DE102012223041A1

DE102012223041A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Fluid

Info

Publication number: DE102012223041A1
Application number: DE201210223041
Authority: DE
Inventors: Michael Offenhuber; Stefan Lorengel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: DE102012223041B4

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; 390) 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 federvorgespannte Dämpfungselemente können die Druckpulsationen nur in begrenztem Frequenzbereich 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.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen möglich.
Ein Federelement als Bestandteil des Dämpfungselements stellt hierbei eine einfache und gezielt variierbare Maßnahme zur Einstellung einer geeigneten Dämpfungscharakteristik dar.
Stützt sich das Federelement beiderseitig auf dem Kompensationselement ab, ist in einfacher und robuster Weise eine sich selbst tragende Konstruktion außerhalb des fluidführenden Bereichs geschaffen.
Ein Abstützelement bzw. Abstützelemente schützen das an sich verformbare Kompensationselement in vorteilhafter Weise vor Beschädigungen durch beispielsweise das Federelement.
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.
Besonders vorteilhaft ist es, mehrere Federelemente vorzusehen, die sich in ihrer Federkonstante voneinander unterscheiden. Dadurch können sowohl in einem hydraulischen als auch in einem pneumatischen Kreis Druckschwankungen innerhalb eines breiten Frequenzbandes wirksam bedämpft werden.
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,
2 eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen,
3 ein Dämpfungselement mit zwei Halbschalen und
4 ein segmentiertes Dämpfungselement.
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 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 – wie in der 1 dargestellt – als Filter 6 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.
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.
3 zeigt das Dämpfungselement 39 vergrößert und isoliert von den übrigen Komponenten der Vorrichtung 18 in Form einer perspektivischen Ansicht 50. Die Halbschalen können, wie hier dargestellt, geschlossen ausgebildet sein, so daß das Federelement 45 zwischen zwei ebenen und parallelen Flächen eingespannt bzw. eingelegt ist.
In einer alternativen Ausführungsform können die Halbschalen auch offen ausgebildet sein, so daß sich das Federelement auf den Innenflächen der Rundungen der Halbschalen abstützt, deren Außenflächen wiederum die Schutzhülle 30, wie in 2 dargestellt, stützen.
4 zeigt ein alternatives Dämpfungselement 390 in einer Querschnittsseitenansicht, das mehrere in einer Reihe angeordnete Dämpfungselementsegmente 391 bis 401 aufweist. Jedes Dämpfungselementsegment weist, analog zum Aufbau eines Dämpfungselements 39 gemäß 3, eine erste Halbschale 403 und eine zweite Halbschale 402 auf, zwischen denen ein Federelement 405 angeordnet ist, wie beispielhaft beim Dämpfungselement 393 mit den entsprechenden Bezugszeichen markiert. Die Dämpfungselementsegmente 391 bis 401 weisen Federelemente mit zumindest teilweise unterschiedlichen Federkonstanten auf. Die Breiten der einzelnen Dämpfungselementsegmente können je nach Applikation und gewünschter Wirkung unterschiedlich ausgeführt werden. Die Dämpfungselementsegmente können ohne gegenseitige mechanische Arretierung nebeneinander angeordnet und mit dem röhrenförmigen Bereich 31 der Schutzhülle 30 umgeben werden. Durch die jeweils leichte Vorspannung des betreffenden Federelements sind sie hinreichend stabil gelagert. In einer alternativen Ausführungsform können die Halbschalen seitlich jeweils nicht näher dargestellte Führungselemente aufweisen, so daß diese, gegenseitig geführt, auf Druckbelastung durch Verschiebung reagieren können.
Die Federelemente sind nach Einbau der Dämpfungselementsegmente vorgespannt und dienen als Wegbegrenzung. Durch Druckspitzen werden die Halbschalen zusammengedrückt, nehmen die Druckenergie auf und geben dadurch ein Volumen frei. Sobald die Amplitude der Druckpulsation im fluidführenden Raum 21 der Vorrichtung 18 unter einen Nominaldruck fällt, wird diese gespeicherte Energie dem Fluid bzw. dem an die Vorrichtung 18 angeschlossenen Leitungssystem wieder zugeführt und der Druckabfall dadurch verringert. Die Verwendung von Federelementen mit unterschiedlichen Federkonstanten dient dazu, Druckschwankungen mit unterschiedlichen Frequenzanteilen zu dämpfen. Hierdurch wird die Vorrichtung 18 als Breitbanddruckpulsationsdämpfer ausgestaltet, der sowohl in hydraulischen als auch in pneumatischen Systemen einsetzbar ist. Durch unterschiedliche Applikationen bei verteilten Systemen, d. h. bei Systemen mit Druckerzeuger und Drucksenke bzw. Drucksenken, die durch unterschiedlich lange Schläuche oder Rohre miteinander verbunden sind, kann es zu unterschiedlichen Resonanzfrequenzen kommen, die über eine Anregungsfrequenz angestoßen werden. Bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Breitbanddruckpulsationsdämpfers ist ein vorheriges Abstimmen der Frequenz des Dämpfungselements nicht erforderlich bzw. es besteht keine Einschränkung in der Applikation, wie es bei einem Dämpfungselement mit nur einer Federkonstante der Fall ist.
Die Vorrichtung 18 kann 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.
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) und einem im Gehäuse angeordneten 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 mindestens ein Dämpfungselement (39; 390) angeordnet ist, so daß bei Wegfallen einer Druckbeaufschlagung des Kompensationselements (30) im fluidführenden Raum (21) sich die aufgrund der Druckbeaufschlagung ausgebildete Verformung des Kompensationselements unter Krafteinwirkung des Dämpfungselements auf das Kompensationselement zurückbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (39; 390) mindestens ein Federelement (45; 405) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Federelement (45; 405) beiderseitig zumindest mittelbar (41, 42; 401, 402) auf dem Kompensationselement (30) abstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (39; 390) mindestens ein Abstützelement (41, 42; 401, 402) aufweist, welches zwischen dem Kompensationselement (30) und dem Federelement (45; 405) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützelement (41; 401) und ein weiteres Abstützelement (42; 402), welches am dem Abstützelement (41; 401) abgewandten Ende des Federelements (45; 405) zwischen dem Kompensationselement (30) und dem Federelement (45; 405) angeordnet ist, als Halbschalen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (39; 390) aus mindestens zwei Dämpfungselementsegmenten (391–401) besteht, wobei das erste Dämpfungselementsegment (391) das mindestens eine Federelement (405) und das zweite Dämpfungselementsegment (392) ein weiteres Federelement aufweist, wobei die Federkonstanten der beiden Federelemente sich voneinander unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (30) einen röhrenförmigen Bereich (31) aufweist und daß das Dämpfungselement (39; 390) in dem röhrenförmigen Bereich (31) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (39; 390) beiderseits gegen die Mantelfläche (32) des röhrenförmigen Bereichs (31) gespannt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (30) als Dichtung zwischen dem Gehäuse (20) und einem Deckel (22) der Vorrichtung angeordnet ist.
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 (39) elastisch verformbar ist.