DE102013107373A1

DE102013107373A1 - "Verfahren und Einrichtung zum Schutz von Fluidsystemen gegen Gefrierdruck"

Info

Publication number: DE102013107373A1
Application number: DE201310107373
Authority: DE
Inventors: Martin Sachse; Michele Pütz
Original assignee: Voss Automotive GmbH
Current assignee: Voss Automotive GmbH
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines eine gefriergefährdete Flüssigkeit enthaltenden Fluid-Systems (1), insbesondere eines ein flüssiges Reduktionsadditiv enthaltenden SCR-Systems von Verbrennungsmotoren, gegen Gefrierdruck. Am Ende einer jeden Betriebsphase des Fluid-Systems (1) wird selbsttätig eine bestimmte Menge eines kompressiblen fluidischen Mediums als Ausgleichsvolumen aus einem mit dem Fluid-System (1) fluidisch verbundenen unter einem Druck (p) stehenden Druckspeicher (104) in das Fluid-System (1) eingebracht. Der Druckspeicher (104) und das Fluid-System (1) sind derart mit einem ersten Ventil (101) fluidisch verbunden, dass das erste Ventil (101) bis zu einem festlegbaren Differenzdruck zwischen dem Druck (p) im Druckspeicher und einem während der Betriebsphase existierenden Betriebsdruck (pSCR) im Fluid-System (1) die Verbindung schließt und bei einer Veränderung des Differenzdrucks durch Abfall des Betriebsdrucks (pSCR) am Ende der Betriebsphase die Verbindung öffnet. Ein Druckerzeuger (103) erzeugt durch Zufluss und Kompression von einer bestimmten Menge des Mediums während der Betriebsphase des Fluid-Systems (1) den Druck (p) in dem Druckspeicher (104).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines eine gefriergefährdete Flüssigkeit enthaltenden Fluid-Systems, insbesondere eines ein flüssiges Reduktionsadditiv enthaltenden SCR-Systems von Verbrennungsmotoren, gegen Gefrierdruck, wobei am Ende einer jeden Betriebsphase des Fluid-Systems selbsttätig eine bestimmte Menge eines kompressiblen fluidischen Mediums als Ausgleichsvolumen aus einem mit dem Fluid-System fluidisch verbundenen unter einem Druck stehenden Druckspeicher in das Fluid-System eingebracht wird, wobei der Druckspeicher und das Fluid-System derart mit einem ersten Ventil fluidisch verbunden sind, dass das erste Ventil bis zu einem festlegbaren Differenzdruck zwischen dem Druck im Druckspeicher und einem während der Betriebsphase existierenden Betriebsdruck im Fluid-System die Verbindung schließt und bei einer Veränderung des Differenzdrucks durch Abfall des Betriebsdrucks am Ende der Betriebsphase die Verbindung öffnet.
Zudem betrifft die Erfindung auch eine Ventileinheit und eine Pumpeinheit zur Durchführung dieses Verfahrens.
In der Kraftfahrzeug-Technik werden insbesondere bei Dieselmotoren häufig so genannte SCR-Katalysatoren eingesetzt (SCR = selective catalytic reduction), wobei als NOx-Reduktionsadditiv in der Regel eine wässrige, z. B. 32,5%-ige, Harnstoff-Lösung verwendet wird. Bei einem Einsatz in Kraftfahrzeugen sind niedrige Umgebungstemperaturen problematisch, weil es zu einem Gefrieren des Reduktionsadditivs kommen kann. So liegt bei einer Harnstoff-Wasser-Lösung der Gefrierpunkt bei etwa minus 11°C. Es ist allgemein bekannt, dass es bei einem beim Einfrieren von Flüssigkeiten auftretenden Phasenwechsel, hier der Änderung des Aggregatzustandes von flüssig nach fest, auch zu einer Volumenausdehnung kommt, die bei dem bevorzugten Reduktionsadditiv bei etwa 10% liegt. in geschlossenen, mit dem Medium gefüllten Systemen, wie Leitungen und sonstigen Aggregaten, resultiert daraus ein hoher Gefrierdruck, der häufig zu Schäden und Undichtigkeiten führt.
Entsprechende Probleme können z. B. auch im Bereich von Scheibenwaschanlagen und deren Waschwasser-Systemen auftreten.
Die DE 10 362 140 B4 beschäftigt sich mit der Problematik, dass speziell bei SCR-Systemen Schwierigkeiten zu überwinden sind, weil die beim Gefrieren auftretende Volumenzunahme zu Schäden an Bestandteilen der SCR-Einrichtung führen kann. Bei der in dieser Veröffentlichung beschriebenen Einrichtung ist innerhalb des Leitungssystems wenigstens ein Speicherraum in Form eines Expansionsraumes vorhanden, der insbesondere durch ein Verformen eines elastischen Dehnteils eine Einspeicherung von Volumen bei Erreichen eines Gefrierdruckes des Mediums ermöglichen soll. Das elastisch verformbare Dehnteil kann durch eine Membran gebildet sein, die auch bei wiederholtem Einfrieren und Auftauen für eine ausreichende Elastizität sorgen soll. Da aber der Expansionsraum innerhalb des Systems jeweils nur an einer bestimmten Stelle angeordnet ist, kann es im übrigen Leitungsbereich und vor allem auch im Bereich von Leitungs-Anschlussvorrichtungen nach wie vor zum Gefrieren mit den entsprechenden Folgeerscheinungen kommen.
Zudem ist es bekannt, die beim Gefrieren auftretende Volumenausdehnung mechanisch zu kompensieren, beispielsweise über Federn, welche bei Belastung ein Ausgleichsvolumen generieren. Hierzu wird beispielsweise auf das Dokument DE 20 2007 013 316 U1 verwiesen. Derartige mechanische Lösungen sind jedoch häufig kompliziert, kostenintensiv und anfällig für Fehlfunktionen.
In der DE 10 2011 010 952 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben, bei denen Luft in einem an das SCR-System angeschlossenen Luftspeicher durch Erwärmung während des Betriebs des SCR-Systems unter Druck gesetzt wird. Dieser Druck im Luftspeicher wird nach dem Abschalten des SCR-Systems verwendet, um die Luft des Luftspeichers in das SCR-System zu blasen und damit ausreichend Luftvolumen im SCR-System zu erzeugen, so dass der Gefrierdruck durch ein Komprimieren der Luft im SCR-System ausgeglichen werden kann. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Erzeugung des Drucks im Luftspeicher von der Umgebungstemperatur abhängig ist, so dass insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen relativ viel Energie bzw. eine längere Zeit während der Betriebsphase für die Druckerzeugung benötigt wird.
Speziell in Fahrzeugen, in denen ein Druckluft-System mit einem Druckluft Speicher, Druckluft-Erzeuger und Druckluft-Verbraucher zur Verfügung steht, wie dies bei Lastkraftwagen mit Druckluft-Bremsanlage der Fall ist, kann nach dem Abstellen des Motors das SCR-System ganz oder zumindest teilweise mit Druckluft ausgeblasen werden, so dass beim Einfrieren genügend komprimierbares Luftvolumen zur Verfügung steht. Diese Maßnahme erfordert aber nach dem Abstellen des Motors noch eine elektrische Spannungsversorgung. Zudem ist in solchen Fahrzeugen die Druckluft üblicherweise getrocknet, so dass eine Beaufschlagung des SCR-Systems mit dieser getrockneten Luft eine unerwünschte Kristallbildung im System bewirkt.
Weiterhin ist es bekannt, nach dem Abstellen des Motors das SCR-System ganz oder zumindest teilweise mittels einer Pumpe leer zu saugen. Auch hierzu wird nach dem Abstellen des Motors noch elektrische Energie benötigt. In bestimmten Fahrzeugen, wie insbesondere in Gefahrgut-Transportern, steht nach dem Abstellen des Motors keine elektrische Spannung mehr zur Verfügung, weil diese aus Sicherheitsgründen vollständig abgeschaltet werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die oben beschriebenen Probleme zu überwinden und Bestandteile von Fluiden-System, insbesondere von SCR-Systemen, und zwar vor allem besonders Gefrierdruck-gefährdete, das Reduktionsadditiv enthaltende Komponenten und Aggregate, auch dann sicher und von der Umgebungstemperatur unabhängig vor einem Gefrierdruck der Flüssigkeit bzw. des Reduktionsadditivs zu schützen, wenn nach dem Abschalten des Motors im Fahrzeug keine elektrische Spannung mehr zur Verfügung steht und/oder wenn das Fahrzeug nicht über ein Druckluft-System nach dem Abschalten verfügt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Druckerzeuger durch Zufluss und Kompression von einer bestimmten Menge des Mediums während der Betriebsphase des Fluid-Systems den Druck in dem Druckspeicher erzeugt.
Dies hat den Vorteil, dass der benötigte Druck zum Ausblasen eines Teils des Fluid-Systems während der Betriebsphase gespeichert wird, so dass keine zusätzliche Energie, insbesondere kein zusätzlicher Druck aus dem Druckluft-System eines Fahrzeugs, am Ende der Betriebsphase bzw. in der Ruhephase für das Ausblasen des Fluid-Systems, zum Beispiel durch einen angetriebenen Kompressor, benötigt wird. Zudem erfolgt die Speicherung des Drucks in dem Druckspeicher durch Zufluss von dem Medium, was weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur ist und auch bei sehr tiefen Außentemperaturen und kurzen Betriebszyklen die Speicherung eines ausreichend hohen Drucks im Druckspeicher ermöglicht. Zudem kann ein derartiges Verfahren besonders geräuscharm durchgeführt werden, da zum Beispiel kein Kompressor in der Ruhephase angetrieben werden muss.
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Druckerzeuger eine unter dem Druck stehende externe Mediumquelle, insbesondere ein Druckluft-System, verwendet. Insbesondere öffnet ein zweites Ventil bei Erreichen des Betriebsdrucks im Fluid-System eine Verbindung zwischen dem Druckspeicher und der Mediumquelle und schließt bei einem festlegbaren Druckabfall im Fluid-System unter den Betriebsdruck die Verbindung zwischen Druckspeicher und Mediumquelle. Dabei kann insbesondere eine Ventileinheit gemäß den Ansprüchen 7 oder 8 verwendet werden. Dies ermöglicht einen besonders schnellen Zufluss des Mediums und eine schnelle Speicherung des benötigten Drucks in dem Druckspeicher, was wiederum ausreichend Druck im Druckspeicher bei besonders kurzen Betriebszyklen gewährleistet.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druckerzeuger durch den Betriebsdruck des Fluid-Systems angetrieben und drückt während der Betriebsphase eine bestimmte Menge des in dem Druckerzeuger enthaltenen Mediums in den Druckspeicher, wobei der Druckerzeuger nach Ausfluss des Mediums aus dem Druckspeicher in das Fluid-System eine bestimmte Menge des Mediums durch ein zweites Ventil aus einer unter atmosphärischem Druck stehenden Mediumquelle in den Druckerzeuger ansaugt. Dabei kann insbesondere eine Pumpeinheit gemäß den Ansprüchen 9 und 10 verwendet werden. Dadurch wird lediglich der Betriebsdruck des Fluid-Systems zur Erzeugung des benötigten Drucks in dem Druckspeicher verwendet, und es kann auf eine unter einem Druck stehende Mediumquelle verzichtet werden. Die Mediumquelle für den Zufluss muss lediglich unter atmosphärischem Druck stehen. Durch die Verwendung von einer Mediumquelle mit normaler Umgebungsluft, die einen gewissen Feuchtigkeitsgrad aufweist, kann eine unerwünschte Kristallbildung im durch das Ausblasen des Fluid-Systems verringert werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druckerzeuger durch Nutzung einer systembedingten Druckpulsation des Betriebsdrucks des Fluid-Systems angetrieben, wobei er während der Betriebsphase eine bestimmte Menge des Mediums aus einer Mediumquelle in den Druckerzeuger ansaugt und von dem Druckerzeuger in den Druckspeicher drückt. Insbesondere drückt der Druckerzeuger während der Betriebsphase des Fluid-Systems bei einem ansteigenden pulsierenden Betriebsdruck, insbesondere bis zu einem maximalen pulsierenden Betriebsdruck, eine bestimmte Menge des Mediums aus dem Druckerzeuger durch ein drittes Ventil in den Druckspeicher und saugt bei einem abfallenden pulsierenden Betriebsdruck, insbesondere bis zu einem minimalen pulsierenden Betriebsdruck, eine bestimmte Menge des Mediums von der Mediumquelle durch ein zweites Ventil in den Druckerzeuger an. Dabei kann insbesondere eine Pumpeinheit gemäß dem Anspruch 11 verwendet werden. Durch Nutzung der Druckpulsation des Fluid-Systems kann der Druck im Druckspeicher auf ein hohes Niveau gebracht werden, ohne eine zusätzliche unter Druck stehende Mediumquelle zu verwenden. Zudem kann die Pumpeinheit platzsparend ausgebildet werden, da das Pumpvolumen pro Pumpvorgang relativ klein sein kann.
Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den folgenden Figuren und deren Beschreibung. Es zeigen:
1 eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz von Fluid-Systemen gegen Gefrierdruck,
2a einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß 1 in der Betriebsphase,
2b einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß 1 in der Ruhephase,
3 eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz von Fluid-Systemen gegen Gefrierdruck,
4a einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpeinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß 3 in der Ruhephase,
4b einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpeinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß 3 in der Betriebsphase,
5 eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz von Fluid-Systemen gegen Gefrierdruck, und
6 einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpeinheit zur Durchführung des Verfahrens gemäß 5 in der Betriebsphase.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile einer Ausführungsform stets mit denselben Bezugszeichen versehen.
Zu der anschließenden Beschreibung wird beansprucht, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr ist jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels von Bedeutung für den Gegenstand der Erfindung.
Ein gemäß der Erfindung zu schützendes Fluid-System 1 enthält eine gefriergefährdete Flüssigkeit. Das Fluid-System 1 ist insbesondere ein SCR-System und enthält zumindest im Betriebszustand, d. h. insbesondere wenn der Motor eines Fahrzeugs im Betrieb ist, ein fluidisches Reduktionsadditiv, wie insbesondere eine wässrige Harnstoff-Lösung, die mittels einer Pumpe mit einem bestimmten Förderdruck zu einer nicht dargestellten Dosiereinheit geführt und in einen Abgasstrang eines Motors eingedüst wird. Im Stillstand kann das Reduktionsadditiv bei Umgebungstemperaturen unterhalb seines Gefrierpunktes von insbesondere etwa minus 11°C einfrieren, was bei einem vollständig oder nahezu vollständig gefüllten System zu einem erhöhten inneren Gefrierdruck im System führen kann. Der Druck des Reduktionsadditivs kann je nach Betriebszustand unterschiedlich hoch sein. Im Betrieb handelt es sich um den Pumpen-Förderdruck, im Ruhezustand, d. h. insbesondere wenn der Motor des Fahrzeugs ausgeschaltet ist, kann der Druck auf Atmosphärendruck absinken. Insbesondere hat systembedingt der Pumpen-Förderdruck im Betriebszustand dem Betrag nach einen pulsförmigen Verlauf zwischen einem maximalen und einem minimalen Pumpen-Förderdruck, mit einem mittleren Pumpen-Förderdruck der als Betriebsdruck p_SCR bezeichnet wird. Die Pulsation hat zum Beispiel betragsmäßig eine Größenordnung von +/–20% des Betriebsdrucks p_SCR. Der Betriebsdruck p_SCR im SCR-System liegt insbesondere zwischen 5 bar und 13 bar und beträgt insbesondere 10 bar.
1 zeigt eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz eines Fluid-Systems 1 gegen Gefrierdruck.
Das Fluid-System 1 ist einerseits mit einem Ausgang eines ersten Ventils 101, insbesondere eines Rückschlagventils, und andererseits mit einem Steueranschluss eines zweiten Ventils 102, insbesondere eines Zwei-Wege-Ventils, fluidisch verbunden. Das zweite Ventil 102 wird über einen seiner Arbeitsleitungsanschlüsse mit einem Druckerzeuger, insbesondere einer Mediumquelle 103, fluidisch verbunden und im Betriebszustand mit einem kompressiblen fluidischen Medium versorgt. Die Mediumquelle 103 ist insbesondere ein Druckluft-System eines Fahrzeugs. Zudem sind mit einem anderen Arbeitsleitungsanschluss des zweiten Ventils 102 ein Druckspeicher 104 zum Speichern des Mediums unter einem Druck p, insbesondere ein druckfester Luftbehälter mit einem definierten konstanten Innenvolumen V, und ein Eingang des ersten Ventils 101 fluidisch verbunden. Der Nenndruck der Mediumquelle 103 liegt insbesondere zwischen 5 und 13 bar.
Ausgehend von der Ruhephase, insbesondere bei einem abgeschalteten Fahrzeug, ist das Fluid-System 1 abgeschaltet, und es herrscht somit insbesondere ein atmosphärischer Druck in dem Fluid-System 1. Da an dem Steueranschluss des zweiten Ventils 102 kein Betriebsdruck p_SCR anliegt, sind die Arbeitsleitungsanschlüsse des zweiten Ventils 102 getrennt, und somit die Mediumquelle 103 vom Druckspeicher 104 getrennt.
Im Betriebszustand, insbesondere wenn das Fahrzeug eingeschaltet ist, ist auch das Fluid-System 1 eingeschaltet, wobei der Betriebsdruck p_SCR des Fluid-Systems 1 aufgebaut wird. Beim Erreichen des Betriebsdrucks p_SCR im Fluid-System 1 öffnet das zweite Ventil 102 eine Verbindung zwischen seinen Arbeitsleitungsanschlüssen, so dass das Medium aus der Mediumquelle 103 in den Druckspeicher 104 strömt. Dabei wird in dem Druckspeicher 104 der Druck p gespeichert, der dem Nenndruck der Mediumquelle 103 entspricht. Dabei ist das erste Ventil 101 derart ausgelegt, dass es bei dem Druck p im Druckspeicher 104 und dem Betriebsdruck p_SCR im Fluid-System 1 verschlossen ist. Dadurch kann in der Betriebsphase kein Medium vom Druckspeicher 104 in das Fluid-System 1 strömen.
Bei einem Übergang von der Betriebsphase in die Ruhephase, insbesondere beim Ausschalten des Fahrzeugs, werden das Fluid-System 1 und die Mediumquelle 103 ausgeschaltet, so dass der Druck zumindest im Fluid-System 1 auf insbesondere den atmosphärischen Druck abfällt. Dadurch wird zunächst die Verbindung zwischen den Arbeitsleitungsanschlüssen des zweiten Ventils 102 getrennt, da an seinem Steueranschluss kein Betriebsdruck p_SCR mehr anliegt, wodurch der Druckspeicher 104 von der Mediumquelle 103 getrennt wird. Bei einem bestimmten Differenzdruck zwischen dem Druckspeicher 104 und dem Fluid-System 1 öffnet sich das erste Ventil 101, so dass das Medium aus dem Druckspeicher 104 in das Fluid-System 1 strömt, wobei zumindest ein Teil der gefriergefährdeten Flüssigkeit im Fluid-System 1 verdrängt wird. Ab einer bestimmten Annäherung des Drucks p im Druckspeicher 104 an den Ruhedruck im Fluid-System 1 schließt das erste Ventil 101 und trennt den Druckspeicher 104 von dem Fluid-System 1. Der Druckspeicher 104 ist dem Volumen nach und das erste Ventil 102 ist dem Differenzdruck nach derart bemessen, dass die Menge des in das Fluid-System 1 einströmenden Mediums ausreichend ist, um eine Beschädigung des Fluid-Systems 1 durch ein Gefrieren der gefriergefährdeten Flüssigkeit zu vermeiden. Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren alleine durch die gespeicherte Druckenergie im Druckspeicher 104 erfolgen, ohne dass eine zusätzliche Energiequelle, insbesondere eine elektrische Pumpe, nach dem Ausschalten des Fluid-Systems 1, insbesondere nach dem Ausschalten des Fahrzeugs, benötigt wird.
2a und 2b zeigen jeweils einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinheit 110 zur Anwendung eines gemäß 1 dargestellten Verfahrens. Dabei zeigt 2a die Ventileinheit 110 in der Betriebsphase und 2b die Ventileinheit 110 in der Ruhephase.
Die Ventileinheit 110 bildet das erste Ventil 101 und das zweite Ventil 102 gemäß 1 in einer Einheit. Dazu ist die Ventileinheit 110 insbesondere als ein Differentialzylinder ausgebildet und umfasst einen einseitig mittels eines Deckels 112 an einer seiner Stirnseiten verschlossenen Hohlzylinder 114, einen in dem Hohlzylinder 114 angeordneten Kolben 116 mit zwei insbesondere unterschiedlich großen Kolben-Stirnflächen und ein in dem Kolben 116 angeordnetes erstes Ventil 101, insbesondere ein Rückschlagventil.
Der Hohlzylinder 114 weist an seiner dem Deckel 112 gegenüberliegenden Stirnseite einen Fluid-System-Anschluss 118 zum Anschließen eines zu schützenden Fluid-Systems 1 auf. Der Fluid System-Anschluss 118 ist in Richtung des Deckels 112 durch einen am Innenumfang des Hohlzylinders 114 verlaufenden umlaufenden Anschlagsteg 120 begrenzt. An den Anschlagsteg 120 schließt sich eine Zylinderkammer 122 an, in der der Kolben 116 angeordnet ist. Die Zylinderkammer 122 umfasst zwei, mit unterschiedlichen Innendurchmessern ausgebildete Bereiche, einen von dem Anschlagsteg 120 verlaufenden Kolbenbereich und einen vom Kolbenbereich bis zum Deckel 112 verlaufenden Anschlussbereich. Dabei ist der Innendurchmesser des Anschlussbereichs insbesondere kleiner als der Innendurchmesser des Kolbenbereichs. Am Übergang der Zylinderkammer 122 von dem Kolbenbereich zu dem Anschlussbereich bildet die Zylinderkammer 122 eine Ringwand 124.
Der Kolben 116 umfasst zwei insbesondere mit unterschiedlichen Außendurchmessern ausgebildete Bereiche. Der Ventilbereich ist zwischen dem Anschlagsteg 120 und der Ringwand 124 der Zylinderkammer 122 angeordnet und ist mit seinem Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Kolbenbereichs der Zylinderkammer 122 angepasst. Der Kolben 116 weist in dem Ventilbereich eine Aufnahmeöffnung für das erste Ventil 101 auf. Der Verbindungsbereich schließt sich in Richtung des Deckels 112 an den Ventilbereich an und verläuft vom Kolbenbereich der Zylinderkammer 122 aus in den Anschlussbereich der Zylinderkammer 122 und ist mit seinem Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Anschlussbereichs angepasst. Der Ventilbereich des Kolbens 116 ist in axialer Richtung kürzer ausgebildet als der Kolbenbereich der Zylinderkammer 122, so dass der Kolben 116 in der Zylinderkammer 122 in axialer Richtung verschiebbar zwischen Ringwand 124 und Anschlagsteg 120 gelagert ist. Dabei befindet sich der Kolben 116 bei einem Anschlag an den Anschlagsteg 120 in der Ruhestellung und bei einer Stellung zwischen der Ringwand 124 und dem Anschlagssteg 120 in der Betriebsstellung. Der Anschlussbereich des Kolbens 116 ist in axialer Länge derart ausgebildet, dass zwischen dem Deckel 112 und der dem Deckel 112 zugewandten Stirnseite 126 des Kolbens 116 in Anschlagstellung eine Druckkammer 128 entsteht.
Der Anschlussbereich der Zylinderkammer 122 umfasst einen Druckerzeuger-Anschluss 130 zum Anschließen des Druckerzeugers, insbesondere zum Anschließen der Mediumquelle 103, und einen Druckspeicher-Anschluss 132 zum Anschließen des Druckspeichers 104. Der Druckerzeuger-Anschluss 130 und der Druckspeicher-Anschluss 132 sind in der Umfangswand des Anschlussbereichs der Zylinderkammer 122 angeordnet und sind in radialer Richtung gegenüberliegend und in axialer Richtung gegeneinander versetzt. Dabei ist der Druckerzeuger-Anschluss 130 in axialer Richtung näher zum Deckel 112 angeordnet als der Druckspeicher-Anschluss 132.
Der Ventilbereich des Kolbens 116 weist an seiner dem Fluid-System-Anschluss 118 zugewandten Stirnseite eine Ventilaufnahme-Bohrung auf, in die das erste Ventil 101 eingesetzt ist.
Der Verbindungsbereich des Kolbens 116 weist einen ersten inneren Kanal 140 auf. Der erste Kanal 140 verbindet zwei am Außenumfang des Verbindungsbereichs angeordnete Öffnungen 142, 144 und die Ventilaufnahme-Bohrung miteinander. Dabei sind die Öffnungen 142, 144 am Außenumfang des Kolbens 116 insbesondere radial gegenüberliegend und axial zueinander versetzt angeordnet.
Das erste Ventil 101 ist insbesondere als Kugel-Rückschlagventil mit einer Feder beaufschlagten Kugel ausgebildet und verbindet den ersten Kanal 140 mit dem Fluid-System-Anschluss 118, wobei der Strömungsweg in Richtung vom Fluid-System-Anschluss 118 zum ersten Kanal 140 durch die Kugel gesperrt wird.
Die Öffnungen 142, 144 des ersten Kanals 140 sind derart in axialer Richtung relativ zum Druckerzeuger-Anschluss 130 und zum Druckspeicher-Anschluss 132 angeordnet, dass in der Betriebsstellung die erste Öffnung 142 dem Druckerzeuger-Anschluss 130 zumindest teilweise gegenüberliegt und die zweite Öffnung 144 dem Druckspeicher-Anschluss 132 zumindest teilweise gegenüberliegt. Dadurch sind in der Betriebsstellung der Druckerzeuger-Anschluss 130 und der Druckspeicher-Anschluss 132 mit dem Fluid-System-Anschluss 118 über den ersten Kanal 140 verbunden.
Zudem sind die Öffnungen 142, 144 des ersten Kanals 140 derart in axialer Richtung relativ zum Druckerzeuger-Anschluss 130 und zum Druckspeicher-Anschluss 132 angeordnet, dass in der Ruhestellung die zweite Öffnung 144 dem Druckspeicher-Anschluss 132 weiterhin zumindest teilweise gegenüberliegt und der erste Kanal 140 den Druckspeicher-Anschluss 132 mit dem Fluid-System-Anschluss 118 verbindet und gleichzeitig die erste Öffnung 142 durch die Umfangswandung des Hohlzylinders 114 verschlossen ist, so dass der Druckerzeuger-Anschluss 130 nicht mit dem ersten Kanal 140 verbunden ist.
Der Verbindungsbereich des Kolbens 116 weist einen inneren zweiten Kanal 150 auf, der im Bereich des dem Deckel 112 zugewandten Endes vom Außenumfang des Kolbens 116 zur Stirnseite 126 des Kolbens 116 verläuft. Eine am Außenumfang des Kolbens 116 befindliche Öffnung 152 des zweiten Kanals 150 ist derart axial relativ zu dem Druckerzeuger-Anschluss 130 angeordnet, dass der zweite Kanal 150 in der Ruhestellung den Druckerzeuger-Anschluss 130 mit der Druckkammer 128 verbindet und in der Betriebsstellung die Öffnung 152 des zweiten Kanals 150 und damit die Druckkammer 128 durch die Umfangswand des Hohlzylinders 114 verschlossen ist.
Der Nenndruck der an den Druckerzeuger-Anschluss 130 angeschlossenen Mediumquelle 103 ist während der Betriebsphase insbesondere höher als der Druck in dem an den Fluid-System-Anschluss 118 angeschlossenen Fluid-System 1.
Das erste Ventil 101 ist derart ausgelegt, dass es erst bei einem Differenzdruck, der größer ist als die Druckdifferenz zwischen dem Nenndruck der Mediumquelle 103 minus dem Druck des Fluid-Systems 1, öffnet. Insbesondere öffnet das erste Ventil 101 bei Differenzdrücken von größer 2 bar.
Im ausgeschalteten Zustand des Fahrzeugs, bei dem der Druckabfall in der Mediumquelle 103 verhindert werden soll und das Fluid-System 1 ausgeschaltet ist, und somit in diesem System lediglich atmosphärischer Druck herrscht, befindet sich die Ventileinheit 110 zumindest nach einem gewissen Zeitraum in der Ruhestellung.
Beim Einschalten der Mediumquelle 103 und des Fluid-Systems 1 und Übergang von der Ruhephase in die Betriebsphase füllt die Mediumquelle 103 durch den Druckerzeuger-Anschluss 130 und über den zweiten Kanal 150 das Medium in die Druckkammer 128. Gleichzeitig verschiebt der Betriebsdruck p_SCR des Fluid-Systems 1 über den Fluid-System-Anschluss 118 den Kolben 116 in Richtung des Deckels 112 in die Betriebsstellung. Dabei sind die Größen der Stirnflächen des Kolbens 116 derart ausgelegt, dass der niedrigere Druck im Fluid-System 1 eine größere axiale Kraft auf den Kolben 116 in Richtung des Deckels 112 ausübt als der höhere Druck der mit der Druckkammer 128 verbundenen Mediumquelle 103. Das komprimierbare Medium in der Druckkammer 128 wirkt wie eine Feder, wobei die Größe der Druckkammer 128 derart bemessen ist, dass die Federkraft die Druckkraft des Fluid-Systems 1 in der Betriebsstellung des Kolbens 116 ausgleicht, so dass der Kolben 116 in der Betriebsstellung gehalten wird.
In der Betriebsstellung ist wie bereits oben beschrieben der Druckerzeuger-Anschluss 130 über den ersten Kanal 140 mit dem Druckspeicher-Anschluss 132 verbunden. Wegen der oben beschriebenen Auslegung des ersten Ventils 101 ist in der Betriebsstellung kein Druckausgleich zwischen der Mediumquelle 103 und dem Fluid-System 1 über den ersten Kanal 140 und durch das erste Ventil 101 möglich. Somit wird ein angeschlossener Druckluft-Speicher 104 in der Betriebsstellung über den ersten Kanal 140 von der Mediumquelle 103 aufgefüllt.
3 zeigt eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz eines Fluid-Systems 1 gegen Gefrierdruck.
Das zu schützende Fluid-System 1 ist insbesondere mit einem Eingang eines Druckerzeugers 202, insbesondere einer Pumpeinheit 210 aus 4a/4b umfassend einen Hohlzylinder 214, Kolben 216 und eine Feder 219, und mit einem Ausgang eines ersten Ventils 201, insbesondere einem Rückschlagventil, fluidisch verbunden. Der Druckerzeuger 202 ist über einen Ausgang mit einem Druckspeicher 204, insbesondere einem druckfesten Luftbehälter mit einem definierten konstanten Innenvolumen V, fluidisch verbunden. Der Druckspeicher 204 ist zusätzlich fluidisch mit dem Eingang des ersten Ventils 201 und mit dem Ausgang eines zweiten Ventils 205, insbesondere einem zweiten Rückschlagventil, fluidisch verbunden. Der Eingang des zweiten Ventils 205 ist insbesondere mit einer Mediumquelle 203, insbesondere mit der Umgebungsluft unter atmosphärischem Druck, fluidisch verbunden.
Der Druckspeicher 204 und der Druckerzeuger 202 sind in der Ruhestellung mit einem unter einem Ruhedruck stehenden kompressiblen fluidischen Medium, insbesondere mit Luft unter dem atmosphärischen Druck, über das zweite Ventil 205 gefüllt.
Bei einem Betriebsdruck p_SCR im Fluid-System 1, der größer ist als der Ruhedruck, wird der Druckerzeuger 202 durch den Betriebsdruck p_SCR im Fluid-System 1 gegen eine bestimmte Rückstellkraft des Druckerzeugers 202 angetrieben. Dadurch wird das in dem Druckerzeuger 202 befindliche Medium aus dem Ausgang des Druckerzeugers 202 in den Druckspeicher 204 gedrückt. Dadurch baut sich ein bestimmter Druck p in dem Druckspeicher 204 auf.
Während des Übergangs von der Betriebsphase in die Ruhephase, insbesondere durch ein Ausschalten des Fahrzeugs, nimmt der Betriebsdruck p_SCR des Fluid-Systems 1 bis zum Erreichen des Ruhedrucks über eine bestimmte Zeit kontinuierlich ab. Der Druckerzeuger 202 ist derart ausgebildet, dass er ein Verzögerungsmittel aufweist, das eine bestimmte Trägheit größer dem ersten Ventil 201 erzeugt, so dass insbesondere die Rückstellgeschwindigkeit des Kolbens 216 langsamer als die Öffnungsgeschwindigkeit des ersten Ventils 201 ist. Der Druckerzeuger 202 ist derart auf das erste Ventil 201 abgestimmt, dass bei einem Abfall des Betriebsdruck p_SCR im Fluid-System 1 der Druck p aus dem Druckspeicher 204 primär über das erste Ventil 201 ausgeglichen wird, bevor die Rückstellkraft den Druckerzeuger 202 in ihre Ruhestellung zurückbewegt. Das erste Ventil 201 öffnet bei einem Überschreiten seines Differenzdrucks in Richtung vom Druckspeicher 204 zum Fluid-System 1, so dass eine bestimmte Menge des in dem Druckspeicher 204 gespeicherten Mediums in das Fluid-System 1 entweichen kann. Dadurch wird ein Teil der gefriergefährdeten Flüssigkeit im Fluid-System 1 verdrängt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt dies alleine durch die gespeicherte Druckenergie im Druckspeicher 204, ohne dass eine aktive elektrische Energiequelle nach dem Ausschalten des Fluid-Systems 1, insbesondere nach dem Ausschalten des Fahrzeugs, benötigt wird.
Nach dem Ausfluss des Mediums aus dem Druckspeicher 204 in das Fluid-System 1 saugt der Druckerzeuger 202 eine bestimmte Menge des Mediums durch das zweite Ventil 205 aus der unter atmosphärischem Druck stehenden Mediumquelle 203 in den Druckerzeuger 202 an.
4a und 4b zeigen jeweils einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpeinheit 210 zur Anwendung eines gemäß 3 dargestellten Verfahrens. Dabei zeigt 4a die Pumpeinheit 210 in der Ruhephase und 4b die Pumpeinheit 210 in der Betriebsphase.
Die Pumpeinheit 210 bildet den Druckerzeuger 202 und umfasst das erste Ventil 201, den Druckspeicher 204 und das zweite Ventil 205 in einer Einheit.
Die Pumpeinheit 210 wird insbesondere aus einem Hohlzylinder 214, einem in dem Hohlzylinder 214 gelagerten, axial verschiebbaren Kolben 216, und einer den Kolben 216 axial verschiebenden Feder 219 gebildet. Der Hohlzylinder 214 weist an einer Stirnseite einen Fluid-System-Anschluss 218 zum Anschluss eines Fluid-Systems 1 auf. Der Hohlzylinder 214 ist an der dem Fluid-System-Anschluss 218 axial gegenüberliegenden Stirnseite durch einen Deckel 212 verschlossen.
Die Feder 219 ist insbesondere als eine Schraubenfeder ausgebildet und in der Zylinderkammer des Hohlzylinders 214 zwischen einem an Innenumfang des Hohlzylinders 214 angeformten Abstützsteg 221 und dem Kolben 216 angeordnet. Die Feder 219 drückt den Kolben 216 während der Ruhephase in eine Ruhestellung in Richtung des Fluid-System-Anschlusses 218 gegen einen am Innenumfang des Hohlzylinders 214 angeformten umlaufenden Anschlagsteg, der eine Blende 220 als Verzögerungsmittel bildet. Die Zylinderkammer des Hohlzylinders 214 zwischen dem Kolben 216 und dem Deckel 212 bildet den Druckspeicher 204.
Der Kolben 216 ist ebenfalls als ein Hohlzylinder ausgebildet, wobei das erste Ventil 201 in einer axialen Durchgangsöffnung 222 des Kolbens 216 angeordnet ist und diese verschließt. Das zweite Ventil 205 wird durch zwei radial in den Umfangswandungen des Kolbens 216 und des Hohlzylinders 214 verlaufende Kanäle 230, 240 gebildet, die in der Ruhestellung miteinander axial fluchtend angeordnet sind, so dass sie in der Ruhestellung die Durchgangsöffnung 222 des Kolbens 216 mit dem Außenumfang des Holzylinders 214, insbesondere mit der Medienquelle 203, fluidisch verbinden.
Während der Ruhephase ist der Druck im mit dem Fluid-System-Anschluss 218 fluidisch verbundenen Fluid-System 1 gleich dem atmosphärischen Duck. Die Feder 219 drückt dabei den Kolben 216 in die Ruhestellung, wodurch der Druck p im Druckspeicher 204 im Inneren des Hohlzylinders 214 über die Kanäle 230 und 240 des zweiten Ventils 205 mit dem atmosphärischen Druck der Umgebungsluft ausgeglichen ist und der Druckspeicher 204 mit Luft gefüllt ist.
Bei einem Betriebsdruck p_SCR im Fluid-System 1, der größer ist als der Ruhedruck, wird der Kolben 216 gegen die Federkraft der Feder 219 in Richtung des Deckels 212 geschoben. Dadurch wird der Kanal 230 relativ axial zu dem Kanal 240 verschoben, wodurch das zweite Ventil 205 verschlossen wird. Durch die Verschiebung des Kolbens 216 wird die Luft in dem Hohlzylinder 214 in den Druckspeicher 204 komprimiert und der Druck im Druckspeicher 204 erhöht, bis die Druckkraft des Drucks im Druckspeicher 204 zusammen mit der Federkraft der Druckkraft des Betriebsdrucks p_SCR des Fluid-Systems 1 entsprechen.
Während des Übergangs von der Betriebsphase in die Ruhephase, insbesondere durch ein Ausschalten des Fahrzeugs, nimmt der Betriebsdruck p_SCR des Fluid-Systems 1 bis zum Erreichen des Ruhedrucks über eine bestimmte Zeit kontinuierlich ab. Durch den Differenzdruck zwischen dem Druckspeicher 204 und dem Fluid-System 1 öffnet sich das erste Ventil 201 im Kolben 216 und es entsteht ein kontinuierlicher Druckausgleich zwischen dem Druckspeicher 204 und dem Fluid-System 1 durch die Blende 220, wobei Luft aus dem Druckspeicher 204 in das Fluid-System 1 strömt und einen Teil der gefriergefährdeten Flüssigkeit im Fluid-System 1 verdrängt. Dabei wird an dem Kolben 216 durch die Blende 220 eine gewisse auf das erste Ventil 201 und den Durchmesser des Kolbens 216 abgestimmte Trägheit erzeugt, so dass sich das erste Ventil 201 immer schneller öffnet als sich der Kolben 216 in Richtung der Blende 220 zurückstellt.
Durch die erfindungsgemäße Pumpeinheit 210 erfolgt dies alleine durch die gespeicherte Druckenergie im Druckspeicher 204, ohne dass eine zusätzliche Energiequelle, insbesondere eine elektrische Pumpe, nach dem Ausschalten des Fluid-Systems 1 benötigt wird.
Während des Druckausgleichs wird der Kolben zurück in Richtung des Fluid-System-Anschlusses 218 bewegt, wobei die Feder 219 den Kolben 216 bis in die Ruhestellung bewegt. Dabei wird ein Unterdruck im Druckspeicher 204 erzeugt, der beim Erreichen der Ruhestellung durch Öffnen des zweiten Ventils 205 wiederum ausgeglichen wird, indem Umgebungsluft in den Druckspeicher 204 strömt.
5 zeigt eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz eines Fluid-Systems 1 gegen Gefrierdruck.
Das zu schützende Fluid-System 1 ist mit einem Eingang eines Druckerzeugers 302, insbesondere einer Pumpeinheit 310, und mit einem Ausgang eines ersten Ventils 301 fluidisch verbunden.
Während der Betriebsphase pulsiert der Betriebsdruck p_SCR in einem Bereich einer systembedingten Pulsation zwischen einem maximalen Betriebsdruck p_{SCR_max} und einem minimalen Betriebsdruck p_{SCR_min}.
Der Druckerzeuger 302 ist über ein zweites Ventil 305, insbesondere ein Rückschlagventil, mit einer Mediumquelle 303 eines kompressiblen fluidischen Mediums, insbesondere der Umgebungsluft unter atmosphärischem Druck, fluidisch verbunden. Zudem ist der Druckerzeuger 302 über ein drittes Ventil 306, insbesondere ein Rückschlagventil, mit einem Druckspeicher 304, insbesondere ein druckfester Luftbehälter mit einem definierten konstanten Innenvolumen V, fluidisch verbunden. Der Druckerzeuger 302 ist derart ausgebildet, dass er durch Nutzung einer systembedingten Druckpulsation des Betriebsdrucks p_SCR des Fluid-Systems 1 angetrieben wird und während der Betriebsphase eine bestimmte Menge des Mediums aus der Mediumquelle 303 ansaugt und in den Druckspeicher 304 drückt und dadurch im Druckspeicher 304 den Druck p erzeugt.
Der Druckspeicher 304 und der Druckerzeuger 302 sind in der Ruhestellung mit einem unter einem Ruhedruck, insbesondere dem atmosphärischen Druck, stehenden Medium, insbesondere Luft, über das zweite und das dritte Ventil 305, 306 gefüllt.
Der Druckerzeuger 302 und das zweite und dritte Ventil 305, 306 sind derart ausgebildet, dass der Druckerzeuger 302 während der Betriebsphase des Fluid-Systems 1 bei einem ansteigenden pulsierenden Betriebsdruck p_SCR über einen festlegbaren Wert p_MEM, insbesondere bis zu dem maximalen pulsierenden Betriebsdruck p_{SCR_max}, eine bestimmte Menge des Mediums aus dem Druckerzeuger 302 durch das dritte Ventil 306 in den Druckspeicher 304 drückt und bei einem abfallenden pulsierenden Betriebsdruck p_SCR bis zu dem festlegbaren Wert p_MEM, insbesondere bis zu dem minimalen pulsierenden Betriebsdruck p_{SCR_min}, eine bestimmte Menge des Mediums von der Mediumquelle 303 durch das zweite Ventil 305 in den Druckerzeuger 302 ansaugt. Dabei gilt p_{SCR_min} < p_MEM < p_{SCR_max}.
Dadurch wird während der Betriebsphase durch die Pulsation des Betriebsdrucks p_SCR des Fluid-Systems 1 der Druckspeicher 304 kontinuierlich aufgeladen, bis der Druck p im Druckspeicher dem maximalen pulsierenden Betriebsdruck p_SCR des Fluid-Systems 1 entspricht und somit das dritte Ventil 306 dauerhaft geschlossen ist.
Während des Übergangs von der Betriebsphase in die Ruhephase, insbesondere durch ein Ausschalten des Fahrzeugs, nimmt der Betriebsdruck p_SCR des Fluid-Systems 1 bis zum Erreichen des Ruhedrucks über eine bestimmte Zeit kontinuierlich ab. Das erste Ventil 301 öffnet bei einem Überschreiten seines Differenzdrucks in Richtung vom Druckspeicher 304 zum Fluid-System 1, so dass eine bestimmte Menge des in dem Druckspeicher 304 gespeicherten Mediums in das Fluid-System 1 entweichen kann. Dadurch wird ein Teil der gefriergefährdeten Flüssigkeit im Fluid-System 1 verdrängt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt dies alleine durch die gespeicherte Druckenergie im Druckspeicher 304, ohne dass eine zusätzliche Energiequelle, insbesondere eine elektrische Pumpe, nach dem Ausschalten des Fluid-Systems 1, insbesondere nach dem Ausschalten des Fahrzeugs, benötigt wird.
6 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpeinheit 310 zur Anwendung eines gemäß 5 dargestellten Verfahrens in der Betriebsphase.
Die Pumpeinheit 310 bildet den Druckerzeuger 302 und umfasst das erste Ventil 301, den Druckspeicher 304, das zweite Ventil 305 und das dritte Ventil 306 in einer Einheit.
Die Pumpeinheit 310 umfasst ein insbesondere aus einem Ventil-Gehäuseteil 311 und einem Anschluss-Gehäuseteil 312 bestehendes Gehäuse, mit einer Durchgangsöffnung, wobei die beiden Gehäuse-Teile 311, 312 an ihren zugewandten Stirnseiten miteinander verbunden sind. Das Anschluss-Gehäuseteil 312 weist an seiner dem Ventil-Gehäuseteil 311 abgewandten Stirnseite einen ersten Fluid-System-Anschluss 318 zum Verbinden des Fluid-Systems 1 auf. Das Ventil-Gehäuseteil 311 ist an seiner dem Anschluss-Gehäuseteil 312 abgewandten Stirnseite mit einem Hohlzylinder 314 verbunden, der insbesondere den Druckspeicher 304 bildet. In dem Hohlzylinder 114 ist an seiner dem Ventil-Gehäuseteil 311 abgewandten Stirnseite in seiner Durchgangsöffnung das erste Ventil 301 angeordnet. Das erste Ventil 301 weist einen zweiten Fluid-System-Anschluss 319 auf, an dem wiederum das Fluid-System 1 anschließbar ist.
Die Durchgangsöffnungen des Ventil-Gehäuseteils 311 und des Anschluss-Gehäuseteils 312 sind durch eine flexible, fluidisch undurchlässige Membran 316 fluidisch voneinander getrennt.
In der Durchgangsöffnung des Ventil-Gehäuseteils 311 ist zwischen der Membran 316 und dem Hohlzylinder 314 das dritte Ventil 306 angeordnet. Zudem weist das Ventil-Gehäuseteil 311 in seiner Umfangswandung eine radial von der Durchgangsöffnung zum Außenumfang verlaufende Ventilaufnahme auf, in der das zweite Ventil 305 eingesetzt ist, welches die Durchgangsöffnung des Ventil-Gehäuseteils 311 mit der Mediumquelle 303, insbesondere der Umgebungsluft, verbindet. Die Ventilaufnahme und das zweite Ventil 305 sind axial zwischen der Membran 316 und dem dritten Ventil 305 angeordnet.
Während der Ruhephase ist der Druck im mit dem Fluid-System-Anschluss 318 fluidisch verbundenen Fluid-System 1 gleich dem atmosphärischen Duck. Dadurch ist der Druck in dem Anschluss-Gehäuseteil 312 ebenfalls gleich dem atmosphärischen Druck. Zudem ist der Druck in dem Ventil-Gehäuseteil 311 und in dem Hohlzylinder 314, d. h. dem Druckspeicher 304 durch die Verbindung zu einer anschließbaren Mediumquelle 303 über die Ventile 306 und 305 ebenfalls gleich dem atmosphärischen Druck.
Beim Übergang von der Ruhephase in die Betriebsphase steigt der Druck in dem Anschluss-Gehäuseteil 312 in Abhängigkeit von dem Betriebsdruck p_SCR an. Die Membran 316 ist derart ausgebildet, dass die Membran 316 bis zu einem bestimmten Betriebsdruck p_{SCR_mem} innerhalb des Bereichs der Pulsation eine Ausgangslage einnimmt, insbesondere so, dass die Membran 316 senkrecht zur Achse der Pumpeinheit 310 verläuft. Der Druck in dem Ventil-Gehäuseteil 311 bleibt zunächst gleich dem Druck während der Ruhephase. Die Membran 316 ist derart ausgebildet, dass sich die Membran 316 bei einem höheren Betriebsdruck p_SCR als ein festgelegter Betriebsdruck p_MEM aus der Ausgangslage in Richtung des dritten Ventils 306 ausdehnt, so dass sie eine bestimmte Menge des in dem Ventil-Gehäuseteil 311 befindlichen Mediums durch das dritte Ventil 306 in den Hohlzinder 314 bzw. in den Druckspeicher 304 drückt. Bei einem Abfall des Betriebsdrucks p_SCR bis zu dem festgelegten Betriebsdruck p_MEM bewegt sich die Membran 316 wieder in die Ausgangslage zurück. Da das Medium wegen des dritten Ventils 306 nicht aus dem Hohlzylinder 314 bzw. dem Druckspeicher 304 zurück in das Ventil-Gehäuseteil 311 strömen kann, wird in dem Ventil-Gehäuseteil 311 ein Unterdruck erzeugt, so dass zusätzliches Medium von einer Mediumquelle 303 durch das zweite Ventil 305 in das Ventil-Gehäuseteil 311 angesaugt wird, bis der Unterdruck ausgeglichen ist. Bei jeder nächsten Pulsation wiederholt sich der Vorgang, so dass bei jeder Pulsation eine bestimmte Menge des Mediums in den Hohlzylinder 314 bzw. in den Druckspeicher 304 gedrückt wird, bis dass der Druck p in dem Druckspeicher 304 dem maximalen Betriebsdruck p_{SCR_max} entspricht, so dass die Membran 316 kein Medium mehr in den Druckspeicher 304 drücken kann.
Während des Übergangs von der Betriebsphase in die Ruhephase, insbesondere durch ein Ausschalten des Fahrzeugs, nimmt der Betriebsdruck p_SCR des Fluid-Systems 1 bis zum Erreichen des Ruhedrucks über eine bestimmte Zeit kontinuierlich ab. Das erste Ventil 301 im Hohlzylinder 314 bzw. in dem Druckspeicher 304 öffnet bei einem Überschreiten seines Differenzdrucks in Richtung vom Druckspeicher 304 durch den zweiten Fluid-System-Anschluss 319 zum Fluid-System 1, so dass eine bestimmte Menge des in dem Druckspeicher 304 gespeicherten Mediums in das Fluid-System 1 entweichen kann. Dadurch wird ein Teil der gefriergefährdeten Flüssigkeit im Fluid-System 1 verdrängt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt dies alleine durch die gespeicherte Druckenergie im Hohlzylinder 314 bzw. im Druckspeicher 304, ohne dass eine zusätzliche Energiequelle, insbesondere eine elektrische Pumpe, nach dem Ausschalten des Fluid-Systems 1, insbesondere nach dem Ausschalten des Fahrzeugs, benötigt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sind. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der unabhängigen Ansprüche weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10362140 B4 [0005]
DE 202007013316 U1 [0006]
DE 102011010952 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Schutz eines eine gefriergefährdete Flüssigkeit enthaltenden Fluid-Systems (1), insbesondere eines ein flüssiges Reduktionsadditiv enthaltenden SCR-Systems von Verbrennungsmotoren, gegen Gefrierdruck, wobei am Ende einer jeden Betriebsphase des Fluid-Systems (1) selbsttätig eine bestimmte Menge eines kompressiblen fluidischen Mediums als Ausgleichsvolumen aus einem mit dem Fluid-System (1) fluidisch verbundenen unter einem Druck (p) stehenden Druckspeicher (104, 204, 304) in das Fluid-System (1) eingebracht wird, wobei der Druckspeicher (104, 204, 304) und das Fluid-System (1) derart mit einem ersten Ventil (101, 201, 301) fluidisch verbunden sind, dass das erste Ventil (101, 201, 301) bis zu einem festlegbaren Differenzdruck zwischen dem Druck (p) im Druckspeicher und einem während der Betriebsphase existierenden Betriebsdruck (p_SCR) im Fluid-System (1) die Verbindung schließt und bei einer Veränderung des Differenzdrucks durch Abfall des Betriebsdrucks (p_SCR) am Ende der Betriebsphase die Verbindung öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckerzeuger (103, 202, 302) durch Zufluss und Kompression von einer bestimmten Menge des Mediums während der Betriebsphase des Fluid-Systems (1) den Druck (p) in dem Druckspeicher (104, 204, 304) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckerzeuger (103) eine unter dem Druck (p) stehende externe Mediumquelle, insbesondere ein Druckluft-System, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Ventil (102) bei Erreichen des Betriebsdrucks (p_SCR) im Fluid-System (1) eine Verbindung zwischen dem Druckspeicher (104) und der Mediumquelle (103) öffnet und bei einem festlegbaren Druckabfall im Fluid-System (1) unter den Betriebsdruck (p_SCR) die Verbindung zwischen Druckspeicher (104) und Mediumquelle (103) schließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (202) durch den Betriebsdruck (p_SCR) des Fluid-Systems (1) angetrieben wird und während der Betriebsphase eine bestimmte Menge des in dem Druckerzeuger (202) enthaltenen Mediums in den Druckspeicher (204) drückt, wobei der Druckerzeuger (202) nach Ausfluss des Mediums aus dem Druckspeicher (204) in das Fluid-System (1) eine bestimmte Menge des Mediums durch ein zweites Ventil (205) aus einer unter atmosphärischen Druck stehenden Mediumquelle (203) in den Druckerzeuger (202) ansaugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (302) durch Nutzung einer systembedingten Druckpulsation des Betriebsdrucks (p_SCR) des Fluid-Systems (1) angetrieben wird und während der Betriebsphase eine bestimmte Menge des Mediums aus einer Mediumquelle (303) in den Druckerzeuger (302) ansaugt und von dem Druckerzeuger (302) in den Druckspeicher (304) drückt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (302) während der Betriebsphase des Fluid-Systems (1) bei einem ansteigenden pulsierenden Betriebsdruck (p_SCR), über einen festlegbaren Wert (p_MEM), insbesondere bis zu einem maximalen pulsierenden Betriebsdruck (p_{SCR_max}), eine bestimmte Menge des Mediums aus dem Druckerzeuger (302) durch ein drittes Ventil (306) in den Druckspeicher (304) drückt und bei einem abfallenden pulsierenden Betriebsdruck (p_SCR), insbesondere bis zu einem minimalen pulsierenden Betriebsdruck (p_{SCR_min}), eine bestimmte Menge des Mediums von der Mediumquelle (303) durch ein zweites Ventil (305) in den Druckerzeuger (302) ansaugt.
Ventileinheit (110) für ein Fluid-System (1), zur Anwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend – einen Fluid-System-Anschluss (118) zum fluidischen Verbinden des Fluid-Systems (1) mit einer Zylinderkammer (122) eines Hohlzylinders (114), – einen Druckerzeuger-Anschluss (130) zum fluidischen Verbinden des Druckerzeugers (103), – einen Luftspeicher-Anschluss (132) zum fluidischen Verbinden des Druckspeichers (104) – einen durch den Betriebsdruck (p_SCR) des Fluid-Systems (1) in der Zylinderkammer (122) in eine Betriebsstellung verschiebbaren Kolben (116), wobei eine dauerhafte Kraft den Kolben (116) gegen die Richtung der Kraft des Betriebsdrucks (p_SCR) des Fluid-Systems (1) in eine Ruhestellung verschiebt, – ein in dem Kolben (116) angeordnetes Ventil (101), das mit seinem Ausgang mit dem Fluid-System-Anschluss (118) fluidisch verbunden ist, wobei der Kolben (116) mindestens einen ersten Kanal (140) aufweist, der in der Betriebsstellung den Druckerzeuger-Anschluss (130) mit dem Druckspeicher-Anschluss (132) fluidisch verbindet und in der Ruhestellung den Druckerzeuger-Anschluss (132) mit einem Eingang des Ventils (101) fluidisch verbindet, wobei die fluidische Verbindung zwischen dem Druckerzeuger-Anschluss (130) und dem Druckspeicher-Anschluss (132) geschlossen ist.
Ventileinheit (110) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der dauerhaften Kraft, die den Kolben (116) in die Ruhestellung verschiebt, der Kolben (116) einen zweiten Kanal (150) aufweist, der in der Ruhestellung den Druckspeicher-Anschluss (130) mit einer Druckkammer (128) verbindet und in der Betriebsstellung die Druckkammer (128) verschließt, so dass bei einem Übergang von der Ruhephase in die Betriebsphase die Druckkammer (128) mit dem Medium gefüllt wird und als eine Art Feder der Kraft des Betriebsdrucks entgegenwirkt.
Pumpeinheit (210) als Druckerzeuger (202) für ein Fluid-System (1), zur Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 4, umfassend – einen einseitig verschlossenen Hohlzylinder (214), wobei der Hohlzylinder (214) den Druckspeicher (204) bildet, – einen auf der offenen Seite des Hohlzylinders (114) angeordneten Fluid-System-Anschluss (218) zum fluidischen Verbinden des Fluid-Systems (1), – einen in dem Hohlzylinder (214) zwischen dem Fluid-System-Anschluss (218) und dem Druckspeicher (204) gelagerten, axial zwischen einer Ruhestellung und einer Betriebsstellung verschiebbaren Kolben (216), – eine in dem Hohlzylinder (214) den Kolben (216) axial in Richtung des Fluid-System-Anschlusses (218) in die Ruhestellung verschiebende Feder (219), – ein in dem Kolben (216) angeordnetes erstes Ventil (201), das bei einem Abfall des Betriebsdrucks (p_SCR) den Druckspeicher (204) mit dem Fluid-System-Anschluss (218) fluidisch verbindet, – ein zweites Ventil (205), das in der Ruhestellung eine Mediumquelle (103) mit dem Druckspeicher (204) fluidisch verbindet, – ein Verzögerungsmittel (220), das die Rückstellgeschwindigkeit des Kolbens (216) verzögert.
Pumpeinheit (210) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (205) aus zwei radial in den Umfangswandungen des Kolbens (216) und des Hohlzylinders (214) verlaufenden Kanälen (230, 240) gebildet ist, die in der Ruhestellung miteinander axial fluchtend angeordnet sind, so dass sie den Druckspeicher (204) mit dem Außenumfang des Holzylinders 214 fluidisch verbinden.
Pumpeinheit (310) als Druckerzeuger (302) für ein Fluid-System (1), zur Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, 5 oder 6, umfassend – ein Gehäuse mit einem ersten Fluid-System-Anschluss (318), – einen mit dem Gehäuse verbundenen Druckspeicher (304) mit einem ersten Ventil (301), wobei sich am Ausgang des ersten Ventils (301) ein zweiter Fluid-System-Anschluss (319) befindet, – eine in dem Gehäuse zwischen dem ersten Fluid-System-Anschluss (318) und dem Druckspeicher (304) angeordnete fluidisch undurchlässige Membran (316), die den ersten Fluid-System-Anschluss (318) fluidisch von dem Druckspeicher (304) trennt, – ein drittes zwischen der Membran (316) und dem Druckspeicher (304) angeordnetes Ventil (306), welches bei einem Überdruck im Gehäuse das in dem Gehäuse befindliche Medium in den Druckspeicher (304) strömen lässt, – ein durch die Umfangswandung des Gehäuses radial verlaufendes zweites Ventil (305), das axial zwischen der Membran (316) und dem dritten Ventil (306) angeordnet ist und eine am Außenumfang des Gehäuses befindliche Mediumquelle (303) mit dem Druckspeicher (304) verbindet.