DE102014001126A1

DE102014001126A1 - Dosierpumpe und Verfahren zum Betrieb einer Dosierpumpe mit einem verschieblichen Auslassventil

Info

Publication number: DE102014001126A1
Application number: DE102014001126.7A
Authority: DE
Inventors: Axel Müller; Bernd Köhler; Edwin Kreuzberg; Michael Gunkel; Robert Wellnitz; Mike Heck
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Eine Dosierpumpe (1) bestehend aus einem Antrieb (2), einer Verdrängereinheit (3), einem Einlassventil (4) und einem Auslassventil (5) ist vor Beschädigungen des Auslassventils beim Einfrieren des Mediums zu schützen. Dazu ist der Ventilsitz (6) des Auslassventils (5) axial verschieblich in einer Bohrung (10) gelagert und wird von einer zweiten Feder (11) gegen eine Dichtung (15) in der Bohrung (10) gedrückt. Dabei weist die zweite Feder (11) eine erheblich größere Vorspannkraft auf als die Ventilfeder (8). Dosierpumpen der erfindungsgemäßen Bauart finden ihre Anwendung bei der Förderung und/oder Dosierung von wasserhaltigen Flüssigkeiten, insbesondere in Abgasreinigungsanlagen von Verbrennungsmotoren. Bild zur Zusammenfassung:

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Dosierpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Dosierpumpen in der Bauart einer Hubkolbenpumpe mit elektromagnetischem Antrieb sind bekannt und zum Beispiel in den Schutzrechten DE 4328621 C2 , DE 10227659 B4 , DE 10 2006 019 584 B4 , DE 602004001547 T2 und DE 10 2009 047 456 A1 beschrieben. Es sind auch Dosierpumpen bekannt, die Flüssigkeiten fördern und dosieren können, die unterhalb einer gelegentlich vorkommenden Grenztemperatur einfrieren, wie zum Beispiel Wasser oder wässrige Harnstofflösung. Die Schutzrechte DE 10147172 A1 , DE 10 2006 044 248 B3 , DE 10 2006 044 254 B3 , DE 10 2007 059 237 B3 und DE 10 2010 019 821 A1 beschreiben solche Dosierpumpen. Bekannt ist auch die Ausführung einer Dosierpumpe mit einer verschieblichen Ventilfederaufnahme gemäß dem Schutzrecht DE 10 2012 001 963 A1 . Trotz aller konstruktiver Schutzmaßnahmen zur Abwehr von einfrierbedingten Schäden an der Dosierpumpe kommt es bei einigen Bauformen der Dosierpumpen nach einer Mehrzahl von Einfrierzyklen zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Auslassventils, die dadurch hervorgerufen wird, dass das Medium im Federraum des Auslassventils einfriert und dann mit sehr großem Druck den Ventilsitz des Auslassventils geringfügig verschiebt. Wird diese Verschiebung nach dem Auftauen nicht zurückgesetzt, addieren sich die Verschiebungen mehrerer Einfrierzyklen zu einer schädlichen Gesamtverschiebung.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, die oben beschriebene dauerhafte Akkumulation von Verschiebungen zu verhindern, ohne die Herstellkosten der Dosierpumpe nennenswert zu erhöhen. Erforderliche zusätzliche Bauteile sollen möglichst auch andere Aufgaben erfüllen, damit die Anzahl der Bauteile gering bleibt.
Die Lösung der Aufgabe wird mit den charakteristischen Merkmalen des ersten Patentanspruchs beschrieben. Die weiteren Ansprüche bilden die technische Lehre fort und der letzte Anspruch beschreibt das Verfahren zur Anwendung der erfinderischen Merkmale.
Die erfindungsgemäße Dosierpumpe besteht aus einem Antrieb, einer Verdrängereinheit, einem Einlassventil und einem Auslassventil. Der Antrieb ist vorzugsweise ein elektromagnetischer Antrieb, bestehend aus einer Magnetspule, einem Eisenkreis und einem Anker. Das Auslassventil befindet sich in einer Bohrung des Pumpenkopfes und besteht aus einem Ventilsitz, einem Schließkörper und einer Ventilfeder.
Im Normalbetrieb der Dosierpumpe mit einem flüssigen Medium bleibt der Ventilsitz auf einer axial wirkenden Dichtung gelagert, weil eine zweite Feder mit einer erheblich größeren Vorspannkraft als die Ventilfeder den Ventilsitz in dieser Lage hält. Damit ist gewährleistet, dass im Normalbetrieb das Rückschlagventil nicht durch eine Leckageströmung umgangen wird und die Dosierpumpe eine hohe Dosiergenauigkeit aufweist.
Wenn die Dosierpumpe mit einem Medium betrieben wird, das unterhalb einer gelegentlich vorkommenden Grenztemperatur einfriert und sich dabei nicht unerheblich ausdehnt, muss dem sich ausdehnenden Medium in dem Federraum ein Ausgleichsraum oder ein Leckagepfad zur Verfügung stehen, damit Verschiebungen, Verformungen oder Beschädigungen von Bauteilen vermieden werden. Gemäß dieser Erfindung ist der Ventilsitz verschieblich in der Bohrung im Pumpenkopf angeordnet, allerdings kann er nur mit sehr großer Kraft gegen die zweite Feder mit ihrer großen Vorspannkraft verschoben werden. Die Verschiebung des Ventilsitzes bewirkt eine Vergrößerung des Federraums, und allein diese Vergrößerung kann zum Schutz vor Einfrierschäden ausreichen.
Ein erweiterter Schutz vor Einfrierschäden wird erreicht, wenn die Bewegung des Ventilsitzes im Falle des Einfrierens einen Strömungspfad zum Überströmen des Mediums in einen anderen Raum freigibt. Dazu werden der Ventilsitz und die Dichtung in der Bohrung radial nicht dichtend gelagert, entweder mit erheblichem radialem Spiel, oder mit Nuten oder Abflachungen am Umfang des Ventilsitzes. Dann bewirkt im Normalbetrieb mit flüssigem Medium nur die axial wirkende Dichtung die Abdichtung des Ventilsitzes zur Bohrung, wobei die zweite Feder den Ventilsitz auf die Dichtung drückt und ein Absatz in der Bohrung die Dichtung lagert. Bei einem Einfrieren des Mediums wird der Ventilsitz durch den hohen Druck von der Dichtung abgehoben und es ergibt sich außen an dem Ventilsitz vorbei ein Strömungspfad von dem Federraum in den Arbeitsraum der Dosierpumpe. Der Arbeitsraum kann eine geringe zusätzliche Menge des Mediums ohne Risiken aufnehmen, weil die Membran der Dosierpumpe zurückweichen kann. Nach dem Auftauen des Mediums schiebt die zweite Feder den Ventilsitz wieder in seine Ausgangslage auf der Dichtung zurück. Wegen der vollständigen Rückkehr des Ventilsitzes in seine Ausgangslage auch bei einer Vielzahl von Einfrierzyklen können sich keine Verschiebungen akkumulieren und die bestimmungsgemäße Funktion des Auslassventils bleibt erhalten.
Die zweite Feder ist vorzugsweise im Arbeitsraum der Dosierpumpe angeordnet und als Flachfeder ausgeführt. Damit wird erreicht, dass die Menge des einfrierenden Mediums im Arbeitsraum durch diese erfindungsgemäße Vorrichtung nicht vergrößert wird. Die Flachfeder wird vorzugsweise mit einem zentral angeordneten Befestigungselement am Pumpenkopf befestigt. Vorteilhafterweise wird die Flachfeder auch dazu genutzt, die Federaufnahme des Einlassventils festzulegen. In dieser Ausführung erhöht sich die Anzahl der Bauteile der Dosierpumpe durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht.
Dosierpumpen der erfindungsgemäßen Bauart finden ihre Anwendung bei der Förderung und/oder Dosierung von wasserhaltigen Flüssigkeiten, insbesondere in Abgasreinigungsanlagen von Verbrennungsmotoren.
Bilder und beispielhafte Ausführung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Dosierpumpe
2 zeigt schematisch das Detail des Pumpenkopfes mit einer zylindrischen Rückstellfeder für das Auslassventil
3 zeigt das Detail des Pumpenkopfes mit einer Flachfeder als Rückstellfeder für das Auslassventil
Die Dosierpumpe 1 gemäß 1, und 2 besteht aus einem Antrieb 2, einer Verdrängereinheit 3, einem Einlassventil 4 und einem Auslassventil 5. Die Verdrängereinheit 3 ist aus einem Stößel 21, einer Membran 22 und einem Arbeitsraum 17 aufgebaut, wobei der Arbeitsraum 17 durch den Pumpenkopf 19 begrenzt wird. Das Auslassventil 5 besteht aus einem Ventilsitz 6, einem Schließkörper 7, und einer Ventilfeder 8 und ist in einer Bohrung 10 angeordnet. Der Ventilsitz 6 des Auslassventils 5 wird von einer zweiten Feder 11 gegen eine Dichtung 15 gedrückt, die an einem Absatz 18 der Bohrung 10 gelagert ist. Die zweite Feder 11 weist eine erheblich größere Vorspannkraft auf als die Ventilfeder 8, damit ist gesichert, dass bei einem Normalbetrieb der Pumpe mit flüssigem Medium der Ventilsitz 6 auf der Dichtung 15 verbleibt.
Der Antrieb 2 ist vorzugsweise ein elektromagnetischer Linearantrieb mit einer Magnetspule 23, einem Eisenkreis und einem Anker 24.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung ist der Ventilsitz 6 auch radial gegen die Bohrung 10 abgedichtet und es kann unabhängig von der Lage und Bewegung des Ventilsitzes 6 kein Leckagestrom aus dem Federraum 16 in den Arbeitsraum 17 fließen, der Einfrierschutz ist bei dieser Ausführung durch die Bewegung des Ventilsitzes und die damit verbundene Verdrängung gegeben. Die Dichtung 15 hat hier nur die Funktion einer Dämpfung.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung sind der Ventilsitz und die Dichtung radial in der Bohrung nicht abgedichtet, weil entweder ein radialer Spalt zwischen dem Ventilsitz 6 und der Bohrung 10 vorgesehen ist oder der Ventilsitz 6 an seinem Außendurchmesser Nuten oder Abflachungen aufweist. Der Spalt, die Nuten oder die Abflachungen ermöglichen einen Leckagestrom aus dem Federraum 16 in den Arbeitsraum 17, wenn der Ventilsitz 6 durch den Druck des eingefrorenen Mediums von der Dichtung 15 abgehoben ist.
In einer vorteilhaften Ausführung gemäß 3 ist die Feder (11) als Flachfeder ausgebildet, die an dem Pumpenkopf (19) mittels eines zentral angeordneten Befestigungselements (19) befestigt ist.
Die Feder (11) ist vorteilhafterweise so gestaltet, dass sie die Federaufnahme des Einlassventils (4) festlegt.
Betriebsverfahren
Bei dem Betrieb einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe mit einem Medium, das unterhalb einer gelegentlich vorkommenden Grenztemperatur einfriert und sich dabei nicht unerheblich ausdehnt, verschiebt das im Bereich des Auslassventils einfrierende Medium den Ventilsitz 6 gegen die Kraft der zweiten Feder 11. Durch die Verschiebung des Ventilsitzes 6 vergrößert sich der Federraum 16, womit die Ausdehnung des Mediums bereits ausgeglichen sein kann. Wenn der Ventilsitz 6 nicht radial gegen die Bohrung 10 abgedichtet ist, kann zusätzlich eine geringe Menge des Mediums aus dem Federraum 16 in den Arbeitsraum 17 abfließen. Nach dem Auftauen des Mediums schiebt die zweite Feder 11 den Ventilsitz 6 wieder in ihre Ausgangslage an der Dichtung 15 zurück, wobei die Dichtung 15 auf dem Absatz 18 gelagert ist. Die zweite Feder 11 drückt den Ventilsitz 6 mit so großer Kraft auf die Dichtung 15, dass im Betrieb mit flüssigem Medium der Ventilsitz 6 nicht durch andere Kräfte von der Dichtung 15 abgehoben wird.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Antrieb
3: Verdrängereinheit
4: Einlassventil
5: Auslassventil
6: Ventilsitz
7: Schließkörper
8: Ventilfeder
10: Bohrung
11: Feder
15: Dichtung
16: Federraum
17: Arbeitsraum
18: Absatz
19: Pumpenkopf
20: Befestigungselement
21: Stößel
22: Membran
23: Magnetspule
24: Anker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4328621 C2 [0001]
DE 10227659 B4 [0001]
DE 102006019584 B4 [0001]
DE 602004001547 T2 [0001]
DE 102009047456 A1 [0001]
DE 10147172 A1 [0001]
DE 102006044248 B3 [0001]
DE 102006044254 B3 [0001]
DE 102007059237 B3 [0001]
DE 102010019821 A1 [0001]
DE 102012001963 A1 [0001]

Claims

Dosierpumpe (1) bestehend aus einem Antrieb (2), einer Verdrängereinheit (3), einem Einlassventil (4) und einem Auslassventil (5), das aus einem Ventilsitz (6), einem Schließkörper (7) und einer Ventilfeder (8) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (6) in einer Bohrung (10) verschieblich gelagert ist und dass während des Betriebs der Pumpe mit flüssigem Medium eine Feder (11) den Ventilsitz (6) gegen eine in der Bohrung (10) an einem Absatz (18) gelagerten Dichtung (15) drückt, wobei die Kraft der Feder (11) die Summe der Kräfte der Ventilfeder (8) und des auf den Schließkörper (7) wirkenden Drucks des flüssigen Mediums übersteigt, und dass bei einem Einfrieren des Mediums im Federraum (16) die Kraft der Feder (11) nicht ausreicht, um der stark erhöhten Druckkraft des einfrierenden Mediums zusammen mit der Kraft der Ventilfeder (8) standzuhalten, wobei der Ventilsitz (6) so verschoben wird, dass der Federraum (16) vergrößert wird.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein elektromagnetischer Linearantrieb ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (6) durch eine Passung radial in der Bohrung (10) abgedichtet ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (15) radial nicht abdichtet und der Ventilsitz (6) einen so viel kleineren Außendurchmesser als den Innendurchmesser der Bohrung (10) aufweist, dass sich zwischen dem Ventilsitz (6) und der Bohrung (10) ein Spalt ergibt, wobei nach dem Abheben des Ventilsitzes (6) von der Dichtung (15) ein Strömungspfad von dem Federraum (16) in den Arbeitsraum (17) freigegeben wird.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (6) in der Bohrung (10) radial gelagert ist und dass der Ventilsitz (6) an seinem Außendurchmesser Nuten oder Abflachungen aufweist, wobei nach dem Abheben des Ventilsitzes (6) von der Dichtung (15) ein Strömungspfad von dem Federraum (16) in den Arbeitsraum (17) freigegeben wird.
Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (11) als Flachfeder ausgebildet ist, die an dem Pumpenkopf (19) befestigt ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (11) mittels eines zentral angeordneten Befestigungselements (19) an dem Pumpenkopf (18) befestigt ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (11) die Federaufnahme des Einlassventils (4) festlegt.
Verfahren zum Betrieb einer Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Dosierpumpe mit einem Medium betrieben wird, das unterhalb einer gelegentlich vorkommenden Grenztemperatur einfriert und sich dabei nicht unerheblich ausdehnt, wobei nur im Fall des Einfrierens das im Bereich des Federraums (16) eingeschlossene Medium den Ventilsitz (6) gegen die Kraft der Feder (11) verschiebt, was eine Volumenvergrößerung des Federraums (16) und/oder ein Abströmen einer geringen Menge des Mediums aus dem Federraum (16) durch einen Spalt, eine Abflachung oder eine Nut zwischen dem Ventilsitz (6) und der Bohrung (10) in den Arbeitsraum (17) ermöglicht, und wobei nach dem Auftauen des Mediums die Feder (11) den Ventilsitz (6) wieder in seine Ausgangslage an der auf dem Absatz (18) gelagerten Dichtung (15) mit so großer Kraft zurückschiebt, dass im Betrieb mit flüssigem Medium der Ventilsitz (6) nicht durch die dann wirkenden Druck- und Federkräfte von der Dichtung (15) abgehoben wird.