstand. Damit ergibt sich eine selbsttätige Druckregelung für die Leitung 4.
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Der recht genau geregelte Druck ermöglicht einen entsprechend sicheren Betrieb des Zumessventils 5.
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Die Genauigkeit der oben beschriebenen Druckregelung ist aber durch die Maßungenauigkeit und die ungenaue Federvorspannung der Rückstellfeder 13 beeinträchtigt, deshalb ist es vorteilhaft, dass die Federvorspannung eingestellt werden kann, um die Ungenauigkeiten zu kompensieren.
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Zusätzlich wird aber die Genauigkeit der Druckregelung betriebsbedingt durch die Federsteifigkeit der Rückstellfeder 13 und den variablen Hub des Kolbens 12 beeinträchtigt, es ergibt sich ein recht präzise durch einen funktionalen Zusammenhang beschreibbarer Einfluss des Kolbenhubs auf den Druck, wie in 3 beschrieben. In diesem Diagramm werden der Druck in der Leitung 4 und der Förderstrom der Pumpe auf der senkrechten Achse sowie der Kolbenhub auf der waagrechten Achse aufgetragen. Es werden zwei Betriebspunkte mit derselben Fördemenge, aber mit unterschiedlicher Frequenz betrachtet. Bei der höheren Frequenz ergibt sich ein deutlich geringerer Hub und damit ein höherer Druck, weil die Rückstellfeder 13 weniger entspannt wird.
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Der Kolbenhub ist im Betrieb nur sehr aufwendig zu messen, aber er ergibt sich bei Vernachlässigung der Leckageverluste aus dem Förderstrom und der Ansteuerfrequenz, kann also bei bekanntem Förderstrom und bekannter Frequenz ebenfalls als bekannt angesehen werden. Der Förderstrom ergibt sich aus dem Druck in der Leitung 4 und der relativen Öffnungszeit des Zumessventils 5.
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Da der funktionale Zusammenhang des Einflusses des Kolbenhubs auf den Druck vorher ermittelt wurde, regelt die elektrische Ansteuerung eine Abweichung des Drucks durch eine Veränderung der Frequenz des Ansteuersignals wieder aus. Daneben wird dieser funktionale Zusammenhang auch genutzt, um den Druck in geringem Maße gezielt zu verändern. Dies geschieht, um den Einfluss von Veränderungen der Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel der Temperatur auf die Ausbildung des von der Düse 6 erzeugten Strahls zu kompensieren. Dazu muss der funktionale Zusammenhang zwischen der Temperatur, dem Druck und der zusammengesetzten Wirkung auf den Strahl bekannt sein und in der Ansteuerung 7 als Tabelle abgelegt sein.
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Die Veränderung der Frequenz des Ansteuersignals durch die elektrische Ansteuerung 7 findet ihre Grenze in der Bedingung, dass der Magnet der Pumpe 11 und das Zumessventil 5 nicht gleichzeitig aktiviert sein sollen. Damit wird verhindert, dass der Druckeinbruch, der bei der Aktivierung des Magneten gegebenenfalls eintritt, sich auf das Zumessventil und die Düse auswirkt. Der Druckeinbruch entsteht, wenn während des Spannens der Rückstellfeder 13 durch den Magneten 11 gleichzeitig durch das Zumessventil Fluid aus der Leitung entnommen wird.
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Da die Pumpe 3 den Druck in der Leitung 4 selbsttätig regelt, ist zur Begrenzung des von der Pumpe selbst aufgebauten Drucks kein zusätzliches Druckbegrenzungsventil erforderlich. Damit auch temperaturbedingte Druckerhöhungen nicht zu unzulässigen Drücken in der Leitung 4 führen, ist die Pumpe 3 mit Leckagepfaden in ihren Rückschlagventilen versehen. Auch die Spaltabdichtung des auslassseitigen Verdrängerraums der Pumpe weist eine Leckage auf, die annähernd die gleiche Größe wie die Leckage der Rückschlagventile hat. Damit können temperaturbedingte Drucküberschreitungen im zulässigen Bereich begrenzt werden, denn temperaturbedingte Druckerhöhungen können nur sehr langsam erfolgen.
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Die oben beschriebenen Leckagepfade in der Pumpe bewirken auch, dass nach einem Abstellen des Zumesssystems sich der Druck in der Leitung 4 langsam abbauen kann. Damit ist gewährleistet, dass das System nach einiger Zeit drucklos ist und dass keine Gefahr eines unerwünschten Ausfließens des Fluids besteht.
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Das beispielhafte System wird durch den in die Pumpe integrierten Dämpfer 16 vor Druckpulsationen geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Zumesssystem
- 2.
- Vorratsbehälter
- 3.
- Hubkolbenpumpe
- 4.
- Leitung
- 5.
- Zumessventil
- 6.
- Düse
- 7.
- Elektrische Ansteuerung
- 8.
- Spannungsversorgung
- 9.
- Übergeordnetes Steuersystem
- 10.
- Sensor für Prozessparameter
- 11.
- Elektromagnet
- 12.
- Kolben
- 13.
- Rückstellfeder
- 14.
- Rückschlagventil
- 15.
- Rückschlagventil
- 16.
- Dämpfer
