DE102012223028A1

DE102012223028A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Fluid

Info

Publication number: DE102012223028A1
Application number: DE201210223028
Authority: DE
Inventors: Timo Reile; Felix Brunner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: DE102012223028B4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (7, 18) zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Fluid vorgeschlagen, mit einem Gehäuse (20) und einem im Gehäuse angeordneten verformbaren Kompensationselement (30), welches in jedem Betriebszustand zusammen mit dem Gehäuse (20) einen fluidführenden Raum (21) ausbildet, wobei auf der dem fluidführenden Raum abgewandten Seite des Kompensationselements mindestens ein Dämpfungselement (39) angeordnet ist, so daß bei Wegfallen einer Druckbeaufschlagung des Kompensationselements (30) im fluidführenden Raum (21) sich die aufgrund der Druckbeaufschlagung ausgebildete Verformung des Kompensationselements zurückbildet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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 Dämpfungselemente können die Druckpulsationen gedämpft werden.
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 NH₃. 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 19946900 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 19946900 dargestellt, in dem freien Bereich eine Feder zur Stützung des Elements angeordnet.
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.
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.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Fluid mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, in einfacher Weise eine Variation der Dämpfungscharakteristik sowohl in hydraulischen als auch in pneumatischen Kreisen durch geeignete Wahl eines außerhalb eines fluidführenden Raums befindlichen Dämpfungselements zu ermöglichen, bei gleichzeitig ausgeprägtem Eisdruckausgleichsvermögen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen möglich.
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.
Werden fluidführende Systeme, insbesondere Abgasnachbehandlungssysteme, oder Komponenten davon, wie zum Beispiel ein Fördermodul oder ein insbesondere in das Fördermodul integriertes Filter, im Abstellfall nur teilweise oder gar nicht entleert, besteht im Falle eines gefrierfähigen Fluids die Notwendigkeit, das System, die Komponente oder die Baugruppe auch im voll gefüllten Zustand sicher vor Gefrierschäden zu bewahren. Wenn das vorhandene gefrierende Volumen beispielsweise im Fördermodul zu groß wäre oder zum Ausgleich nicht mehr ausreichend Freiraum verfügbar wäre, in den sich das wachsende Volumen ausdehnen kann, könnte das Fördermodul irreparablen Schaden erleiden. Durch die Rückstellkraft der Feder wird der vorhandene Kompensationskörper in vorteilhafter Weise, nach dem Abschalten des Systems, in die Filterkammer geschoben. Dadurch verdrängt er vor dem Gefrieren des Systems, Harnstofflösung, beispielsweise aus der Filterkammer bzw. aus dem Fördermodul, zurück in den Tank. Dadurch reduziert sich das gefriergefährdete Volumen im Fördermodul, und in weiterer Folge auch die Volumenzunahme beim Gefrieren. Die vorhandenen Eisdruckkompensationsmaßnahmen im Fördermodul müssen dadurch weniger Volumen aufnehmen, und können dadurch das gesamte Fördermodul vor Beschädigungen in Folge des Eisdruckes schützen.
Wird hydrierter Acrylnitrilbutadienkautschuk (Abkürzung: HNBR) als Ausgangsmaterial für das Kompensationselement eingesetzt, gewährleistet man in vorteilhafter Weise eine hohe Temperaturbeständigkeit über den gesamten interessierenden Temperaturbereich im Dauereinsatz. Darüber hinaus ist Acrylnitrilbutadienkautschuk in hohem Maße chemisch beständig.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung und
2 eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in 1 dargestellte Anordnung 10 zur Abgasnachbehandlung insbesondere bei der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfaßt ein Fördermodul 3 mit einer Pumpe 4, welche über eine Ansaugleitung 11 eine wässrige Harnstofflösung aus einem Vorratsbehälter bzw. Tank 1 ansaugt und über eine Druckleitung 13 beziehungsweise eine Dosierleitung 17 zu einem Dosiermodul 9 weiterbefördert. Das Dosiermodul spritzt das Fluid in eine nicht näher dargestellte Abgasleitung der Brennkraftmaschine stromaufwärts eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein. Druckseitig der Pumpe 4 ist im Fördermodul an der Druckleitung 13 ein Filter 6 mit einem integrierten Druckpulsationsdämpfer 7 angeordnet, der Druckschwankungen des Fluids, also der wässrigen Harnstofflösung, abschwächt. Stromabwärts des Filters 6 bzw. der Vorrichtung 18 zur Dämpfung von Druckpulsationen verzweigt sich die Druckleitung 13 in die zum Dosiermodul 9 führende Dosierleitung 17 und eine mit einer Drossel 16 versehene Rücklaufleitung 15, die überschüssiges Fluid zum Vorratsbehälter 1 zurückführt. Der zwischen der Pumpe 4 und der Vorrichtung 18 dargestellte Pfeil 5 bezeichnet die Flußrichtung des Fluids hin zur Vorrichtung 18 (Richtung des Filterzulaufs), der zwischen der Vorrichtung 18 und dem Dosiermodul 9 dargestellte Pfeil 8 bezeichnet die Flußrichtung des Fluids beim Verlassen der Vorrichtung 18 (Richtung des Filterablaufs).
2 zeigt eine Vorrichtung 18 zur Dämpfung von Druckschwankungen in einer Ausführungsform, in der diese außerdem als Filter 6 für das Fluid dient, wie in 1 gezeigt. 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. In diesem fluidführenden Raum ist ein kreisringförmiges Filterelement 66 angeordnet, welches mit Halterungen 67 und 68 derart gelagert und abgedichtet ist, daß über die Zulauföffnung 26 zulaufendes Fluid das Filterelement 66 durchströmen muß, bevor es die Vorrichtung 18 durch die Ablauföffnung 28 wieder verlassen kann. Das Gehäuse weist auf der anderen Stirnseite ein Gewinde 36 auf, in das ein Deckel 22 des Gehäuses eingeschraubt ist. Eine Abdichtung des fluidführenden Raums 21 erfolgt durch ein bzw. eine, beispielsweise elastisch, verformbares Kompensationselement 30 bzw. verformbare Schutzhülle 30, welches bzw. welche fluiddicht abdichtend in dessen Dichtungsbereich 35 zwischen dem Deckel 22 und dem übrigen Gehäuse 20 eingespannt ist. Die Schutzhülle 30 ist vorzugsweise aus einem Elastomer gefertigt, und zwar aus einem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk, für den im Folgenden die Abkürzung HNBR verwendet wird. Die Schutzhülle weist einen ersten, röhrenförmigen Bereich 31 auf, der im Bereich der gedachten Längsachse bzw. Symmetrieachse 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 ist ein Dämpfungselement 39 eingeschoben, das die Schutzhülle in diesem Bereich durch Krafteinwirkung auf die (Innen-)Mantelfläche 32 des röhrenförmigen Bereichs aufspannt. Es ist als Elastomerschlauch mit einer dicken Wandung ausgebildet und kann beispielsweise wie die Schutzhülle 30 ebenfalls aus HNBR-Kautschuk hergestellt sein. Das Dämpfungselement ragt hierbei auf der offenen Seite des röhrenförmigen Bereichs 31 der Schutzhülle 30 in den Hohlraum 23 hinein. Alternativ kann das Dämpfungselement in nicht näher dargestellter Weise auch ein erstes Abstützelement und ein zweites Abstützelement aufweisen, welche als Halbschalen, insbesondere als Halbschalen aus Kunststoff, ausgebildet und in ihrer Form dem röhrenförmigen Bereich 31 angepaßt sind. Um auch bei einer solchen Konstruktion eine Verstärkung der elastischen Widerstandskraft bzw. eine Bereitstellung einer elastischen Widerstandskraft für die Schutzhülle 30 in ähnlicher Weise wie durch den Elastomerschlauch 39 zu erzielen, wird bei einer Halbschalen-Lösung mindestens ein Federelement zwischen die beiden Halbschalen gespannt.
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 radiale Richtung der Kompression bzw. der Dekompression bei nachfolgend wieder geringerer Belastung mit Fluiddruck ist in 2 durch die Doppelpfeile 97 bzw. 97 symbolisch dargestellt, die senkrecht zur Längsachse 38 stehen. Die Vorrichtung 18 ist bereits mit dieser Funktionalität gleichzeitig als Eisdruckkompensator einsetzbar bei Fluiden, die gefrieren können, um ein angeschlossenes Leitungssystem bzw. weitere daran angeschlossene Funktionskomponenten vor Gefrierschäden zu schützen. Durch Ausbau des Filterelements aus dem fluidführenden Raum zwischen Zulauf und Ablauf kann jedoch die Vorrichtung auch lediglich als Druckpulsationsdämpfer bzw. Eisdruckkompensator vorgesehen werden, ohne daß diese auch filternde Eigenschaften besitzt.
Die Baugruppe des Pulsationsdämpfers innerhalb der Vorrichtung 18 weist neben dem Kompensationselement bzw. der Schutzhülle 30 aus HNBR das Dämpfungselement 39 und den Deckel 22 auf, mit dem zum einen die Baugruppe relativ zum Gehäuse 20, welches beispielsweise im Fördermodul 3 integriert ist, positioniert und mit dem zum anderen durch das Andrücken der Schutzhülle an das Gehäuse der fluidführende Bereich 21 abgeschlossen wird. Darüber hinaus weist die Baugruppe im Bereich des Hohlraums 23 des Deckels 22 einen Stützkörper 93 aus Kunststoff und eine Druckfeder 91 aus Stahl auf. Der Stützkörper 93, der axial bzw. parallel zur Längsachse 39 verschieblich im Deckel gelagert ist, wird mittels der Feder 91, die zwischen dem Stützkörper und der Innenseite des Deckels gespannt ist, gegen einen zweiten Bereich 310 der Schutzhülle 30 gedrückt. Der zweite Bereich 310 ist hierbei senkrecht zum ersten, röhrenförmigen Bereich 31 der Schutzhülle angeordnet und verbindet den röhrenförmigen Bereich 31 mit dem Dichtungsbereich 35 der Schutzhülle 30. Im Normalbetrieb des Fördermoduls 3 bzw. der Vorrichtung 18 wirkt der Fluid-Systemdruck gegen die Feder und komprimiert diese, bis das Dämpfungselement und/oder der Stützkörper auf den in diesem Zusammenhang als mechanischen Anschlag 101 dienenden Deckel 22 trifft. Dadurch ist der ordnungsgemäße Betrieb des Fördermoduls gewährleistet, da der Pulsationsdämpfer dann auf seiner der Zulauföffnung 26 zugewandten Seite ausreichend Strömungsquerschnitt freigibt. Im Abstellfall sinkt der Systemdruck ab und der Pulsationsdämpfer wird, unterstützt durch die Druckfeder, in die andere, der Zulauföffnung 26 nahe Endlage, wie in 2 dargestellt, geschoben. Durch diesen Vorgang wird Harnstofflösung entsprechend seinem Volumen, aus dem fluidführenden Bereich 21 respektive aus dem Fördermodul 3 verdrängt. Die Vorrichtung 18 bzw. der Druckpulsationsdämpfer 7 wird neben der Dämpfung von Fluiddruckschwankungen im Falle eines gefrierfähigen Fluids auch zur Eisdruckkompensation eingesetzt, 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. Der durch den Stützkörper 93 und die Druckfeder 91 bereitgestellte Mechanismus der axialen Verschiebung in Folge von Fluid-Systemdruck und Federkraft, in 2 symbolisch dargestellt durch einen Doppelpfeil 95 parallel zur Längsachse 38, unterstützt die Gefrierdruckfestigkeit der Vorrichtung, weil im Abstellfall das Fluid teilweise aus der Vorrichtung herausgeschoben wird, so daß der Pulsationsdämpfer nur den etwaigen Eisdruck des noch in der Vorrichtung verbliebenen Fluids auffangen muß.
Je nach Anwendungsfall kann der Hub des Stützkörpers 93 und damit das Verdrängungsvolumen beziehungsweise die Kraft der Feder 91 in geeigneter Weise gewählt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19946900 [0003, 0003]
DE 102009027858 [0004]
DE 102009028164 [0005]

Claims

Vorrichtung (7, 18) zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Fluid, mit einem Gehäuse (20, 22) und einem im Gehäuse angeordneten verformbaren, insbesondere elastisch verformbaren, Kompensationselement (30), welches in jedem Betriebszustand zusammen mit dem Gehäuse (20) einen fluidführenden Raum (21) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem fluidführenden Raum abgewandten Seite des Kompensationselements ein Dämpfungselement (39) angeordnet ist, so daß bei Wegfallen einer Druckbeaufschlagung des Kompensationselements (30) im fluidführenden Raum (21) sich die aufgrund der Druckbeaufschlagung ausgebildete Verformung des Kompensationselements (30) unter Krafteinwirkung des Dämpfungselements (39) auf das Kompensationselement (30) zurückbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (30) einen ersten, röhrenförmigen Bereich (31) aufweist und daß das Dämpfungselement (39) in dem ersten Bereich (31) angeordnet ist, wobei das Dämpfungselement (39) beiderseits gegen die Mantelfläche (32) des röhrenförmigen Bereichs (31) gespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement einen zweiten Bereich (310) aufweist, wobei der zweite Bereich auf der dem fluidführenden Raum (21) abgewandten Seite gegenüber dem Gehäuse (20, 22) federnd (91) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Bereich des Kompensationselements derart miteinander verbunden sind und/oder einstückig miteinander verbunden sind, daß eine Bewegung des zweiten Bereichs aufgrund seiner federnden Lagerung eine entsprechende Bewegung des ersten Bereichs nach sich ziehen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (31) sich entlang einer Längsachse der Vorrichtung und der zweite Bereich (310) abgewinkelt zur Längsachse erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (310) senkrecht zur Längsachse angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Lagerung des zweiten Bereichs in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Längsachse, erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Lagerung durch eine Feder (91), insbesondere eine Stahlfeder, erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Feder (91) und dem zweiten Bereich (310) ein beweglich gelagerter Stützkörper (93) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression der Feder durch einen Anschlag (101) begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder sich auf einem Deckel (22) des Gehäuses abstützt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filterelement (24) für das Fluid im fluidführenden Raum (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement aus Acrylnitrilbutadien-Kautschuk hergestellt ist.
Fördermodul einer Anordnung zur Abgasnachbehandlung zur Förderung eines Fluids zur Abgasnachbehandlung, mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.