-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Linearpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Linearpumpen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden in der Regel über ein rotierendes Element angetrieben, das über eine mechanische Umsetzung ein linear arbeitendes Pumpelement, das mit einem Zylinder zusammen wirkt, abtreibt. Das Pumpelement ist geeignet, in der Regel als Kolben, ausgestaltet, zwischen einer in Pumprichtung hinten liegenden ersten Position und einer in Pumprichtung vorne liegenden zweiten Position zum Pumpen eines Mediums bewegt zu werden. Durch eine Bewegung des Pumpelements von der hinten liegenden Position in die vorne liegende Position wird das Medium im Inneren des Zylinders befördert.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Linearpumpe zur Verfügung zu stellen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Linearpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Eine erfindungsgemäße Linearpumpe weist einen Zylinder, wenigstens ein, mit dem Zylinder zusammenwirkendes Pumpelement, das zum Pumpen eines Mediums zwischen einer in Pumprichtung hinten liegenden ersten Position und einer in Pumprichtung vorne liegenden zweiten Position bewegbar ist, und einen Antrieb auf, der auf das Pumpelement wirkt, wobei das Pumpelement aus einem ersten Kolben und einem konzentrisch und den ersten Kolben radial umgebend angeordneten zweiten Kolben gebildet ist.
-
Durch die Verwendung von zwei konzentrisch angeordneten und auf ein gemeinsames Zylindervolumen wirkenden Kolben wird erreicht, dass die erfindungsgemäße Linearpumpe einerseits aufgrund des ersten Kolbens, der bevorzugt eine geringere Stirnfläche als der zweite Kolben aufweist, sehr gut geringe Mediumsmengen exakt dosieren kann. Aufgrund der geringeren Fläche des zweiten Kolbens können außerdem wesentlich höhere Drücke erreicht werden. Aufgrund des zweiten Kolbens, der entweder gemeinsam oder unabhängig von dem ersten Kolben bewegbar ist und bevorzugt einen größeren Kolbendurchmesser als der erste Kolben aufweist, wird gleichzeitig erreicht, dass größere Mediumsmengen befördert werden können.
-
Wenn der erste Kolben mit einer kreisförmigen Stirnfläche und der zweite Kolben mit einer ringförmigen Stirnfläche ausgebildet wird, kann auf diese Weise eine rotationssymmetrische Anordnung geschaffen werden, die durch die Verwendung von Drehteilen besonders einfach und hochpräzise hergestellt werden kann.
-
Eine besonders kompakte Anordnung wird erreicht, wenn der erste Kolben in dem zweiten Kolben in Axialrichtung bewegbar gelagert ist. Auf diese Weise wird außerdem erreicht, dass die beiden Kolben besonders einfach durch einen gemeinsamen Antrieb antreibbar sind.
-
Die Verwendung eines gemeinsamen Antriebs wird weiter erleichtert, wenn der erste Kolben und der zweite Kolben in Axialrichtung miteinander gekoppelt sind.
-
Eine derartige Kopplung kann in Pumprichtung und/oder in Saugrichtung, d. h. wenn Medium das vor dem Kolben befindliche Zylindervolumen nachgesaugt wird bzw. nachfließt, erfolgen. Auf diese Weise kann beispielsweise in Pumprichtung erreicht werden, dass die beiden ineinander angeordneten Kolben zu Zeitpunkten, an denen sie beide bewegt werden, eine gemeinsame plane Stirnfläche aufweisen.
-
Eine Kopplung in Pumprichtung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass am Umfang des ersten Kolbens ein umlaufender Steg vorgesehen ist, der nach einem vorgegebenen Hub, den der erste Kolben alleine ausführt, an dem zweiten Kolben rückseitig anschlägt und diesen in Pumprichtung mitnimmt. Der vorgegebene Hub, den der erste Kolben alleine ausführt, ist bevorzugt derart gewählt, dass die Stirnflächen des ersten und des zweiten Kolbens in einer Ebene liegen, wenn der erste Kolben den zweiten Kolben in Pumprichtung mitnimmt.
-
In Saugrichtung kann eine derartige Kopplung beispielsweise dadurch erreicht werden, dass an dem ersten Kolben vorderseitig ein umlaufender Rand vorgesehen ist, der in Saugrichtung an einem Absatz innerhalb des zweiten Kolbens anschlägt und dem zweiten Kolben dadurch mitnimmt. Es ist auch eine Ausgestaltung mit Rückstellfedern denkbar, die alternativ zu der Kopplung oder zusätzlich vorgesehen sein können. Pro Kolben kann dann insbesondere jeweils eine Rückstellfeder vorgesehen sein.
-
Eine besonders günstige Ausgestaltung der Linearpumpe wird erreicht, wenn der Antrieb als elektromagnetischer Aktor, bevorzugt als Elektromagnet, ausgebildet ist. Elektromagnetische Aktoren, insbesondere Elektromagneten haben den Vorteil, dass diese beispielsweise aus der Anwendung in Magnetventilen sehr gut erforscht und daher günstig und in hoher Präzision verfügbar sind.
-
Eine besonders gute Ansteuerbarkeit der Linearpumpe wird erreicht, wenn der Elektromagnet ein proportionales Hub-Stromverhalten aufweist. Auf diese Weise kann über eine Einstellung des an dem Elektromagneten anliegenden Stromes bzw. der korrespondierenden Spannung ein vorgegebener Hub eingestellt werden. Wenn zusätzlich zur Kennlinie des Elektromagneten außerdem die Stirnflächen der verwendeten Zylinder bekannt sind kann auf diese Weise außerdem exakt das geförderte Volumen vorgegebene werden. Der Einsatz eines Linearantriebes kann weiter deutliche höhere Fördervolumen erzeugen. Dies kann in einen Aufbau mit z.B. Dauermagneten erreicht werden. Hübe von 20–25 mm und mehr können die Förderung um über das 10fache steigern. Weiter sind auch höhere Drücke durch größere Kräfte realisierbar. Durch Linearantriebe können die einzelnen Druckbereiche deutlich besser und auch durch ein Software-Aussteuerung einzeln angesteuert werden. Somit kann beispielsweise nur im Hochdruck (oder Niederdruck) mit dem kleinem Kolben gearbeitet werden. Weiter sind Kombinationen möglich. Die Möglichkeit von weiteren Kolbenkaskaden ist machbar aufgrund des größeren Hubes.
-
Eine Überwachung des bereits absolvierten Hubes kann außerdem erleichtert werden, wenn ein Wegsensor zur Erfassung einer Bewegung des Pumpelements, bevorzugt des ersten Kolbens, vorgesehen ist.
-
Durch Erfassung des in dem Elektromagneten fließenden Stromes kann außerdem – sofern die Gegenkraft nicht bekannt ist – ermittelt werden, mit welcher Kraft der Elektromagnet die Kolben vorwärts bewegt. Durch Erfassung der hervorgerufenen Gegeninduktion kann außerdem ein zur Position des Ankers proportionales Signal ermittelt werden.
-
Der Antrieb ist bevorzugt geeignet ausgebildet, einen vollständigen Hub in mehreren Teilhüben abzufahren. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Dosierung von Kleinstmengen mehrere Dosierschritte mit einem Hub der Pumpelemente bzw. des Pumpelements bewerkstelligt werden können. Es ist auf diese Weise nicht notwendig, dass die Linearpumpe nach jeder Einzeldosierung einen Füllhub absolviert. Dies ist beispielsweise für Einspritzsysteme z.B. Benzin oder Diesel von Vorteil um den Druck an der Einspritzdüse zu halten oder zur Vermeidung von Kavitation.
-
Bei Verwendung eines Elektromagneten als Aktor ist es besonders günstig, wenn für den ersten Kolben und/oder für den zweiten Kolben jeweils eine Rückstellfeder vorgesehen ist. Eine erste Rückstellfeder für den ersten Kolben kann beispielsweise in einem rückseitigen Bereich hinter dem Zylindervolumen angeordnet sein, wobei eine zweite Feder für den zweiten Kolben vorderseitig in dem Zylindervolumen angeordnet sein kann.
-
Durch Verwendung von Rückstellfedern, die auf die Kolben wirken, ist es außerdem möglich durch die Verwendung von gegenüber den erzeugten Druckkräften starken Federn die Strom-Hubkennlinie des verwendeten Elektromagneten weitgehend druckunabhängig, d. h. unabhängig von den durch das Medium verursachten Kräften, zu gestalten.
-
Die Rückstellfedern sind bevorzugt als Druckfedern ausgestaltet.
-
Als Beispiel ist es bei einem maximalen Volumen von 16 mm3 und einer kleinst Mengenanforderung im Bereich von 2 mm3, wobei eine Dosiergenauigkeit von +/–2 % erforderlich ist, günstig, wenn der erste Kolben einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 2 mm und der zweite Kolben einen Durchmesser zwischen 4 mm und 6 mm aufweist. Eine mit dem ersten Kolben zu gewährleistende Stellgenauigkeit liegt dann in einem Bereich von +/–12 µm, was mit derzeitigen Elektromagneten gut erreicht werden kann.
-
Der umlaufende Steg zur Kopplung des ersten Kolbens und des zweiten Kolbens ist bevorzugt derart angeordnet, dass eine Kopplung des ersten Kolbens und des zweiten Kolbens in Pumprichtung nach einem angepassten Teilhub, bevorzugt etwa ein bis zwei Millimetern erfolgt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Linearpumpe,
-
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Linearpumpe und
-
3 die Integration einer Linearpumpe gemäß 1 in ein Dosiersystem.
-
1 zeigt ein erste Ausführungsbeispiel einer elektromagnetisch betriebenen Linearpumpe 1.
-
Die in 1 dargestellte Linearpumpe 1 ist im Wesentlichen zweigeteilt aufgebaut und weist eine rückseitig angeordnete Antriebseinheit mit einem elektromagnetischen Aktor 3 und einen vorderseitig angeordneten Pumpenabschnitt mit einem Zylinder 46, in den ein erster Kolben 41 und ein zweiter Kolben 42 zur Förderung eines Mediums in Zusammenwirkung mit dem Zylinder 46 angeordnet sind, auf. Die rückseitig angeordnete Antriebseinheit mit dem elektromagnetischen Aktor 3 ist im Wesentlichen aus einem Anker 31, der im Inneren eines bestrombaren Elektromagneten angeordnet ist, aufgebaut. Der Elektromagnet ist durch eine auf einem Spulenträger 32 angeordnete bestrombare Spule 33 gebildet und derart ausgebildet, dass der Anker 31 bei Bestromung der Spule 33 in Axialrichtung bewegt wird.
-
Der Anker 31 ist feststehend mit einer Ankerstange 30 verbunden, die auf diese Weise durch eine Bewegung des Ankers 31 ebenfalls in Axialrichtung bewegbar ist. Der Anker 31 kann außerdem eine axial verlaufende Druckausgleichsöffnung aufweisen, die aufgrund des durch die Öffnung strömenden Mediums eine Dämpfungswirkung auf den Anker 31 hat. Die Ankerstange 30 ragt aus der Antriebseinheit in den Pumpenabschnitt hinein und ist vorderseitig als ein erster Kolben 41 ausgebildet, der auf ein in dem Zylinder 46 befindliches Medium wirkt. Den ersten Kolben 41 umgebend und konzentrisch zu diesem angeordnet ist ein zweiter Kolben 42 vorgesehen, der ebenfalls auf das in dem Zylinder 46 befindliche Volumen wirkt. Der zweite Kolben 42 weist als eine ringförmig ausgebildete Stirnfläche auf. Der erste Kolben 41 und der zweite Kolben 42 sind in Axialrichtung sowohl in Pumprichtung, d. h. in eine Richtung, in der ein Volumen 47 innerhalb des Zylinders 46 durch die Kolben 41, 42 verringert wird, als auch in Saugrichtung, d. h. in einer Richtung, in der das Zylindervolumen 47 vergrößert wird, miteinander gekoppelt. Die Kopplung erfolgt in Pumprichtung dadurch, dass an einem Umfang des ersten Kolbens 41 in einem Bereich hinter dem zweiten Kolben 42 ein umlaufender Steg 44 vorgesehen ist, der den zweiten Kolben 42 in Pumprichtung nach Absolvierung eines gewissen Hubes durch den ersten Kolben 41 mitnimmt. In Saugrichtung erfolgt die Kopplung zwischen dem ersten Kolben 41 und dem zweiten Kolben 42 durch einen umlaufenden Rand 43, der vorderseitig an dem ersten Kolben 41 angeformt ist und den zweiten Kolben 42 in Saugrichtung durch Zusammenwirken mit einer in dem zweiten Kolben 42 vorgesehen Stufe ebenfalls mitnimmt.
-
Bei Ausführung eines vollständigen Saughubes gleitet der erste Kolben 41 teilweise in eine zylindrisch ausgeführte Öffnung des zweiten Kolbens 42, die in Pumprichtung eine Zylinderwandung für den ersten Kolben 41 darstellt. Sobald eine Stirnfläche des ersten Kolbens 41 in einer Ebene mit einer Stirnfläche des zweiten Kolbens 42 angeordnet ist, greift der umlaufende Steg 44 und der erste Kolben 41 und der zweite Kolben 42 sind in Pumprichtung miteinander gekoppelt und bewegen sich gemeinsam in Pumprichtung weiter.
-
Aufgrund einer in dem Zylindervolumen 47 angeordneten und auf den zweiten Kolben 42 wirkenden zweite Rückstellfeder 58 ist die Kopplung in Saugrichtung zwischen dem ersten Kolben 41 und dem zweiten Kolben 42 jedoch nicht zwingend notwendig.
-
Der erste Kolben 41 bzw. die Ankerstange 30 wird außerdem mithilfe einer ersten Rückstellfeder 57 in Saugrichtung zurückgestellt. Die erste Rückstellfeder 57 ist dabei einenends an einer Stützfläche des Pumpengehäuse und andernends an einem zweiten umlaufenden Steg 59, der an dem Umfang der Ankerstange 30 angeordnet ist, abgestützt.
-
Durch die Verwendung der ersten Rückstellfeder 57 und der zweiten Rückstellfeder 58 kann nicht nur eine Rückstellung des ersten Kolbens 41 und des zweiten Kolbens 42 in Saugrichtung erreicht werden, sondern gleichzeitig eine Einstellung der Kennlinie des bevorzugt als Proportionalmagnet ausgebildeten elektromagnetischen Aktors 3 erreicht werden.
-
Zur Zuführung eines Mediums in das Zylindervolumen 47 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Radialrichtung eine Zugangsöffnung 51 mit einem Tankanschluss T vorgesehen. Um einen Mediumszufluss ausschließlich in Saugrichtung zu ermöglichen, ist zwischen dem Zylindervolumen 47 und dem Tankanschluss T ein Rückschlagventil 45 vorgesehen, das in Pumprichtung federunterstützt den Tankanschluss T verschließt. Das Rücklaufventil 45 ist notwendig zum Druckaufbau der Pumpe.
-
Ein stirnseitig angeordneter Druckanschluss P, durch den das durch die Kolben 41, 42 geförderte Medium gefördert wird ist mit einem zweiten Rückschlagventil 52, das in diesem Fall in Saugrichtung federunterstützt schließt und in Pumprichtung öffnet, versehen. Das Rückschlagventil 52 ermöglicht die Füllung der Pumpe und vermeidet ein Rückströmen des bereits geförderten Mediums.
-
Um eine verbesserte Kontrolle des geförderten Mediumsvolumens zu erreichen ist, rückseitig der Ankerstange 30 ein Wegsensor 34 vorgesehen, mittels dem eine Überwachung der Position bzw. des absolvierten Hubs des ersten Kolbens 41 möglich ist. Durch die mechanische Kopplung des ersten Kolbens 41 und des zweiten Kolbens 42 in Pumprichtung ist aufgrund des Signals des Wegsensors 34 das verbleibende Zylindervolumen 47, d. h. die Menge des für einen folgenden Pumpvorgang möglichen Mediums eindeutig bestimmbar.
-
Durch die Verwendung des Wegesensors 34 ist es außerdem möglich, dass ein kompletter Kolbenhub, d. h. die Förderung des vollständigen Zylindervolumens 47 in mehreren Einzelschritten, d. h. sequentiell, abgefahren werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass mehrere kleine Dosierschritte durchgeführt werden können, ohne dass es notwendig ist, nach jedem Pumpvorgang einen Füllhub durchzuführen.
-
Zwischen einem hinter dem Kolben 41, 42 befindlichen Zylindervolumen und dem Tankanschluss T ist außerdem ein Leckagepfad vorgesehen, über den Leckagemedium, das an den Kolben vorbei in diesen rückwärtigen Zylinderraum gelangt, dem Fördervorgang erneut zugeführt wird.
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Linearpumpe 1, wie sie in 1 dargestellt ist. Die in 2 dargestellte Linearpumpe 1 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Pumpe dadurch, dass der vorderseitig angeordnete Pumpabschnitt im Vergleich zum Antriebsabschnitt schlanker ausgeführt ist, so dass gegebenenfalls eine verbesserte Einbaumöglichkeit des Systems besteht. Die Druckfedern 57, 58, die auf den ersten Kolben 41 und den zweiten Kolben 42 wirken sind in diesem zweiten Ausführungsbeispiel beide vorderseitig in dem Zylindervolumen 47 angeordnet.
-
Der erste Kolben 41 ist mit dem zweiten Kolben 42 außerdem derart gekoppelt, dass der erste Kolben 41 stirnseitig aus dem zweiten Kolben 42 herausgeleitet und eine Kopplung erst zu einem Zeitpunkt erfolgt, an dem der erste Kolben 41 den zweiten Kolben 42 vorderseitig überragt.
-
3 zeigt die Integration eine Linearpumpe 1 gemäß 1 in ein Dosiersystem.
-
An die Linearpumpe 1 aus 1 ist zu diesem Zweck vorderseitig ein Dosierventil 6 angeordnet, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Linearpumpe 1 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Auf diese Art und Weise kann eine besonders kompakte Bauweise des Dosiersystems erreicht werden, wobei gleichzeitig durch die Verwendung interner Leitungen, beispielsweise einer Druckleitung 16 und einer Leckageleitung 70 die bevorzugt als Bohrungen ausgeführt sind, eine besonders starre und platzsparende Konstruktion geschaffen wird.
-
Das Dosierventil 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als hydraulisch selbstöffnende Düse ausgebildet, die aufgrund eines über die Druckleitung 16 anstehenden Druckes, der auf eine Differenzfläche einer Düsennadel 61, die eine Düsenöffnung 65 verschließt wirkt, selbsttätig öffnet. Der Öffnungsdruck der hydraulisch selbstöffnenden Düse ist durch eine Spannfeder 67, die in Schließrichtung auf die Düsennadel 61 wirkt, vorgegeben und kann gegebenenfalls durch eine Veränderung der Vorspannung dieser Spannfeder 67 verändert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Linearpumpe
- 3
- Antrieb, elektromagnetischer Aktor, Elektromagnet
- 6
- Dosierventil
- 15
- Versorgungsleitung
- 16
- Druckleitung
- 30
- Ankerstange
- 31
- Anker
- 32
- Spulenträger
- 33
- Spule
- 34
- Wegsensor
- 36
- Gehäuse
- 40
- Pumpelement
- 41
- erster Kolben
- 42
- zweiter Kolben
- 43
- umlaufender Rand
- 44
- umlaufender Steg
- 45
- Rückschlagventil
- 46
- Zylinder
- 47
- Zylindervolumen
- 51
- Zugangsöffnung
- 52
- Rückschlagventil
- 57
- erste Rückstellfeder
- 58
- zweite Rückstellfeder
- 59
- zweiter umlaufender Steg
- 61
- Düsenmodell
- 64
- Differenzfläche
- 65
- Ventilöffnung
- 66
- Leckagepfad
- 67
- Spannfeder
- 70
- Leckageleitung
- T
- Tankanschluss
- P
- Druckanschluss
