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Die Erfindung betrifft eine Fluidfördereinrichtung für ein gefrierfähiges Fluid, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Dosiersystem mit einer solchen Fluidfördereinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Fluidfördereinrichtung.
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Bei der Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine wird eine wässrige Harnstofflösung in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine eindosiert. Die wässrige Harnstofflösung bewirkt im Abgastrakt die Bildung von Ammoniak, der mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in einem nachgeschalteten Katalysator zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert. Dieser Vorgang ist auch unter der Bezeichnung selektive katalytische Reduktion bekannt. Der Stickoxidausstoss der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, kann auf diese Weise deutlich gesenkt werden.
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Ein Nachteil der wässrigen Harnstofflösung besteht jedoch darin, dass sie bei Temperaturen von weniger als -11°C gefriert und sich dabei ausdehnt. Um mit wässriger Harnstofflösung gefüllte Leitungen und Komponenten eines Dosiersystems vor Eisdruck zu schützen, werden diese bei Stillstand der Brennkraftmaschine entleert.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 057 446 A1 geht eine Fluidfördereinrichtung für gefrierende Flüssigkeiten, wie beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, hervor, welche durch Umkehr der Förderrichtung entleerbar ist. Die Fördereinrichtung, vorzugsweise eine Pumpe, weist hierzu eine Ventileinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Rückschlagventil sowie einem pneumatisch oder elektrisch ansteuerbaren Steller auf. Bei Ansteuerung des Stellers ändert sich die Sperrrichtung der beiden Rückschlagventile, so dass die Harnstoff-Wasser-Lösung in die zur Hauptförderrichtung umgekehrte Richtung gefördert wird.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fluidfördereinrichtung für ein gefrierfähiges Fluid anzugeben, die in einer Hauptförderrichtung und in einer zur Hauptförderrichtung umgekehrten Richtung betreibbar ist, um ein Rücksaugen von Fluid zu ermöglichen. Die Fluidfördereinrichtung soll dabei möglichst einfach aufgebaut sein, insbesondere soll ein gesondertes Ventil zur Umkehr der Förderrichtung eingespart werden. Darüber hinaus soll eine Variation der Fördermenge möglich sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Fluidfördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Dosiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie das Verfahren zum Betreiben einer Fluidfördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Fluidfördereinrichtung für ein gefrierfähiges Fluid, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, umfasst einen Kompressionsraum, ein Einlassventil zur Verbindung des Kompressionsraums mit einem Fluidtank und ein Auslassventil zur Verbindung des Kompressionsraums mit einem Dosiermodul. Erfindungsgemäß sind das Einlassventil und das Auslassventil als elektrisch betätigbare, stromlos geschlossene Ventile ausgeführt.
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Im Unterschied zum Stand der Technik werden demnach das Einlassventil und das Auslassventil im Förderbetrieb nicht über den anliegenden Fluiddruck betätigt, sondern aktiv angesteuert. Das Einlassventil und das Auslassventil können somit gezielt geöffnet oder geschlossen werden. Um eine Umkehr der Förderrichtung der Fluidfördereinrichtung zu bewirken, muss demnach nur die Ansteuerung der beiden Ventile geändert werden. Im Saugbetrieb wird anstelle des Einlassventils das Auslassventil geöffnet, so dass Fluid aus dem Dosiermodul zurück in den Kompressionsraum gesaugt wird. Ist der Kompressionsraum mit Fluid aus dem Dosiermodul gefüllt, wird das Auslassventil geschlossen, um anschließend das Einlassventil zu öffnen. Über das Einlassventil wird dann das rückgesaugte Fluid zurück in den Fluidtank gefördert.
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Die aktive Ansteuerung des Einlassventils und des Auslassventils besitzt ferner den Vorteil, dass jeweils über den Öffnungszeitpunkt, die Öffnungsdauer und/oder den Schließzeitpunkt die Fördermenge der Fluidfördermenge einstellbar ist. Das heißt, dass die Fördermenge bedarfsgerecht variierbar ist.
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Die Fluidfördereinrichtung kann darüber hinaus vergleichsweise einfach aufgebaut sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine einfache Pumpe handeln, die selbst nur eine Förderrichtung kennt. Denn bei Bedarf wird die Umkehr der Förderrichtung mit Hilfe der aktiv ansteuerbaren Ventile bewirkt, wobei es sich um das Einlassventil und das Auslassventil handelt. Ein separates Ventil zur Umkehrung der Förderrichtung bedarf es nicht. Entsprechend einfach kann demnach auch der Antrieb der Pumpe ausgeführt sein.
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Bevorzugt ist dem Einlassventil und dem Auslassventil jeweils ein Aktor zugeordnet, so dass beide Ventile unabhängig voneinander elektrisch betätigbar bzw. ansteuerbar sind. Der Aktor kann beispielsweise als Magnetaktor oder Piezoaktor ausgeführt sein. Die elektrische Betätigung mittels eines solchen Aktors besitzt den Vorteil, dass die beim Betrieb des Aktors entstehende Wärme zur Erwärmung des Fluids genutzt werden kann, so dass dieses bei tiefen Temperaturen schneller auftaut oder gar nicht erst gefriert.
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Weiterhin bevorzugt weisen das Einlassventil und das Auslassventil jeweils ein hin- und herbewegliches Ventilglied auf, das durch die Federkraft einer Feder in Richtung eines Ventilsitzes vorgespannt ist. Das Schließen des Einlassventils und des Auslassventils kann demnach in einfacher Weise mittels der Federkraft der jeweiligen Feder bewirkt werden.
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Der Kompressionsraum weist vorzugsweise eine bewegliche Begrenzungswand auf, die durch einen hin- und herbeweglichen Kolben oder eine elastisch verformbare Membran gebildet wird. Entsprechend kann es sich das bei der Fluidfördereinrichtung insbesondere um eine Kolbenpumpe oder eine Membranpumpe handeln. Diese sind besonders robust und zugleich kompakt bauend. Der Antrieb kann in einfacher Weise durch einen rotierenden Antrieb oder durch Hubmittel, beispielsweise einen Hubmagneten, bewirkt werden.
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Da der bevorzugte Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Fluidfördereinrichtung die Abgasnachbehandlung ist, wird ferner ein Dosiersystem zum Eindosieren eines gefrierfähigen Fluids, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Dosiersystem umfasst einen Fluidtank, ein Dosiermodul und eine erfindungsgemäße Fluidfördereinrichtung. Die Fluidfördereinrichtung ist zwischen dem Fluidtank und dem Dosiermodul angeordnet, um im Förderbetrieb Fluid aus dem Fluidtank in Richtung des Dosiermoduls zu fördern. Mit Hilfe des Dosiermoduls kann dann das Fluid in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine eindosiert werden. Bei abgestellter Brennkraftmaschine kann die erfindungsgemäße Fluidfördereinrichtung dazu genutzt werden, das Dosiersystem zu entleeren, um Schäden durch Eisdruck zu verhindern.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidfördereinrichtung für ein gefrierfähiges Fluid, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen. Die Fluidfördereinrichtung umfasst einen Kompressionsraum, ein Einlassventil zur Verbindung des Kompressionsraums mit einem Fluidtank und ein Auslassventil zur Verbindung des Kompressionsraums mit einem Dosiermodul. Erfindungsgemäß werden im Förderbetrieb das Einlassventil und das Auslassventil im Wechsel elektrisch betätigt. Das heißt, dass das Einlassventil und das Auslassventil im Förderbetrieb der Fluidfördereinrichtung jeweils aktiv angesteuert werden, so dass insbesondere das Öffnen jeweils unabhängig vom anliegenden Fluiddruck bewirkt werden kann. Zur Befüllung des Kompressionsraums wird zunächst da Einlassventil aktiv angesteuert bzw. geöffnet, während das Auslassventil geschlossen bleibt. Auf diese Weise wird im Saugbetrieb der Fluidfördereinrichtung Fluid aus dem Fluidtank in den Kompressionsraum gesaugt. Nach dem Befüllen des Kompressionsraums und Schließen des Einlassventils wird das Auslassventil geöffnet, um das Fluid dem Dosiermodul zuzuführen. Zur Änderung der Förderrichtung, um Fluid aus dem Dosiermodul in den Fluidtank zurückzusaugen, werden das Einlassventil und das Auslassventil in umgekehrter Reihenfolge im Wechsel elektrisch betätigt. Anstelle des Einlassventils wird zunächst das Auslassventil aktiv angesteuert bzw. geöffnet, während das Einlassventil geschlossen bleibt. Auf diese Weise wird im Saugbetrieb der Fluidfördereinrichtung Fluid aus dem Dosiermodul zurück in den Kompressionsraum gesaugt. Anschließend wird das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet, so dass das Fluid aus dem Kompressionsraum zurück in den Fluidtank gefördert wird.
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Zur Durchführung des Verfahrens kann insbesondere die erfindungsgemäße Fluidfördereinrichtung verwendet werden, da deren Einlassventil und Auslassventil aktiv ansteuerbar sind.
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Vorzugsweise werden das Einlassventil und das Rückschlagventil jeweils durch einen Aktor, vorzugsweise einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor, elektrisch betätigt. Da jedem Ventil ein eigener Aktor zugeordnet ist, können diese unabhängig voneinander angesteuert werden. Ferner kann - je nach Bestromungsart - die Wirkrichtung eines Aktors geändert werden, um den Schließvorgang eines Ventils zu unterstützen, während das andere Ventil über den anderen Aktor geöffnet wird. Die bei Verwendung eines Magnetaktors oder eines Piezoaktors entstehende Wärme kann zudem zur Erwärmung des Fluids genutzt werden, damit dieses bei tiefen Temperaturen auftaut oder gar nicht erst gefriert.
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Durch die Bestromung eines Aktors wird vorzugsweise ein hin- und herbewegliches Ventilglied des Einlassventils oder des Auslassventils entgegen der Federkraft einer Feder aus einem Ventilsitz gehoben. Die Federkraft der Feder kann anschließend zum Schließen des Einlassventils bzw. Auslassventils genutzt werden. Durch Umkehrung der Wirkrichtung des Aktors kann das Schließen zusätzlich aktiv unterstützt werden.
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Bevorzugt wird im Förderbetrieb der Fluidfördereinrichtung über den Beginn, die Dauer und/oder das Ende der Bestromung der Aktoren, insbesondere des dem Einlassventil zugeordneten Aktors, die Fördermenge eingestellt. Beispielsweise kann das Öffnen des Einlassventils verzögert werden. Alternativ oder ergänzend kann der Schließzeitpunkt des Einlassventils verschoben werden, so dass das Einlassventil erst nach Abschluss der Saugphase geschlossen wird. Auf diese Weise wird eine Teilmenge des Fluids aus dem Kompressionsraum über das Einlassventil wieder ausgeschoben, so dass die Fördermenge verringert wird. Die Fördermenge ist somit bedarfsgerecht einstellbar.
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Die Aktoren, insbesondere der dem Einlassventil zugeordnete Aktor, werden bevorzugt zeitlich versetzt zur Umkehr der Bewegungsrichtung einer den Kompressionsraum begrenzenden beweglichen Begrenzungswand bestromt. Die Bewegungsrichtung der Begrenzungswand bestimmt, ob sich die Fluidfördereinrichtung in der Saugphase oder in der Förderphase befindet. In der Saugphase führt die Begrenzungswand eine Bewegung aus, die zu einer Vergrößerung des Volumens des Kompressionsraums führt. In der Förderphase bewegt sich die Begrenzungswand in die umgekehrte Richtung und führt somit zu einer Verkleinerung des Volumens. Dabei verändern sich die Druckverhältnisse im Kompressionsraum. Da das Einlassventil und das Auslassventil jeweils aktiv angesteuert werden, kann das Öffnen und Schließen der Ventile unabhängig von der Position der Begrenzungswand und damit unabhängig vom jeweils vorherrschenden Fluiddruck im Kompressionsraum bewirkt werden. Somit ist es möglich, das Öffnen und/oder Schließen zeitlich versetzt, insbesondere verzögert, zu bewirken.
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Die bewegliche Begrenzungswand kann durch einen hin- und herbeweglichen Kolben oder durch eine elastisch verformbare Membran gebildet werden. Im Falle einer Membran nutzt das gegenüber der Umkehr der Bewegungsrichtung der Membran zeitlich versetzte, insbesondere verzögerte, Öffnen der Ventile, dass sich die Membran zunächst neu ausrichten kann.
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Bevorzugt wird die Bewegung der Begrenzungswand durch einen rotierenden Antrieb oder durch Hubmittel, beispielsweise einen Hubmagneten, bewirkt. Beispielsweise kann der rotierende Antrieb ein Nocken- oder Exzentertrieb sein, über den ein Kolben hin- und herbewegt wird. Diese Antriebsform hat sich bei Fluidfördereinrichtungen bewährt. Die Hin- und Herbewegungen eines Kolbens oder einer Membran können aber auch in einfacher Weise mit Hilfe eines Hubmagneten bewirkt werden. Die genannten Antriebsformen sind robust sowie einfach und kostengünstig umsetzbar.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Dosiersystems,
- 2 eine schematische Darstellung der Fluidfördereinrichtung des Dosiersystems der 1 während der Saugphase beim Fördern in Hauptförderrichtung,
- 3 eine schematische Darstellung der Fluidfördereinrichtung der 2 während der Förderphase beim Fördern in Hauptförderrichtung,
- 4 eine schematische Darstellung der Fluidfördereinrichtung der 2 während der Saugphase beim Fördern in einer zur Hauptförderrichtung entgegengesetzten Förderrichtung,
- 5 eine schematische Darstellung der Fluidfördereinrichtung der 2 während der Förderphase beim Fördern in einer zur Hauptförderrichtung entgegengesetzten Förderrichtung,
- 6 einen Schnitt durch die Fördereinrichtung des Dosiersystems der 1 und
- 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Ansteuerstrategie der Ventile.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 schematisch dargestellte Dosiersystem umfasst einen Fluidtank 4, in dem ein gefrierfähiges Fluid, vorliegend eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung, bevorratet ist. Der Fluidtank 4 ist über eine erste Fluidleitung 16 mit einer Fluidfördereinrichtung 1 verbunden. Von der Fluidfördereinrichtung 1 führt eine weitere Fluidleitung 17 zu einem Dosiermodul 6, mittels dessen das Fluid in einen Abgastrakt 18 einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eindosierbar ist.
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Anhand der nachfolgenden Figuren werden die Fluidfördereinrichtung 1 des Dosiersystems der 1 sowie deren Funktionsweise näher beschrieben.
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Die in der 2 dargestellte Fluidfördereinrichtung 1 weist einen Kompressionsraum 2 auf, dessen Volumen veränderbar ist. Bei größer werdendem Volumen befindet sich die Fluidfördereinrichtung 1 in einer Saugphase, bei kleiner werdendem Volumen in einer Förderphase.
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Während der Saugphase wird über ein geöffnetes Einlassventil 3 Fluid aus dem Fluidtank 4 in den Kompressionsraum 2 gesaugt. Zeitgleich ist ein Auslassventil 5 geschlossen. Zum Öffnen des Einlassventils 3 wird ein Aktor 7 bestromt, der eine Öffnungskraft bewirkt, die größer als die Federkraft einer in Schließrichtung wirkenden Feder 11 des Einlassventils 3 ist. Somit öffnet das Ventil und gibt einen Ventilsitz 13 frei, über den das Fluid in den Kompressionsraum 2 strömen kann. Auf diese Weise füllt sich der Kompressionsraum 2 mit dem Fluid.
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Während der Förderphase, dargestellt in der 3, wird die Bestromung des Aktors 7 beendet, so dass die Feder 11 das Einlassventil 3 schließt. Zum Öffnen des Auslassventils 5 wird nunmehr ein Aktor 8 bestromt, der eine Öffnungskraft bewirkt, die größer als die Federkraft einer in Schließrichtung wirkenden Feder 12 des Auslassventils 5 ist. Somit öffnet das Auslassventil 5 und gibt einen Ventilsitz 14 frei, über den das Fluid aus dem Kompressionsraum 2 in Richtung des Dosiermoduls 6 strömen kann.
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Bei abgestellter Brennkraftmaschine wird das Dosiersystem entleert, um bei tiefen Temperaturen Schäden durch Eisdruck zu verhindern, da die wässrige Harnstofflösung bei Temperaturen unter -11°C gefriert. Die Entleerung wird mit Hilfe des Einlassventils 3 und des Auslassventils 5 bewirkt, indem diese in umgekehrter Reihenfolge aktiv angesteuert werden.
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Zur Entleerung wird während einer Saugphase der Fluidfördereinrichtung 1, dargestellt in der 4, das Auslassventil 5 geöffnet, so dass über die Fluidleitung 17 und den Ventilsitz 14 Fluid zurück in den Kompressionsraum 2 strömt. Das Öffnen des Auslassventils 5 wird durch Bestromen des ihm zugeordneten Aktors 8 bewirkt, der die erforderliche Öffnungskraft bereitstellt. Das Einlassventil 3 bleibt währenddessen geschlossen.
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Während der anschließenden Förderphase, dargestellt in der 5, wird bei geschlossenem Auslassventil 5 das Einlassventil 3 geöffnet. Hierzu wird der dem Einlassventil 3 zugeordnete Aktor 7 bestromt. Bei geöffnetem Einlassventil 3 strömt das Fluid aus dem Kompressionsraum 2 über den Ventilsitz 13 und die Fluidleitung 16 zurück in den Fluidtank 4.
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Eine mögliche Ausführungsform der in den 1 bis 5 nur schematisch dargestellten Fluidfördereinrichtung 1 kann der 6 entnommen werden. Der Kompressionsraum 2 wird zur Volumenänderung durch eine bewegliche Begrenzungswand 15 begrenzt, die vorliegend durch eine elastisch verformbare Membran gebildet wird. Der Kompressionsraum 2 ist einerseits über ein aktiv ansteuerbares Einlassventil 3 und eine Fluidleitung 16 mit einem Fluidtank 4 (nicht dargestellt) verbindbar. Andererseits ist der Kompressionsraum 2 über ein aktiv ansteuerbares Auslassventil 5 und eine Fluidleitung 17 mit einem Dosiermodul (nicht dargestellt) verbindbar. Zur aktiven Ansteuerung weisen beide Ventile 3, 5 jeweils einen Aktor 7, 8 auf, der vorliegend als Magnetaktor ausgebildet ist. Bei Bestromung eines Aktors 7, 8 wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetkraft auf ein hin- und herbewegliches Ventilglied 9, 10 in der Weise einwirkt, dass es entgegen der Federkraft einer ihm zugeordneten Feder 11, 12 aus einem Ventilsitz 13, 14 gehoben wird. Ventilsitzseitig sind die Ventilglieder 9, 10 jeweils mit einem Dichtkörper 19, 20 aus einem Elastomermaterial versehen, um den Dichtsitz zu optimieren.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerstrategie wird anhand der 7 nochmals erläutert. Die Kurve 21 zeigt die zyklischen Hin- und Herbewegungen der den Kompressionsraum 2 begrenzenden Begrenzungswand 15. Während die Kurve 21 ansteigt befindet sich die Fluidfördereinrichtung 1 in einer Saugphase, bei abfallender Kurbe 21 in einer Förderphase. Während einer Saugphase wird das Einlassventil 3 aktiv geöffnet, während das Auslassventil 5 geschlossen bleibt, so dass sich der Kompressionsraum 2 mit Fluid aus dem Fluidtank 4 füllt. Zum Öffnen des Einlassventils 3 wird der Aktor 7 bestromt, wobei die Bestromung mit geringer zeitlicher Verzögerung bzw. kurz nach Eintritt in die Saugphase erfolgt (siehe Kurve 22). Während der anschließenden Förderphase wird das Auslassventil 5 geöffnet, während das Einlassventil 3 geschlossen bleibt, um das Fluid aus dem Kompressionsraum 2 dem Dosiermodul 6 zuzuführen. Zum Öffnen des Auslassventils 5 wird der Aktor 8 bestromt, wobei die Bestromung de Aktors 8 erst erfolgt, nachdem die Bestromung des Aktors 7 beendet worden ist (siehe Kurve 23). Das heißt, dass die Aktoren 7, 8 jeweils abwechselnd und in zeitlichen Abständen bestromt werden.
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Um eine Umkehr der Förderrichtung zu bewirken, müssen die Kurven 22, 23 lediglich vertauscht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007057446 A1 [0004]
