DE102011118836B4

DE102011118836B4 - Doppelpumpenaggregat mit gegenläufigen Förderrichtungen und Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102011118836B4
Application number: DE201110118836
Authority: DE
Inventors: Axel Müller; Michael Müller; Thomas Rolland; Robert Wellnitz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2031-11-19
Also published as: DE102011118836A1

Abstract

Pumpenaggregat bestehend aus zwei elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpen, bei dem ein Einlass (11) einer ersten Hubkolbenpumpe (1) mit einem Auslass (22) einer zweiten Hubkolbenpumpe (2) und einem Vorratstank (3) für die Flüssigkeit verbunden ist und dass ein Auslass (12) der ersten Hubkolbenpumpe (1) mit einem Einlass (21) der zweiten Hubkolbenpumpe (2) und einem Verbraucher (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hubkolbenpumpe (1) bei Stillstand eine in Förderrichtung wirkende dynamische kolbenhubabhängige Abdichtung (13) aufweist, deren dichtende Wirkung durch den Druck am Einlass (11) verstärkt wird, und gegen die Förderrichtung ein Rückschlagventil (16) und ein Rückschlagventil (41) als Abdichtung wirken, und wobei die zweite Hubkolbenpumpe (2) eine in ihrer Förderrichtung bei Stillstand wirkende dynamische kolbenhubabhängige Abdichtung (23) aufweist, deren für die dichtende Wirkung maßgebende Axialkraft von einer Rückstellfeder (24) aufgebracht wird, die einer Kraft des Drucks am Einlass (21) entgegenwirkt, wobei ein Rückschlagventil (26) und eine dynamische Abdichtung (23) einen Durchfluss gegen die Förderrichtung verhindern.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Doppelpumpenaggregat entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Doppelpumpenaggregate sind bekannt und weit verbreitet, sie dienen bei einer Reihenschaltung der beiden Pumpen dazu, einen hohen Druck zu erzeugen, oder die Aufgaben des Ansaugens und des Förderns unterschiedlichen Pumpen zuzuordnen. Bei einer Parallelschaltung der Pumpen dienen sie dazu, unterschiedliche Verbraucher zu versorgen, einem Verbraucher unterschiedlich große Fördermengen zuzuführen oder einen Verbraucher mit unterschiedlichen Flüssigkeiten zu versorgen.
Die Anwendung dieser Erfindung besteht darin, einerseits einen Verbraucher mit Flüssigkeit aus einem Vorratstank zu versorgen und andererseits den Verbraucher und die Leitung zu diesem Verbraucher nach dem Beendigen der Förderung zu entleeren. Bei der Verwendung einer umlaufenden schlitzgesteuerten Pumpe, zum Beispiel einer Zahnradpumpe, können beide Aufgaben von einer Pumpe wahrgenommen werden, indem man die Drehrichtung der Pumpe für das Entleeren umkehrt, dies wird als bekannt vorausgesetzt. Auch umlaufende Kolbenpumpen mit zusätzlichen Funktionen sind bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 694 06 270 T2 . Eine durch Rückschlagventile gesteuerte Pumpe aber kann in ihrer Wirkung nicht umgekehrt werden, wenn man keine aktiv geschalteten Ventile einsetzen will, wie in der Druckschrift DE 198 11 400 A1 gezeigt wird. Beim Fördern und Dosieren geringer Flüssigkeitsmengen haben sich durch Elektromagnete angetriebene Hubkolbenpumpen bewährt, wie zum Beispiel in der DE 43 28 621 A1 beschrieben. Diese Hubkolbenpumpen können fördern und mit ausreichender Genauigkeit dosieren, und sie verhindern das unerwünschte Nachfließen von Flüssigkeit im Stillstand der Pumpen. Solche Pumpen sind aber nicht umsteuerbar und die Kombination einer solchen Pumpe mit einem magnetbetätigten Umschaltventil ist nicht wirtschaftlich. Die Hubkolbenpumpe gemäß der Druckschrift DE 30 29 089 A1 zeigt eine Doppel-Hubkolbenpumpe mit einem antreibenden Magneten und zwei Verdrängerräumen, verbunden mit insgesamt vier Rückschlagventilen. Diese Pumpe kann zwar sowohl Fördern als auch Absaugen, aber beide Vorgänge nicht unabhängig voneinander ausführen.
Damit ergibt sich als Aufgabe dieser Erfindung der Einsatz einer Hubkolbenpumpe oder einer Mehrzahl von Hubkolbenpumpen für die Förderung von Flüssigkeit und das Leersaugen der Leitung bei Wahrung der weiteren Vorteile des Einsatzes von elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpen.
Die Aufgabe wird durch die charakteristischen Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die weiteren Patentansprüche führen die charakteristischen Merkmale näher aus und zeigen vorteilhafte Weiterentwicklungen sowie Verfahren zur Anwendung des Aggregats.
Das erfindungsgemäße Pumpenaggregat besteht aus zwei elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpen, wobei der Einlass der ersten Hubkolbenpumpe mit dem Auslass der zweiten Hubkolbenpumpe und dem Vorratstank für die Flüssigkeit verbunden ist und der Auslass der ersten Hubkolbenpumpe mit dem Einlass der zweiten Hubkolbenpumpe und dem Verbraucher verbunden ist. Die erste Hubkolbenpumpe fördert Flüssigkeit zum Verbraucher in genau abgemessener Menge und die zweite Hubkolbenpumpe hat zwei Funktionen, erstens entleert sie nach dem Ende des Förderbetriebs den Verbraucher, die Leitungen zum Verbraucher und sich selbst und zweitens begrenzt sie den Druck in der Leitung zum Verbraucher beim Förderbetrieb der ersten Hubkolbenpumpe. Die erste Hubkolbenpumpe ist im Betrieb mit einem gepulsten elektrischen Strom beaufschlagt und saugt jeweils nach dem Abschalten des Stroms Flüssigkeit vom Vorratstank in den Verdrängerraum an und verdrängt ein gleichgroßes Volumen aus dem Ankerraum zum Verbraucher. Nach dem Einschalten des Stroms wird Flüssigkeit vom Verdrängerraum zum Ankerraum umgepumpt. Die zweite Hubkolbenpumpe ist bei ihrem Betrieb ebenfalls mit einem gepulsten elektrischen Strom beaufschlagt und saugt jeweils nach dem Einschalten des Stroms Flüssigkeit vom Verbraucher in den Ankerraum an und verdrängt ein gleichgroßes Volumen vom Verdrängerraum zum Vorratstank. Nach dem Abschalten des Stroms wird Flüssigkeit vom Ankerraum zum Verdrängerraum umgepumpt. Durch die Anordnung und leitungsmäßige Verbindung der beiden Hubkolbenpumpen kann das Aggregat als ganzes je nach Betriebsart der Pumpen Flüssigkeit vom Vorratstank zum Verbraucher fördern, Flüssigkeit vom Verbraucher zurück in den Vorratstank fördern oder Flüssigkeit im Kreis zwischen beiden Hubkolbenpumpen umfördern.
Die erste Hubkolbenpumpe weist eine bei Stillstand in ihrer Förderrichtung wirkende dynamische Abdichtung auf, deren dichtende Wirkung durch den Druck am Einlass verstärkt wird. Damit wird das unerwünschte Nachfließen von Flüssigkeit bei einem Stillstand des Aggregats auf diesem Pfad sicher verhindert. Gegen die Förderrichtung dichten zwei Rückschlagventile in Serie. Die zweite Hubkolbenpumpe weist eine bei Stillstand in ihrer Förderrichtung wirkende dynamische kolbenhubabhängige Abdichtung auf, deren für die dichtende Wirkung maßgebende Axialkraft von ihrer Rückstellfeder aufgebracht wird. Die Axialkraft wirkt der Kraft des Drucks am Einlass der Hubkolbenpumpe entgegen. Diese in der Schließkraft begrenzte Abdichtung hat die Funktion einer Druckbegrenzung für die Leitung zum Verbraucher. Gegen die Förderrichtung der zweiten Hubkolbenpumpe dichten ein Rückschlagventil und die oben beschriebene kolbenhubabhängige Abdichtung in Serie.
Die erste Hubkolbenpumpe zeichnet sich durch ein gutes Ansaugverhalten aus, das durch einen sehr kleinen Verdrängungsraum, ein saugseitiges Rückschlagventil mit sehr geringem Ansprechdruck und durch eine geringe Kolbengeschwindigkeit im Saughub bewirkt wird.
Die Spulen der beiden Hubkolbenpumpen sind mit Wärmeleitblechen verbunden, die bei einer Inbetriebnahme des Aggregats im kalten Zustand einen Wärmefluss zu den Leitungen erleichtern. Um bei einem Einfrieren der Flüssigkeit eine Zerstörung der ersten Hubkolbenpumpe zu verhindern, ist sie mit einer elastischen Membran versehen, die innen mit dem druckseitigen Ankerraum der Pumpe verbunden und, wenn erforderlich, von außen federnd abgestützt ist. Die zweite Hubkolbenpumpe entleert sich bei Betriebsschluss des Aggregats, wie oben beschrieben. Daher sind keine weiteren Maßnahmen zum Einfrierschutz erforderlich. Zum Schutz vor Einfrierschäden weisen die Leitungen an den Anschlüssen der beiden Hubkolbenpumpen eine hohe Elastizität auf und diese Leitungen sind von einem ausreichend großen Ausdehnungsraum umgeben. Das Aggregat enthält neben den beiden Hubkolbenpumpen auch die zugehörige elektrische Ansteuerung und ein diese Bauelemente umfassendes Gehäuse.
Verfahren zum Betrieb des Aggregats
Beim Stillstand beider Pumpen dichtet die erste Hubkolbenpumpe in ihrer Förderrichtung mittels einer dynamischen, ankerhubabhängigen Abdichtung und gegen ihre Förderrichtung mittels zweier Rückschlagventile. Die zweite Hubkolbenpumpe dichtet mit ihrer Förderrichtung mittels einer dynamischen ankerhubabhängigen Dichtung. Dabei wird die Dichtwirkung der dynamischen Abdichtung von der Rückstellfeder bewirkt und begrenzt. Gegen ihre Förderrichtung dichten ein Rückschlagventil und die ankerhubabhängige Dichtung in Serie.
Im Förderbetrieb des Pumpenaggregats saugt die erste Hubkolbenpumpe pulsierend aus dem Vorratstank an und verdrängt die Flüssigkeit zum Verbraucher, wobei die zweite Hubkolbenpumpe stillsteht und durch die Wirkung ihrer dynamischen Abdichtung den Druck am Verbraucher begrenzt, indem die Rückstellfeder auf die dynamische Abdichtung wirkt.
Nach der Beendigung der Förderung durch die erste Hubkolbenpumpe wird die zweite Hubkolbenpumpe pulsierend bestromt und infolge ihrer Ankerbewegung der Druck in der Leitung zum Verbraucher abgebaut und der Verbraucher, die Leitung zum Verbraucher sowie die zweite Pumpe selbst entleert. Die Flüssigkeit wird dabei zum Vorratstank verdrängt.
Bei Inbetriebnahme des Aggregats in kaltem Zustand werden die beiden Spulen der Hubkolbenpumpen für eine vorbestimmte Zeit zunächst als Heizung betrieben, wobei beide Spulen dauerhaft bestromt werden. Die Wärmeleitbleche unterstützen die Wärmeleitung zu den Leitungen. In einer zweiten Phase werden die Spulen beider Hubkolbenpumpen pulsierend bestromt, dabei fördern beide Hubkolbenpumpen und die sich erwärmende Flüssigkeit läuft um. In einer dritten Phase wird die Spule der ersten Hubkolbenpumpe pulsierend bestromt und die Spule der zweiten Hubkolbenpumpe wird dauerhaft bestromt, um die von der ersten Hubkolbenpumpe geförderte Flüssigkeit weiter zu erwärmen. In einer vierten Phase wird nur noch die erste Hubkolbenpumpe pulsierend bestromt, um den Verbraucher mit Flüssigkeit zu versorgen.
Das erfindungsgemäße Aggregat gestattet die Verwendung von elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpen zur Förderung und Dosierung in einem fluidischen System, das einfrieren kann und deshalb mindestens teilweise entleert werden soll. Die nicht entleerten Bauteile des Systems sind vor Schäden durch das Einfrieren geschützt. Die Verwendung von Hubkolbenpumpen ermöglicht eine genaue Dosierung der Flüssigkeit und vermeidet ein unerwünschtes Nachfließen von Flüssigkeit nach dem Abschalten des Pumpenaggregats.
Das erfindungsgemäße Aggregat findet seine Anwendung in Einspritz- und Dosiersystemen für wässrige Flüssigkeitsgemische, zum Beispiel zur Abgasbehandlung von Dieselmotoren.
Bilder
1 zeigt die Schaltung des erfindungsgemäßen Aggregats.
2 ist eine Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Aggregats in einer beispielhaften Ausführung.
Beisipelhafte Ausführung
Der Einlass 11 der ersten Hubkolbenpumpe 1 ist mit dem Auslass 22 der zweiten Hubkolbenpumpe 2 und dem Vorratstank 3 für die Flüssigkeit verbunden und der Auslass 12 der ersten Hubkolbenpumpe 1 ist mit dem Einlass 21 der zweiten Hubkolbenpumpe 2 und dem Verbraucher 4 verbunden. Die erste Hubkolbenpumpe 1 ist im Betrieb mit einem gepulsten elektrischen Strom beaufschlagt, saugt jeweils bei Abschaltung des Stroms Flüssigkeit vom Vorratstank 3 in den Verdrängerraum 15 an und verdrängt die Flüssigkeit vom Ankerraum 14 zum Verbraucher 4. Bei Einschaltung des Stroms pumpt sie Flüssigkeit vom Verdrängerraum 15 in den Ankerraum 14 um. Die zweite Hubkolbenpumpe 2 ist im Betrieb mit einem gepulsten elektrischen Strom beaufschlagt, saugt jeweils bei Einschaltung des Stroms Flüssigkeit vom Verbraucher 4 in den Ankerraum 28 an und verdrängt die Flüssigkeit aus dem Verdrängerraum 27 zum Vorratstank 3. Bei Abschaltung des Stroms pumpt sie Flüssigkeit vom Ankerraum 29 zum Verdrängerraum 27 um. Die erste Hubkolbenpumpe 1 weist eine in Förderrichtung bei Stillstand wirkende dynamische kolbenhubabhängige Abdichtung 13 auf, deren dichtende Wirkung durch den Druck am Einlass 11 verstärkt wird. Die zweite Hubkolbenpumpe 2 weist eine in ihrer Förderrichtung bei Stillstand wirkende dynamische kolbenhubabhängige Abdichtung 23 auf, deren für die dichtende Wirkung maßgebende Axialkraft von der Rückstellfeder 24 aufgebracht wird. Die Axialkraft wirkt der Kraft des Drucks am Einlass 21 entgegen, der Druck wird dadurch begrenzt. Die erste Hubkolbenpumpe 1 zeichnet sich durch einen sehr kleinen Verdrängungsraum 15, ein saugseitiges Rückschlagventil 16 mit sehr geringem Ansprechdruck und durch eine geringe Kolbengeschwindigkeit im Saughub aus.
Die Spulen 31 und 32 der beiden Hubkolbenpumpen sind mit Wärmeleitblechen 33 und 34 verbunden, die einen Wärmefluss zu den Leitungen 35 und 36 erleichtern. Die Hubkolbenpumpe 1 ist mit einer elastischen Membran 17 versehen, die innen mit dem druckseitigen Raum der Hubkolbenpumpe verbunden und von außen durch federnde Rückstellelemente 18 abgestützt ist. Die Leitungen 35 und 36 an den Anschlüssen der beiden Hubkolbenpumpen 1 und 2 weisen eine hohe Elastizität auf und sind von einem ausreichend großen Ausdehnungsraum umgeben. Das Aggregat enthält neben den beiden Hubkolbenpumpen auch die zugehörige elektrische Ansteuerung 39 und ein diese Bauelemente umfassendes Gehäuse 40. Das Verfahren zum Betrieb des beispielhaften Aggregats entspricht dem oben beschriebenen Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Aggregats.
Bezugszeichenliste

1: Erste Hubkolbenpumpe
2: Zweite Hubkolbenpumpe
3: Vorratstank
4: Verbraucher
11: Einlass der ersten Hubkolbenpumpe
12: Auslass der ersten Hubkolbenpumpe
13: Dichtung
14: Ankerraum
15: Verdrängerraum
16: Rückschlagventil
17: Membran
18: Rückstellelement
21: Einlass der zweiten Hubkolbenpumpe
22: Auslass der zweiten Hubkolbenpumpe
23: Dichtung
24: Rückstellfeder
25: Pumpenkolben
26: Rückschlagventil
27: Verdrängerraum
28: Ankerraum
31: Spule
32: Spule
33: Wärmeleitblech
34: Wärmeleitblech
35: Leitung
36: Leitung
39: Ansteuerung
40: Gehäuse
41: Rückschlagventil

Claims

Pumpenaggregat bestehend aus zwei elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpen, bei dem ein Einlass (11) einer ersten Hubkolbenpumpe (1) mit einem Auslass (22) einer zweiten Hubkolbenpumpe (2) und einem Vorratstank (3) für die Flüssigkeit verbunden ist und dass ein Auslass (12) der ersten Hubkolbenpumpe (1) mit einem Einlass (21) der zweiten Hubkolbenpumpe (2) und einem Verbraucher (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hubkolbenpumpe (1) bei Stillstand eine in Förderrichtung wirkende dynamische kolbenhubabhängige Abdichtung (13) aufweist, deren dichtende Wirkung durch den Druck am Einlass (11) verstärkt wird, und gegen die Förderrichtung ein Rückschlagventil (16) und ein Rückschlagventil (41) als Abdichtung wirken, und wobei die zweite Hubkolbenpumpe (2) eine in ihrer Förderrichtung bei Stillstand wirkende dynamische kolbenhubabhängige Abdichtung (23) aufweist, deren für die dichtende Wirkung maßgebende Axialkraft von einer Rückstellfeder (24) aufgebracht wird, die einer Kraft des Drucks am Einlass (21) entgegenwirkt, wobei ein Rückschlagventil (26) und eine dynamische Abdichtung (23) einen Durchfluss gegen die Förderrichtung verhindern.
Pumpenaggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hubkolbenpumpe (1) bei ihrem Betrieb mit einem gepulsten elektrischen Strom beaufschlagt ist und jeweils bei Abschaltung des Stroms Flüssigkeit vom Vorratstank (3) ansaugt und zum Verbraucher (4) verdrängt, wobei die zweite Hubkolbenpumpe (2) bei ihrem Betrieb mit einem gepulsten elektrischen Strom beaufschlagt ist und jeweils bei Einschaltung des Stroms Flüssigkeit vom Verbraucher (4) ansaugt und Flüssigkeit zum Vorratstank (3) verdrängt.
Pumpenaggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule (31) und eine Spule (32) der beiden Hubkolbenpumpen mit Wärmeleitblechen (33) und (34) verbunden sind, die einen Wärmefluss zu einer Leitung (35) und einer Leitung (36) erleichtern.
Pumpenaggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenpumpe (1) mit einer elastischen Membran (17) versehen ist, die innen mit einem Ankerraum (14) der Hubkolbenpumpe verbunden ist.
Pumpenaggregat nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Membran (17) von außen durch federnde Rückstellelemente (18) abgestützt ist.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (35) und (36) zum Schutz vor Einfrierschäden eine hohe Elastizität aufweisen und diese Leitungen von einem ausreichend großen Ausdehnungsraum umgeben sind.
Pumpenaggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dieses Aggregat neben den beiden Hubkolbenpumpen auch eine zugehörige elektrische Ansteuerung (39) und ein diese Bauelemente umfassendes Gehäuse (40) enthält.
Verfahren zum Betrieb eines Pumpenaggregats nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung einer Förderung durch eine Hubkolbenpumpe (1) eine Hubkolbenpumpe (2) pulsierend bestromt wird und infolge ihrer Ankerbewegung einen Druck in einer Leitung (36) zu einem Verbraucher (4) abbaut und sowohl den Verbraucher, die Leitung zum Verbraucher als sich selbst entleert, wobei die Flüssigkeit dabei zu einem Vorratstank (3) verdrängt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Pumpenaggregats nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass • bei einer Inbetriebnahme des Aggregats in kaltem Zustand eine Spule (31) und eine Spule (32) der Hubkolbenpumpen für eine vorbestimmte Zeit zunächst als Heizung betrieben werden, wobei die Spulen dauerhaft bestromt werden und Wärmeleitbleche (33) und (34) eine Wärmeleitung zu Leitungen (35) und (36) unterstützen • und in einer zweiten Phase die Spulen beider Hubkolbenpumpen pulsierend bestromt werden, wobei beide Hubkolbenpumpen fördern und eine sich erwärmende Flüssigkeit zwischen den Hubkolbenpumpen umläuft • und in einer dritten Phase die Spule der ersten Hubkolbenpumpe pulsierend bestromt wird und die Spule der zweiten Hubkolbenpumpe dauerhaft bestromt wird, um die von der ersten Hubkolbenpumpe geförderte Flüssigkeit weiter zu erwärmen • und in einer vierten Phase nur noch die erste Hubkolbenpumpe pulsierend bestromt wird.