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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Bei einer diskontinuierlichen Druckbeaufschlagung einer Flüssigkeit, beispielsweise eines Treibstoffs, eines Schmiermittels oder einer als Reduktionsmittel bei der Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine verwendeten wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“), oder eines Gases, beispielsweise Druckluft, oder Erdgas insbesondere bei Erdgas betriebenen Kraftfahrzeugen, beziehungsweise bei einer diskontinuierlichen Entnahme einer Flüssigkeit oder eines Gases aus einem Vorratsbehälter zum Zwecke der Dosierung als Kraftstoff oder Betriebsmittel eines Anwendungssystems können im hierfür vorgesehenen pnuematischen oder hydraulischen System unerwünschte Druckschwankungen bzw. Druckpulsationen entstehen, die die Dosiergenauigkeit bei einer Dosierung mit einem Dosierventil aufgrund des variierenden Druckes oder die Sprayqualität des zu dosierenden Mediums beeinträchtigen. Des Weiteren kann es auch zu Materialermüdungen infolge der Pulsationsbelastung kommen. In einem verteilten hydraulischen oder pneumatischen System kann es des Weiteren zu Resonanzerscheinungen kommen, die die Druckschwankungen durch Überlagerung der Druckwellen verstärken. Über federvorgespannte Dämpfungselemente können die Druckpulsationen nur in begrenztem Frequenzbereich gedämpft werden.
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Bei der Abgasnachbehandlung mithilfe der selektiven katalytischen Reduktion kommt ein System zur Förderung eines Fluids zum Einsatz, bei dem Druckstöße im Fluid vermieden werden sollten, um Schädigungen an Bauteilen zu vermeiden. Bei diesem System werden insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen im Abgas enthaltene Stickoxide mittels des Fluids, insbesondere eines Reduktionsmittels, zu Stickstoff und Wasser reduziert. Als Fluid wird häufig eine Harnstoff-Wasser-Lösung eingesetzt, die beispielsweise unter dem Markennamen AdBlue
® erhältlich ist. Durch thermische Zersetzung des Harnstoffs entsteht im Abgasstrang das eigentliche Reduktionsmittel, gasförmiges Ammoniak NH
3. Das Fluid wird in einem Tank bevorratet und über ein Fördermodul und/oder Dosiermodul in den Abgasstrang eingespritzt. Eine solche Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels ist aus der
DE 19 946 900 bekannt. Im System treten Druckspitzen bei jedem Hub der Förderpumpe auf. Des Weiteren können Druckpulsationen entstehen, wenn das Reduktionmittel nicht mit der gleichen Rate in den Abgasstrang eingespritzt wird, wie es von der Pumpe gefördert wird. Diese Druckschwankungen werden von einem beispielsweise federbelasteten Druckpulsationsdämpfer gemildert. Der Druckpulsationsdämpfer umfasst ein Gehäuse sowie ein Element, das das Gehäuse in zwei Bereiche trennt. Ein Bereich ist mit dem Fluid verbunden, in dem Druckpulsationen gedämpft werden sollen, der andere Bereich bleibt weitgehend frei, um eine Volumenzunahme des mit dem Medium gefüllten Bereichs aufnehmen zu können. Gegebenenfalls wird, wie in der
DE 19 946 900 dargestellt, in dem freien Bereich eine Feder zur Stützung des Elements angeordnet.
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Des Weiteren ist es aus der
DE 10 2009 027 858 bekannt, in Dosiervorrichtungen für Kraftstoff Dämpfungsvolumina bzw. Drosselkomponenten einzubringen, welche den Druckverlauf im Massen- bzw. Volumenstrom des Fluids vergleichmäßigen.
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Des Weiteren ist es aus der
DE 10 2009 028 164 bekannt, ein Dämpfungselement aus einem kompressiblen Elastomer auf der Druckseite einer Pumpe anzuordnen, um Schwankungen im Druck des geförderten Kraftstoffs für eine Brennkraftmaschine zu dämpfen. Solche kompressiblen Elastomere können isolierte Luftblasen enthalten, wie beispielsweise Moosgummi, welche zur Dämpfung beitragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Fluid mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, in robuster Weise eine Dämpfung sowohl in hydraulischen als auch in pneumatischen Kreisen zu ermöglichen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen möglich.
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Ein Elastomerbauteil als Bestandteil des Dämpfungselements außerhalb fluidführender Bereiche stellt hierbei eine einfache, gezielt variierbare und besonders vorteilhafte Maßnahme zur Einstellung einer geeigneten und robusten Dämpfungscharakteristik dar. Vorteil ist ferner die Möglichkeit, den Dämpfer kostengünstig und großserienmäßig herstellen zu können. Die gesamte Anordnung wird deutlich weniger komplex, da beispielsweise im Unterschied zu einer etwaigen Verwendung von Edelstahlfedern keine Metallaufnahmen vorgesehen und in Kunststoff-Halbschalen eingebaut werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist die Haltbarkeit dieser Konstruktion im Vergleich zu Metallfedern.
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Besonders vorteilhaft ist es außerdem, mehrere Bereiche eines Elastomerbauteils vorzusehen, die im Wesentlichen unabhängig voneinander eine Dämpfungsfunktion übernehmen. Dadurch kann gezielt eine Dämpfungscharakteristik eingestellt werden beispielsweise durch die Dimensionierung dieser Bereiche parallel bzw. senkrecht zu einer Symmetrieachse der Anordnung. Insbesondere können diese Bereiche unterschiedliche Federkonstanten aufweisen. Dadurch können sowohl in einem hydraulischen als auch in einem pneumatischen Kreis Druckschwankungen innerhalb eines breiten Frequenzbandes wirksam bedämpft werden.
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Stützt sich das Elastomerbauteil beiderseitig auf dem Kompensationselement ab, ist in einfacher und robuster Weise eine sich selbst tragende Konstruktion außerhalb des fluidführenden Bereichs geschaffen.
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Ein Abstützelement bzw. Abstützelemente schützen das an sich verformbare Kompensationselement in vorteilhafter Weise vor Beschädigungen durch beispielsweise das Elastomerbauteil.
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Bestehen vorgesehene Abstützelemente aus Halbschalen und wird das Dämpfungselement in einen röhrenförmigen Bereich eines Kompensationselements eingebracht, so ist das Kompensationselement, obgleich verformbar, von außerhalb des fluidführenden Raums gleichmäßig mit Druck beaufschlagbar, des Weiteren kann das Dämpfungselement derart angeordnet werden, daß es vom Kompensationselement getragen wird und zudem platzsparend eingebaut ist, beispielsweise in einem schmalen Bereich entlang einer Längsachse der Vorrichtung. Dadurch kann außerdem die Vorrichtung gleichzeitig als Filter genutzt werden durch Anordnung eines Filterelements im fluidführenden Raum rund um den röhrenförmigen Bereich des Kompensationselements herum. Durch die gleichmäßige Druckbeaufschlagung entstehen auch im Falle des Einsatzes eines Elastomerbauteils keine lokalen Druckspitzen auf das Elastomerbauteil und das Elastomerbauteil wird vor Verschleiß und irreversibler Verformung geschützt, der bzw. die zu einem Verlust einer Dämpfungsfunktion bzw. zu einem Verlust einer Eisdruckausgleichsfunktion führen könnte. Auch die Verortung des Elastomerbauteils außerhalb fluidführender Bereiche führt zu einem Fehlen auf das Elastomerbauteil ansonsten unter Umständen zerstörerisch wirkender Eisdruckkräfte.
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Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen,
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2 ein von einer Schutzhülle umgebenes Dämpfungselement und
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3 eine Querschnittsansicht des von einer Schutzhülle umgebenen Dämpfungselements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Vorrichtung 18 zur Dämpfung von Druckschwankungen in einer Ausführungsform, in der diese nicht als Filter für das Fluid, sondern ausschließlich zur Dämpfung dient. Durch Einbau eines Filterelements in dem nachfolgend beschriebenen fluidführenden Raum zwischen Zulauf und Ablauf kann jedoch die Vorrichtung auch gleichzeitig als Filter für das Fluid Verwendung finden. Das im Längsquerschnitt dargestellte zylindrische Gehäuse 20, das auf der einen Stirnseite eine als Dämpfungsvorrichtungszulauf 5 dienende Zulauföffnung 26 und auf der Mantelseite eine als Dämpfungsvorrichtungsablauf 8 dienende Ablauföffnung 28 aufweist, umschließt einen mit den Öffnungen 26 und 28 in Verbindung stehenden, im Betrieb fluidführenden Raum 21. Das Gehäuse weist auf der anderen Stirnseite ein Gewinde 36 auf, in das ein Deckel 22 eingeschraubt ist. Eine Abdichtung des fluidführenden Raums 21 erfolgt durch ein bzw. eine, beispielsweise elastisch, verformbares Kompensationselement bzw. verformbare Schutzhülle 30, welches bzw. welche fluiddicht abdichtend in dessen Dichtungsbereich 35 zwischen dem Gehäuse 20 und dem Deckel 22 eingespannt ist. Die Schutzhülle 30 ist vorzugsweise aus einem Elastomer gefertigt. Sie weist einen röhrenförmigen Bereich 31 auf, der im Bereich der Längsachse 38 der Vorrichtung 18 zur Dämpfung von Druckschwingungen angeordnet ist. Die Schutzhülle 30 begrenzt auf dessen vom fluidführenden Raum 21 abgewandter Seite zusammen mit dem Deckel 22 einen Hohlraum 23, der über eine zentrale Öffnung 33 des Deckels belüftet wird. Im röhrenförmigen Bereich 31 befinden sich ein erstes Abstützelement 41 und ein zweites Abstützelement 42. Beide Abstützelemente sind als Halbschalen, insbesondere als Halbschalen aus Kunststoff, ausgebildet und in ihrer Form dem röhrenförmigen Bereich 31 angepaßt. Sie erstrecken sich vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des röhrenförmigen Bereichs und werden beide von einem Federelement 45, das zwischen die beiden Halbschalen gespannt ist, gegen die (Innen-)Mantelfläche 32 des röhrenförmigen Bereichs 31 gedrückt. Die beiden Abstützelemente 41 und 42 sowie das Federelement 45 werden im Folgenden als Dämpfungselement 39 bezeichnet.
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Druckschwankungen in einem Fluid, das sich im Raum 21 befindet, werden durch die nachgiebige Schutzhülle 30 gedämpft. Das Dämpfungselement 39 vergrößert hierbei die vom Fluid aufzuwendende Kraft zur Kompression insbesondere des röhrenförmigen Bereichs 31 der Schutzhülle 30. Die Vorrichtung 18 ist gleichzeitig als Eisdruckkompensator einsetzbar bei Fluiden, die gefrieren können, um ein angeschlossenes Leitungssystem bzw. weitere daran angeschlossene Funktionskomponenten vor Gefrierschäden zu schützen. Die Vorrichtung 18 kann also neben der Dämpfung von Fluiddruckschwankungen im Falle eines gefrierfähigen Fluids auch zur Eisdruckkompensation eingesetzt werden, um, beispielsweise bei einer wässrigen Harnstofflösung, entstehenden Eisdruck abzufangen, um einen Filter, der sich vorzugsweise im Bereich der Vorrichtung 18 befindet, bzw. die betreffende Anordnung zur Abgasnachbehandlung vor Gefrierschäden zu schützen.
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2 zeigt, vergrößert und isoliert von den übrigen Komponenten der Vorrichtung 18, in einer Längsschnittansicht 60 ein von der Schutzhülle 30 aus Elastomer umgebenes Dämpfungselement 390. Hierbei ist das Dämpfungselement in dem röhrenförmigen Bereich 31 der Schutzhülle 30 eingebracht; es weist zwei Halbschalen 41 und 42 aus Kunststoff auf. Zwischen den Halbschalen ist ein Elastomerdämpfer 450 des Dämpfungselements in Gestalt eines Formteils angeordnet. Das Formteil weist mehrere in einer Reihe angeordnete ellipsoidförmige Bereiche 51 auf, welche über Stege 53 miteinander verbunden sind. Die ellipsoidförmigen Bereiche sind in entsprechend geformte Vertiefungen der Halbschalen eingelegt. Das schwarz eingezeichnete Rechteck markiert einen inneren Bereich 59 des Dämpfungselements, in welchem die Dämpfung stattfindet. Endständig weist das Formteil auf der dem fluidführenden Raum 21 abgewandten Seite herstellungstechnisch bedingt eine Abschlussplatte 61 auf.
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Der Druckpulsationsdämpfer weist also ein insbesondere gespritztes Elastomerformteil auf, welches in zwei Halbschalen aus Kunststoff eingebaut ist. Diese Anordnung ist ferner noch von einer Elastomer-Schutzhülle umgeben. Die Kunststoff-Halbschalen bewirken einen Anschlag, damit das Elastomerformteil nicht dem kompletten Systemdruck ausgesetzt ist. Es wird sich daher nicht plastisch verformen. Nach dem Abstellen des Fluidsystems, zum Beispiel einer Anordnung zur Abgasnachbehandlung, werden die Halbschalen 41 und 42 durch den Wegfall des Systemdruckes vom – beispielsweise gespritzten – Elastomerteil 450 auseinander gedrückt und können dann im Falle eines Einfrierens des Systemfluids, beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, die Volumenausdehnung infolge sich bildenden Eises aufnehmen. Die Erfindung kann insbesondere bei hydraulischen Systemen, speziell bei SCR-Dosiersystemen, also Systemen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Brennkraftmaschinen, beispielsweise in das Filterelement eingebaut werden, um Druckpulsationen zu dämpfen und die Eisdruckkompensation darzustellen, bzw. es kann umgekehrt in die Vorrichtung 18 das Filterelement im fluidführenden Raum integriert werden.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Halbschalen auch hohl ausgebildet sein, so daß die ellipsoidförmigen Bereiche 51 lediglich im Wesentlichen an ihrer radial zur Längsachse 62 des röhrenförmigen Bereichs bzw. zur Längsachse 38 der Vorrichtung 18 maximal beabstandeten Außenkante auf den Innenseiten der Halbschalen aufliegen.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht 71 der in 2 gezeigten Anordnung. Der gezeigte Querschnitt ist in 2 mit einer senkrecht zur Längsachse 62 stehenden, weiteren gestrichelten Linie A-A´markiert, die Pfeile 70 markieren in 2 die in 3 dargestellte Blickrichtung.
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Die ellipsoidförmigen Bereiche 51 – die 3 zeigt einen Blick direkt auf einen ellipsoidförmigen Bereich 51 des Elastomerdämpfers 450 – können alternativ auch durch allseitig kugelförmige Bereiche ersetzt werden. Die Bereiche 51 können auch in unterschiedlicher Ausdehnung parallel zur Längsachse 62 ausgelegt werden, wodurch in einfacher Weise eine gezielte Variation der Federkonstante bzw. eine gezielte Kombination unterschiedlicher Federkonstanten realisiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19946900 [0003, 0003]
- DE 102009027858 [0004]
- DE 102009028164 [0005]
