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Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung, insbesondere eine Pumpvorrichtung zur Förderung eines flüssigen Reduktionsmittels in einem System zur Abgasnachbehandlung.
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Stand der Technik
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Zur Reduktion von Stickoxiden, die in den Abgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, enthalten sind, kommen häufig sogenannte SCR-Systeme (SCR = „selective catalytic reduction“) zum Einsatz. Dabei wird den Abgasen ein Reduktionsmittel beigesetzt bevor die Abgase einem sogenannten SCR-Katalysator zugeführt werden, um die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren.
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Das Reduktionsmittel wird dabei mittels einer Förder- und Einspritzvorrichtung aus einer Speichervorrichtung (Fluidreservoir) angesaugt und in das Abgasrohr eingedüst. Beim "Pumpe-Düse-Prinzip" sitzt diese Förder- und Einspritzvorrichtung, die eine Pumpe und eine Düse umfasst, als eine Einheit direkt am Abgasrohr. Dabei muss die Pumpe das Reduktionsmittel in der Regel über eine längere Leitung aus dem Reservoir ansaugen und anschließend verdichten. Da die bis zu 5 Meter lange Ansaugleitung eine starke Drossel darstellt, reicht die Effizienz der Pumpe häufig nicht aus. Insbesondere bei hohen Temperaturen besteht zudem die Gefahr, dass das Reduktionsmittel aufgrund des reduzierten Drucks im Ansaugbereich der Pumpe-Düse-Einheit zu sieden beginnt.
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Daher wird häufig eine zusätzliche Vorförderpumpe eingesetzt, die in der Nähe des Reservoirs angeordnet ist und das Reduktionsmittel unter Druck in die Pumpe-Düse-Einheit fördert. Die Pumpe-Düse-Einheit verdichtet das Reduktionsmittel anschließend auf den erforderlichen Einspritzdruck.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Aufbau und die Herstellung eines SCR-Systems zur Abgasnachbehandlung und insbesondere dessen Pump- und Fördervorrichtung zu vereinfachen und dabei insbesondere sowohl den benötigten Bauraum als auch die Herstellungs- und Wartungskosten zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, die Förderpumpe und die Verdichterpumpe integral, insbesondere mit einem gemeinsamen beweglichen Pumpelement, auszubilden.
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Eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung, die insbesondere zur Förderung eines flüssigen Reduktionsmittels in einem System zur Abgasnachbehandlung vorgesehen ist, hat daher eine Verdichterpumpe, die ausgebildet ist, ein zu förderndes Fluid auf einen Einspritzdruck zu verdichten; und eine Förderpumpe, die ausgebildet ist, das zu fördernde Fluid aus einem Reservoir zur Verdichterpumpe zu fördern. Dabei sind die Verdichterpumpe und die Förderpumpe integral ausgebildet. Insbesondere sind die Verdichterpumpe und die Förderpumpe in einem gemeinsamen Gehäuse ausgebildet und/oder weisen wenigstens ein gemeinsames bewegliches Pumpelement auf.
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Auf diese Weise wird eine kompakte Pumpvorrichtung zur Verfügung gestellt, welche die zuvor beschriebenen Probleme des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere wird die Verdichterkammer der Verdichterpumpe nicht unter reduziertem Druck über eine lange Ansaugleitung mit dem Fluid befüllt, und es kann zuverlässig vermieden werden, dass das Reduktionsmittel zu sieden beginnt.
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Die Kosten für die Herstellung, Installation, Wartung und den Betrieb einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung sind gegenüber herkömmlichen System, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, erheblich reduziert.
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In einer Ausführungsform bewirkt ein Saughub der Förderpumpe gleichzeitig einen Druckhub der Verdichterpumpe und ein Förderhub der Förderpumpe bewirkt gleichzeitig einen Saughub der Verdichterpumpe. Auf diese Weise kann das Fluid von der Förderpumpe besonders effizient in die Verdichterpumpe gefördert werden, da der Saughub der Verdichterpumpe synchron mit dem Förderhub der Förderpumpe ist. Ein überhöhter Druck in der Verbindung zwischen der Förderpumpe und Verdichterpumpe und ein damit verbundener Verschleiß können so zuverlässig vermieden werden.
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In einer Ausführungsform weist die Verdichterpumpe eine Verdichterkammer auf, die Förderpumpe weist eine Förderkammer auf, und das gemeinsame bewegliche Pumpelement ist zwischen der Förderkammer und der Verdichterkammer angeordnet. Ein solcher Aufbau ermöglicht einen besonders kompakten und für den Betrieb vorteilhaften Aufbau der Pumpvorrichtung.
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In einer Ausführungsform ist ein verdichterkammerseitiges Ende des Pumpelements mit einer in der Verdichterkammer angeordneten Verdichtermembran und ein förderkammerseitiges Ende des Pumpelements mit einer in der Förderkammer angeordneten Fördermembran verbunden, so dass eine Bewegung des Pumpelements sowohl das Volumen der Förderkammer als auch das Volumen der Verdichterkammer (gegenläufig) variiert, um einen effizienten Betrieb der Pumpvorrichtung zur gewährleisten.
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In einer Ausführungsform ist das maximale Volumen der Förderkammer größer oder gleich dem maximalen Volumen der Verdichterkammer, so dass von der Förderpumpe immer ein zum Befüllen der Verdichterkammer ausreichendes Fluidvolumen zur Verfügung gestellt wird. Dies kann insbesondere durch eine geeignete Wahl des Durchmessers der Membranen realisiert werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die Pumpvorrichtung eine elektrische Spule und das Pumpelement ist so ausgebildet, dass es durch Bestromen der Spule von einer Ausgangsposition in eine Arbeitsposition bewegbar ist. Eine elektrische Spule stellt in Verbindung mit einem geeignet ausgebildeten (magnetischen) Pumpelement einen kostengünstigen und zuverlässigen Antrieb zur Verfügung, der in der Lage ist, die zum Erzeugen des gewünschten Einspritzdrucks notwendige Kraft zur Verfügung zu stellen. Eine elektrisch betriebene Pumpvorrichtung ist auch besonders einfach und effizient ansteuerbar.
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In einer Ausführungsform umfasst die Pumpvorrichtung auch wenigstens ein elastisches Element, das ausgebildet ist, um das Pumpelement von der Arbeitsposition in die Ausgangsposition zu bewegen, wenn die Spule nicht bestromt wird. Ein elastisches Element, das insbesondere als (Spiral-)Feder ausgebildet sein kann, stellt ein einfaches und zuverlässiges Mittel zur Verfügung, um das Pumpelement von der Arbeitsposition zurück in die Ausgangsposition zu bewegen.
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In einer Ausführungsform entspricht eine Bewegung des Pumpelements von der Ausgangsposition in die Arbeitsposition einem Druckhub der Verdichterpumpe und eine Bewegung des Pumpelements von der Arbeitsposition in die Ausgangsposition entspricht einem Förderhub der Förderpumpe. Auf diese Weise wird die im Vergleich zur elastischen Kraft des elastischen Elements starke Magnetkraft genutzt, um einen hohen Einspritzdruck zu erzeugen. Die im Vergleich zur Magnetkraft schwächere Kraft des elastischen Elements ist ausreichend, um die Verdichterkammer zu befüllen. Auch die Geräuschentwicklung ist in diesem Fall vorteilhaft, da die Förderkammer mit einem in der Förderkammer verbliebenen Fluidrest einen hydraulischen Dämpfer darstellt, der das Anschlagen des Pumpelements an der Stirnseite des Gehäuses abbremst.
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Figurenbeschreibung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beschrieben.
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Die Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems 36 zur Abgasnachbehandlung mit einem Abgasstrang 32 eines Verbrennungsmotors 34 und einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung 25. Dabei ist die Pumpvorrichtung 25 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt.
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Die Pumpvorrichtung 25 hat ein bewegliches Pumpelement 26, das einen Anker 7 und einen sich von dem Anker 7 erstreckenden Bolzen 8 umfasst. Der Anker 7 und der Bolzen 8 sind rotationssymmetrisch um eine Achse A, die in der Figur in horizontaler Richtung verläuft, ausgebildet und fest miteinander verbunden oder integral ausgebildet.
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Das Pumpelement 26 ist von einem Gehäuse 15, das im Wesentlichen zylindrisch um die Achse A ausgebildet ist, umgeben.
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Der Anker 7 des Pumpelements 26 ist von einer Spule 14 umgeben, die in radialer Richtung zwischen dem Anker 7 und der Innenwand des Gehäuses 15 angeordnet ist. Um den Bolzen 8 ist ein elastisches Element 13, das beispielsweise (Spiral-)Feder 13 ausgebildet ist, angeordnet. Das elastisches Element 13 stützt sich jeweils an einer Stirnseite des Ankers 7 und des Gehäuses 15 ab, so dass der Anker 7 durch das elastische Element 13 elastisch an der Stirnseite des Gehäuses 15 abgestützt ist.
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Auf den beiden Strinseiten des Gehäuses 15 entlang der Achse A ist jeweils eine Kammer 10, 11 ausgebildet, die jeweils von einem U-förmigen Gehäuselement 18, 19 begrenzt wird.
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Aufseiten des Ankers 7 (in der Darstellung der 1 links) ist eine Förderkammer 10 ausgebildet, die über ein Reservoir-Ein-Wege-Ventil 2 und eine Fluidreservoirleitung 22 mit einem Fluidreservoir 1 verbunden ist, in dem das einzuspritzende Fluid gespeichert ist.
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Ein äußerer Randbereich 17 einer im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildeten Fördermembran 12 (z.B. einer Gummimembran) ist an der förderkammerseitigen Stirnseite des Gehäuses 15 befestigt. Ein zentraler Bereich 24 der Fördermembran 12 ist an der der Förderkammer 11 zugewandten Stirnseite des Ankers 7 befestigt, so dass die Fördermembran 12 durch Bewegen des Ankers 7 bewegbar ist, um das Volumen der Förderkammer 10 zu variieren.
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An dem bolzenseitigen Ende des Gehäuses 15 ist eine Verdichterkammer 10 ausgebildet, die über ein Einspritz-Ein-Wege-Ventil 4 und eine Druckleitung 20 mit einer an einem Abgasstrang 32 eines Verbrennungsmotors 34 angeordneten Einspritzvorrichtung 6 verbunden ist. Die Einspritzvorrichtung 6 ist ausgebildet, um das von der Pumpvorrichtung 26 zugeführte Fluid in den Abgasstrang 32 einzuspritzen.
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Die Verdichterkammer 10 und die Förderkammer 11 sind über eine Verbindungsleitung 21 hydraulisch miteinander verbunden. In der Verbindungsleitung 21 sind zwei Ein-Wege-Ventile 3, 5 angeordnet, die einen Fluidfluss von der Förderkammer 11 in die Druckkammer 10 ermöglichen und einen Fluidfluss in der entgegengesetzten Richtung, d.h. einen Rückfluss von Fluid aus der Druckkammer 10 in die Förderkammer 11 verhindern.
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Ein äußerer Randbereich 16 einer im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildeten Verdichtermembran 9 (z.B. einer Gummimembran) ist an der verdichterkammerseitigen Stirnseite des Gehäuses 15 befestigt. Ein zentraler Bereich 23 der Verdichtermembran 9 ist an der der Verdichterkammer 10 zugewandten Stirnseite des Bolzens 8 befestigt, so dass die Verdichtermembran 9 durch Bewegen des Bolzens 8 bewegbar ist, um das Volumen der Verdichterkammer 10 zu variieren.
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Beim Bestromen der Spule 14 bewegt sich das Pumpelement 27 in Richtung der Verdichterkammer 10 („nach rechts“), so dass das Volumen der Verdichterkammer 10 durch die Bewegung der Verdichtermembran 9 reduziert und das Fluid in der Verdichterkammer 10 verdichtet wird. Wenn der ansteigende Druck in der Verdichterkammer 10 den Öffnungsdruck des Einspritz-Ein-Wege-Ventil 4 erreicht, öffnet das Einspritz-Ein-Wege-Ventil 4, das Fluid aus der Verdichterkammer 10 wird durch das geöffnete Einspritz-Ein-Wege-Ventil 4 in die Druckleitung 20 gedrückt und gelangt über die Einspritzvorrichtung 6 in den Abgasstrang 32. Während eines solchen Verdichtungshubs sind die beiden Ein-Wege-Ventile 3, 5, die in der Verbindungsleitung 21 ausgebildet sind, geschlossen, so dass kein Fluid aus der Verdichterkammer 10 in die Förderkammer 11 fließen kann.
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Bei der Bewegung des Pumpelements 27 im Verdichtungshub wird auch die Fördermembran 12, deren zentraler Bereich 24 mit dem Anker 7 verbunden ist, in Richtung der Verdichterkammer 10 („nach rechts“) bewegt. Dadurch wird das Volumen der Förderkammer 11 vergrößert, so dass der Druck in der Förderkammer 11 abfällt, das Reservoir-Ein-Wege-Ventil 2 öffnet und Fluid aus dem Reservoir 1 in die Förderkammer 11 strömt.
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Nach dem Abschalten des Stromes durch die Spule 14 drückt die Kraft des elastischen Elements 13 das Pumpelement 26 zurück in Richtung der Förderkammer 11 („nach links“), das Volumen der Förderkammer 11 wird reduziert und das Volumen der Verdichtungskammer 10 wird vergrößert. Aufgrund des dadurch bewirkten Druckanstiegs in der Förderkammer 11 schließt das Reservoir-Ein-Wege-Ventil 2, und die Ein-Wege-Ventile 3, 5 in der Verbindungsleitung 21 öffnen, so dass die Fördermembran 12 Fluid aus der Förderkammer 11 durch die Verbindungsleitung 21 in die Verdichtungskammer 10 verschieben kann.
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Auf diese Weise steht das Fluid beim Eintritt in die Verdichtungskammer 10 bereits unter einem etwas erhöhten Druck, so dass es auch bei hohen Temperaturen nicht zu einem unerwünschten Sieden des Fluids kommt.
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Das Fluid zum Befüllen der Verdichtungskammer 10 ist bereits in unmittelbarer Nähe, nämlich in der Förderkammer 11, gespeichert. Somit entfällt die im Stand der Technik übliche lange Ansaugstrecke (die Fluidreservoirleitung 22 kann je nach Bauart des Kraftfahrzeugs bis zu 5 m lang sein) für das Befüllen der Verdichtungskammer 10. Bei einer kurzen Verbindungsleitung 21 kann ggf. auch auf eines der beiden Ein-Wege-Ventile 3, 5 verzichtet werden.
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Es ist vorteilhaft, das Volumen der Förderkammer 11 gleich oder etwas größer als das Volumen der Verdichtungskammer 10 auszubilden, damit in der Förderkammer 11 immer ausreichend Fluid vorhanden ist, um die Verdichtungskammer 10 vollständig zu befüllen. Dies kann insbesondere durch die Wahl des Durchmessers der Membranen 9, 12 realisiert werden.
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Da die Förderkammer 11 mit einem darin enthaltenen Fluidrest einen zusätzlichen hydraulischen Dämpfer darstellt, wird der Anschlag des Ankers 7 am Gehäuseelement 19 gedämpft und das Betriebsgeräusch der Pumpvorrichtung 25 kann weiter reduziert werden.
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Die Erfindung stellt zwei Hydraulikkreise zur Verfügung, die unterschiedliche Druckniveaus haben. Die gegenüber der Magnetkraft der Spule 14 deutlich geringere Federkraft des elastischen Elements 13 reicht aus, um die Verdichtungskammer 10 zu befüllen. Die Magnetkraft hingegen erzeugt den benötigten hohen (Einspritz-)Druck in der Verdichtungskammer 10 und der Druckleitung 20.
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Es ist auch vorstellbar, dass die Druckleitung 20 und die Fluidreservoirleitung 22 miteinander verbunden werden, so dass durch die Fluidleitungen 21 und 20, 22 zwei Hydraulikkreise entstehen, die alternierend mit Druck beaufschlagt werden. Dabei hat der von der Fluidleitung 21 gebildete Hydraulikkreis einen niedrigeren Druck als der von den Fluidleitungen 20, 22 gebildete Hydraulikkreis. Das Fluid bewegt sich dann in einem geschlossenen System, das zwei Hydraulikkreise umfasst.
