DE102011089516B4

DE102011089516B4 - Pumpe zum Rücksaugen für ein flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel, Dosieranordnung und Verfahren zum Dosieren und Rücksaugen

Info

Publication number: DE102011089516B4
Application number: DE102011089516.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Gottwald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE102011089516A1; FR2984970A1; FR2984970B1

Abstract

Es wird eine Membranpumpe zum Befördern eines Fluids in beziehungsweise zum Rücksaugen eines Fluids aus einer Fluidleitung einer Dosieranordnung vorgeschlagen, mit einem Stempel (42) zur Übertragung einer Antriebskraft eines sich drehenden Exzenters (44) auf eine Pumpenmembran (54), wobei durch eine Auf- und Abbewegung der Pumpenmembran ein Ansaugen des Fluids über einen Fluideinlaß (58) und ein Weiterbefördern des Fluids über einen Fluidauslaß (60) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (44) und der Stempel (42) so zueinander angeordnet sind, dass, insbesondere in einem Ruhezustand der Membranpumpe, der Exzenter (44) und der Stempel (42) durch Einstellung einer geeigneten Drehposition des Exzenters (44) voneinander beabstandet in Stellung kommen können. Des Weiteren wird eine Dosieranordnung und ein Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Pumpe mit einem Exzenterantrieb bzw. einer Dosieranordnung bzw. einem Verfahren zum Dosieren und Rücksaugen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen ist zur Erfüllung der Umweltauflagen häufig ein SCR-Katalysator in der Abgasanlage vorgesehen. Damit der SCR-Katalysator die im Abgas enthaltenen NOx-Verbindungen in Wasser und Luftstickstoff umwandeln kann, wird stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Abgasnachbehandlungsmittel, beispielsweise eine als Reduktionsmittel dienende flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang eingespritzt. Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein Dosiersystem umfassend einen Reduktionsmitteltank, eine Reduktionsmittelpumpe und ein Dosiermodul, das ähnlich wie der Injektor einer Kraftstoffeinspritzanlage arbeitet, eingesetzt. Die Pumpe und zugeordnete Komponenten werden auch als Fördermodul bezeichnet.
Aufgabe des Fördermoduls bzw. der Pumpe ist es, Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Tank anzusaugen und auf der Druckseite einen ausreichenden Druck aufzubauen, so dass die flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung fein zerstäubt wird, sobald das Dosiermodul bedarfsgesteuert öffnet und das Abgasnachbehandlungsmittel insbesondere nachmotorisch der Abgasanlage zuführt. Der Injektor ist ebenso wie das Fördermodul mit einem Steuergerät der Brennkraftmaschine verbunden und wird von diesem dem Bedarf entsprechend geöffnet und wieder geschlossen. Entsprechendes gilt auch für den Betrieb der Förderpumpe. Da Harnstoff-Wasser-Lösung die Eigenschaft hat, bei niedrigen Temperaturen einzufrieren und dabei sein Volumen um etwa 11 % zu vergrößern, müssen Maßnahmen getroffen werden, um Schäden an dem Dosiersystem durch gefrierende Harnstoff-Wasser-Lösung zu verhindern.
Zu diesem Zweck ist aus der EP 1 812 144 A1 bzw. der DE 10 2004 054 238 A1 bekannt, Harnstoff-Wasser-Lösung führende Leitungen zu belüften. Dazu ist die Pumpe mit einer umkehrbaren Förderrichtung ausgebildet bzw. es ist ein Ventil zur Umkehr der Förderrichtung der Pumpe vorgesehen. Es ist hier wie auch in der nachveröffentlichten DE 10 2011 081 628 A1 beschrieben, dass optional eine zweite Pumpe vorgesehen sein kann, um die Harnstofflösung aus dem Bereich der Förderleitung herauszupumpen. Exzenterpumpen sind beispielsweise aus der DE 10 2008 043 309 A1 bekannt. Die DE 35 37 297 A1 offenbart auch eine Flüssigkeitsdosierpumpe, mit einer motorisch angetriebenen Exzenterscheibe.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Membranpumpe bzw. Dosieranordnung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Dosieren eines Fluids bzw. eines Abgasnachbehandlungsmittels mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass sie eine sichere Pumpfunktion, insbesondere eine sichere Rücksaugfunktion mit hohem Pumpvolumen bereitstellen. Darüber hinaus bleibt es möglich, ein Abdichten des Fluidpfads innerhalb der Pumpe, insbesondere in einem Ruhezustand der Pumpe, zu gewährleisten.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Dosieranordnung bzw. des angegebenen Verfahrens möglich.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1 eine Dosieranordnung mit einer Rücksaugpumpe, die über eine Rücklaufleitung entleert,
2 eine Membranpumpe bzw. Rücksaugpumpe und
3 einen Ausschnitt eines Stempels einer Rücksaugpumpe in fünf verschiedenen Betriebszuständen a) bis e).

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Dosieranordnung 3 für eine als Abgasnachbehandlungsmittel eingesetzte wässrige Harnstofflösung, welche in einem Vorratstank 1 bevorratet wird. Hierbei ist ein Fördermodul 21 vorgesehen, welches über eine Druckleitung 25 mit einem Dosiermodul 13 verbunden ist. Das Fördermodul 21 umfaßt eine Förderpumpeneinheit 5, innerhalb der druckseitig einer Förderpumpe 7 ein Rückschlagventil 6 folgt. Saugseitig ist die Förderpumpe 7 über eine Saugleitung 23 mit dem Vorratstank 1 verbunden, wobei zwischen Tank 1 und Förderpumpeneinheit 5 ein Vorfilter 9 angeordnet ist. Die Druckleitung 25 verbindet einen druckseitigen Anschluß der Förderpumpeneinheit 5 über ein Hauptfilter 10 mit dem Dosiermodul 13. Im Bereich der Ausgangsseite des Hauptfilters 10 ist eine Rücklaufleitung 27 angeschlossen, welche zum Vorratstank 1 zurückführt und dort vorzugsweise oberhalb eines maximalen Füllstands des Tanks 1 endet. In der Rücklaufleitung 27 ist eine Reihenschaltung eines Rückschlagventils 17 mit einer Drossel 15 angeordnet. Das Rückschlagventil 17 ist auf der dem Tank zugewandten Seite der Rücklaufleitung angeordnet und kann zum Tank hin öffnen, und die Drossel 15 ist auf der dem Hauptfilter 10 zugewandten Seite der Rücklaufleitung angeordnet. Drossel 15 und Rückschlagventil 17 sind als integriertes Bauteil ausgebildet. Das Fördermodul 21 weist neben der Förderpumpe 7 eine bedarfsweise schaltbare Rücksaugpumpe 8 auf, welche über eine Rücksaugleitung 29 eingangsseitig über die Rücklaufleitung 27 mit der Druckleitung 25 verbunden ist. Ausgangsseitig der Rücksaugpumpe 8 führt die Rücksaugleitung 29 über die dem Tank zugewandte Seite der Rücklaufleitung 27 zurück zum Tank. An die Druckleitung 25 ist in einem Bereich zwischen dem Hauptfilter 10 und dem Dosiermodul 13 ein Drucksensor 11 angeschlossen.
Zum einen wird über die Förderpumpeneinheit im Dosierbetrieb das flüssige Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Tank angesaugt und über das Dosiermodul 13, welches als schaltbares Ventil ausgestaltet sein kann, stromaufwärts insbesondere eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion dosiert in den Abgastrakt eingespritzt. Überschüssiges Abgasnachbehandlungsmittel fließt über die Rücklaufleitung 27 zurück in den Tank. Zum anderen wird nach Abstellen der Brennkraftmaschine zu Zwecken des Gefrier- bzw. Korrosionsschutzes das Leitungssytem leergesaugt. Hierzu wird das insbesondere elektrisch ansteuerbare Dosiermodul geöffnet und die Rücksaugpumpe 8 eingeschaltet, so dass über die Rücksaugpumpe 8 insbesondere das Dosiermodul und auch die ansonsten fluidführenden Leitungen entleert werden und das betreffende Abgasnachbehandlungmittel unter Nutzung der Rücklaufleitung 27 insbesondere auf der dem Tank zugewandten Seite der Rücklaufleitung 27 wieder dem Tank 1 zugeführt wird.
2 zeigt eine als Rücksaugpumpe verwendbare Membranpumpe 40 mit einem Fluideinlaß 58 mit darin angebrachtem Einlaßventil 158 und mit einem Fluidauslaß 60 mit darin angebrachtem Auslassventil 160. Einlaß und Auslaß sind im Bereich eines Trägers 56 der Pumpe angeordnet. Ein beispielsweise durch einen Gleichstrommotor angetriebener, sich drehender Exzenter 44 hebt einen Stempel 42 der Pumpe mit jeder Umdrehung an, wobei hierbei durch das Einlassventil beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung angesaugt wird. Der Exzenter befindet sich in einem Antriebsraum 45, der als Hohlraum innerhalb des Stempels 42 ausgebildet ist, und wird über eine in den Hohlraum hineinragende Antriebswelle 52 eines nicht näher dargestellten, beispielsweise elektrisch ansteuerbaren Pumpenmotors in Drehrichtung 62 angetrieben. Eine zwischen dem Stempel 42 und einem Gegenlager 50 gespannte Feder 48 drückt im weiteren Verlauf den Stempel 42 sowie insbesondere die Pumpenmembran 54 in Richtung Schließfläche 59 des den Einlaß 58 mit dem Auslaß 60 verbindenden Verbindungsraums 63 und damit das angesaugte Fluid durch das Auslassventil 160 in Richtung Bestimmungsort; im Falle einer Verwendung als Rücksaugpumpe 8, wie in 1 dargestellt, ist der Vorratstank 1 der Bestimmungsort. Die 2 stellt somit eine Ausführungsform einer rotierenden Exzenterpumpe dar, die ein Fluid, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, fördert und im stromlosen Fall den Fluidpfad innerhalb der Pumpe analog einem 2/2-Wege-Ventil abdichtet.
Im in der 2 dargestellten Ruhezustand der Pumpe 40, also wenn der Pumpenmotor stromlos ist, hat der Exzenter keinen Kontakt zum Stempel. Ein Restspalt 46 verhindert das Anheben des Stempels durch den Exzenter. Die Membran kann die Verbindung zwischen Ein- und Ausgang verschließen und die Pumpe wirkt nun als geschlossenes 2/2-Wege-Ventil. Die Feder 48 sorgt also für die notwendige Verschlusskraft im Normalbetrieb und insbesondere im Abstellfall der Pumpe.
Im Unterschied zur Verwendung eines Hubantriebs, beispielsweise mittels eines Hubmagneten, weist ein als Pumpenmotor verwendeter Gleichstrommotor nicht die möglichen Nachteile einer maximalen Hubfrequenz und eines dadurch begrenzten Pumpvolumens auf. Ein Gleichstrommotor kann in einfacher Weise mit einem konstanten Strom betrieben werden und benötigt jedenfalls für den normalen Pumpenbetrieb (d.h. für Pumpvorgänge) keine pulsierende Stromansteuerung.
In 3 ist der gesamte Ansaug- und Fördervorgang schematisch dargestellt. Die Teilfiguren a) bis e) zeigen hierbei einen Teilbereich 70 des Stempels 42 in verschiedenen Positionen. Die Teilfiguren a) bis c) zeigen das Anheben des Stempels 42. In d) verliert der Exzenter 44 den Kontakt zum Stempel und die Feder drückt den Stempel nach unten in Richtung Schließfläche 59. Die Membran 54 bewegt sich dabei nach unten und verschließt nach dem Fördern des Fluids schließlich das „2/2-Wege-Ventil“. Im weiteren Drehverlauf des Exzenters hat dieser keinen Kontakt zum Stempel (Teilfiguren e) und a)). In Teilfigur b) entsteht dann erster Kontakt von Exzenter und Stempel. Zum Anheben des Stempels muss ein hinreichend großes Drehmoment über die Motorwelle 52 am Excenter 44 anliegen.
Damit im stromlosen Abstellfall ein Restspalt 46 zwischen Exzenter 44 und Stempel 42 vorhanden ist zum Zwecke eines sicheren Verschlusses des „2/2-Wege-Ventils“, können zum Beispiel am Ende der Nachlaufphase des Pumpenmotors kurze Ansteuerimpulse für eine sichere Endstellung des Exzenters sorgen. Die Motorwelle ist insbesondere im stromlosen Zustand eines als Pumpenmotors verwendeten Gleichstrommotors frei drehbar. Die kurzen Stromstöße erzeugen an der Motorwelle nicht das notwendige Drehmoment zum Anheben des Stempels. Bleibt der Exzenter in der Anhebe-Phase (Teilfigur b)) stehen, wird er durch die Federkraft zurückgedreht, und der Restspalt ist zweckgemäß vorhanden. Bleibt hingegen der Exzenter in der Stellung wie in c) dargestellt stehen und kann nicht von der Feder zurück gedrückt werden, dann sorgen die erwähnten kurzen Stromimpulse, mit denen der Pumpenmotor in diesem Fall beaufschlagt wird, für eine weitere Drehung. Die kurzen Stromimpulse reichen hierzu aus, weil das aufzubringende Drehmoment in dieser Stellung bereits deutlich geringer ist als in der Anhebe-Phase gemäß Teilfigur b). Der Exzenter bewegt sich über den oberen Totpunkt und es entsteht wieder der Restspalt mit verschlossenem 2/2-Wege-Ventil gemäß Teilfigur a). Das geringe Drehmoment aufgrund der kurzen Stromimpuls ist jedenfalls nicht in der Lage, den Stempel wieder anzuheben.

Claims

Membranpumpe zum Befördern eines Fluids in beziehungsweise zum Rücksaugen eines Fluids aus einer Fluidleitung einer Dosieranordnung, mit einem Stempel (42) zur Übertragung einer Antriebskraft eines sich drehenden Exzenters (44) auf eine Pumpenmembran (54), wobei durch eine Auf- und Abbewegung der Pumpenmembran ein Ansaugen des Fluids über einen Fluideinlaß (58) und ein Weiterbefördern des Fluids über einen Fluidauslaß (60) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (44) und der Stempel (42) so zueinander angeordnet sind, dass, insbesondere in einem Ruhezustand der Membranpumpe, der Exzenter (44) und der Stempel (42) durch Einstellung einer geeigneten Drehposition des Exzenters (44) voneinander beabstandet in Stellung kommen können, wobei der Stempel (42) im Falle einer beabstandeten Anordnung von Exzenter (44) und Stempel (42) eine fluidische Verbindung (63) zwischen dem Fluideinlaß (58) und dem Fluidauslaß (60) fluiddicht abschließt.
Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (42) mittels mindestens eines Federelements (48) in Richtung einer Schließfläche (59) gedrückt wird, welche dazu eingerichtet ist, im Zusammenwirken mit der Pumpenmembran (54) das fluiddichte Abschließen der fluidischen Verbindung (63) zu gewährleisten.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (44) in einem als Hohlraum innerhalb des Stempels (42) ausgebildeten Antriebsraum (45) angeordnet ist.
Dosieranordnung (3) für ein flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel zur Nachbehandlung des Abgases einer eine Abgasanlage aufweisenden Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, aufweisend eine Förderpumpe (7) und ein Dosiermodul (13), wobei die Förderpumpe (7) mit einer Saugleitung (23) verbunden ist zum Ansaugen des Abgasnachbehandlungsmittels aus einem Tank (1), wobei die Förderpumpe (7) und das Dosiermodul (13) über eine Druckleitung (25) miteinander verbunden sind und das Abgasnachbehandlungsmittel über das Dosiermodul (13) der Abgasanlage zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (8) zum Rücksaugen vorgesehen ist, wobei die als Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildete Rücksaugpumpe (8) saugseitig mit dem Dosiermodul (13) verbunden ist.
Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels, insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung, zur Nachbehandlung des Abgases einer eine Abgasanlage aufweisenden Brennkraftmaschine, bei dem mittels einer Förderpumpe (7) das Abgasnachbehandlungsmittel aus einem Tank (1) angesaugt und über ein Dosiermodul (13) der Abgasanlage zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bedarfsweise das zuvor aus dem Tank angesaugte Abgasnachbehandlungsmittel mittels einer als Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildeten Rücksaugpumpe (8) zum Tank zurückgeführt wird, wobei im Falle einer beabsichtigten Überführung der Rücksaugpumpe in einen Ruhezustand der Exzenter (44) der Rücksaugpumpe derart positioniert wird, dass der Exzenter (44) und der Stempel (42) der Rücksaugpumpe voneinander beabstandet in Stellung gelangen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ruhezustand der Rücksaugpumpe keine fluidische Verbindung zwischen dem Fluideinlaß (58) und dem Fluidauslaß (60) der Rücksaugpumpe besteht.