DE202018106533U1

DE202018106533U1 - Dosierpumpe

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Publication number: DE202018106533U1
Application number: DE202018106533.5U
Authority: DE
Original assignee: Kordit Evsey A; Kordit Petr E
Current assignee: Kordit Evsey A; Kordit Petr E
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2028-11-20

Abstract

Dosierpumpe mit einem Elektromagnetantrieb, die ein Trageelement mit einer Führungshülse enthält, in der sich ein Kolben befindet, der Flüssigkeit durch eine Vor- und Rückbewegung in der Führungshülse liefert, und mit einer Einlasskammer und einem Druckraum der Pumpe, die durch die Innenfläche der Führungshülse formiert wird,dadurch gekennzeichnet,dass die in der Führungshülse angebrachte Stütze eine Radialdruckausgleichsrille zusätzlich enthält, die die Kolbenlage im Endpunkt des Vorlaufs fixiert,dass auf der Innenfläche der Führungshülse eine Flüssigkeitszuführungsnut angeordnet ist, die mit einem in der Wandung der Führungshülse angeordneten Längskanal verbunden ist, der die Zuführungsnut mit der Einlasskammer verbindet,dass eine Abführungsnut der Flüssigkeit angeordnet ist, die von der Zuführungsnut mit Abstand entfernt ist, der mit der Bedingung bestimmt wird, dass das Volumen der Hohlheit in der Führungshülse zwischen der Zuführungsnut und der Abführungsnut dem Volumen der dosierten Flüssigkeitsdosiermenge entspricht, die überpumpt wird,dass die Abführungsnut der Flüssigkeit mit einem in der Wandung der Führungshülse angeordneten Kanal verbunden ist, der die Abführungsnut mit der Radialdruckausgleichsrille in der Stütze verbindet, die wiederum mit der Auslauföffnung verbunden ist, unddass auf der Außenfläche der Führungshülse eine Spiralnut angeordnet ist, die im Bereich der Berührung der Außenfläche der Führungshülse und der Innenzylinderfläche des Tragelements einen Spiralkanal bildet, der durch die Öffnung in der Führungshülse den Druckraum mit der Einlasskammer verbindet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Pumpen mit einem Elektromagnetantrieb, der Flüssigkeit in Form von einzelnen dem Volumen nach dosierten Flüssigkeitsdosiermengen pumpt. Diese Einrichtungen finden vorzugsweise bei der Zuführung von Brennstoffen zu Brennern von Beheizungseinrichtungen Anwendung und können auch für Heizsysteme von Autos benutzt werden.
Bekannt sind Einrichtungen, die als Stammbestandteile Folgendes enthalten: einen Elektromagnetantrieb, eine Rückziehfeder und ein Einspritzelement, das aus einem federgelagerten Förderkolben besteht, auf den zum Zeitpunkt der Elektromagnetspuleneinschaltung eine Kraft wirkt, die der Kraft der Rückziehfeder entgegenwirkt. Das Einspritzelement besteht aus einem Zylinder, der eine Einlauf- und Auslauföffnung sowie ein oder zwei Ventile aufweist, die die Einfüllung einer kalibrierten Hohlheit im Zylinder während der Kolbenbewegung unter Wirkung der Feder bei abgeschalteter Elektromagnetspule und die Ausstoßung der Dosiermengen der Flüssigkeit sicherstellen, die in dieser Hohlheit während der Kolbenbewegung unter Wirkung der Magnetkraft bei eingeschalteter Elektromagnetspule enthaltet ist.
Die angegebenen Einrichtungen bilden die Strömung der Pumpflüssigkeit in Form von gleichen aufeinanderfolgenden Dosiermengen.
Die Strömungsdurchschnittswertsteuerung erfolgt durch eine Frequenzänderung der Befolgung der elementaren Dosiermengen; demgemäß wird die Förderleistung der Pumpe als Flüssigkeitsgesamtvolumen bestimmt, das für diese Zeitdauer überpumpt wird.
Bekannt sind Einrichtungen, die zwei Ventile aufweisen. Eines öffnet sich beim Ansaugen der Flüssigkeit und schließt sich bei der Ausstoßung dieser Flüssigkeit aus der kalibrierten Hohlheit. Das andere Ventil ist dagegen beim Ansaugen blockiert und öffnet sich bei der Ausstoßung (wie z. B. beim US-Patent 4496292 und beim US-Patent 4743179 ). Als Analogon stellt sich das US-Patent 4743179 mit dem Titel «Kolbenpumpe mit Elektromagnetantrieb» am meisten bevorzugt dar.
Diese Pumpe besteht aus einer Saugkammer, die die Arbeitssubstanz durch das Ansaugventil aus einer Zuführungsleitung erhält, wobei die Saugkammer ihren Ausgang im Punkt des Beginns des Druckpumpenhubs nimmt. Die Pumpe ist eigens zur Vorbeugung der Gasblasenbildung bestimmt. Die sichere Schließung der Drucköffnung wird unabhängig von der Wirkung der um den Kolben angebrachten Rückziehfeder ausgeführt, in Anbetracht der Tatsache, dass jede in die Saugkammer der Pumpe eindringende Arbeitssubstanz mit dem Kolben in der Richtung kontaktiert, die den Zusatzdruck ausübt, den Druck in derselben Richtung, in der der Druck auf den Bestandteil einwirkt, der die Drucköffnung der Pumpe schließt.
Diese Einrichtung hat zwei Nachteile. Der erste Nachteil ist mit der technologischen Komplexität der Einlassventilerzeugung und demzufolge mit der Reparaturanfälligkeit während des Dauerbetriebs verbunden.
Der zweite Nachteil ist ein hohes Niveau des Geräusches in Form von lautem «Klopfen» bei den Kolbenaufschlägen zum Zeitpunkt seiner Fixierung in der oberen Lage während der Rückführung nach der Elektromagnetabschaltung und in der unteren Lage beim Ablauf der Flüssigkeitsausstoßung aus der Saugkammer.
Der erste der beiden genannten Nachteile, nämlich die Reparaturanfälligkeit, ist an der Einrichtung, die als Prototyp «Dosierpumpe» ( US-Patent 7621726 B2 ) ausgewählt worden ist, beseitigt worden. Die Einrichtung des Prototyps ist in den 1 - 4 dargestellt.
Der Prototyp der Dosierpumpe besteht aus einem Druckkolben (50), der die Zuführung eines Flussmittels durch die Vor- und Rückbewegung aus der Führungshülse (42) vornimmt, in der der Teil des Druckkolbens (50) untergebracht ist, und innerhalb der Führungshülse übt der Druckkolben die Vor- und Rückbewegungen aus. Die Innenfläche (46) der Führungshülse (42) bildet dabei einen Druckraum der Pumpe (48), und die Außenfläche (60) der Hülse bildet den Kanal (74), der nach innen in den Druckraum der Pumpe (48) führt. Die Führungshülse (42) befindet sich dabei in einem Trageelement (24), und ihre Außenfläche steht völlig in Berührung mit dem Trageelement.
Als Nachteil des Einrichtungsprototyps ist ein hohes Geräuschniveau zu nennen, das bei den Kolbenaufschlägen zum Zeitpunkt der Fixierung in den randseitigen Gebrauchslagen entsteht. Beim Kolbenvorlauf ist das Schlaggeräusch dabei signifikant lauter als beim Kolbenrücklauf. Dies ist mit der Besonderheit der resultierenden Kräfte verbunden, die auf den Kolben beim Kolbenvorlauf und Kolbenrücklauf wirken. Die Abhängigkeit der Wirkungskraft einer Rückziehfeder F₁ und der elektromagnetischen Kraft F₂ sowie der resultierenden Kraft F = F₂ - F₁ der Schublänge des Kolbens X ist in 5 dargestellt.
Die auf den Kolben wirkende Kraft und die Kolbengeschwindigkeit sind entsprechend beim Kolbenrücklauf geringer als eine auf den Kolben wirkende Kraft beim Kolbenvorlauf. Außerdem vermindert sich die auf den Kolben wirkende Kraft beim Kolbenrücklauf in Bewegungsrichtung, und sie steigt rapide bei der Bewegung in Vorwärtsrichtung.
Die Kolbenbewegung wird mit der Korrelation von zwei Kräften, nämlich der Wirkungskraft der Rückziehfeder F₁ und der entgegengerichteten elektromagnetischen Kraft F₂ , bestimmt. Ist die elektromagnetische Kraft geringer als die Federkraft, läuft der Kolben zurück, indem er den Druckraum befreit; im Gegenfall läuft der Kolben vor, indem er die dem Volumen nach dosierte Flüssigkeitsdosiermenge aus dem Druckraum ausstößt.
Die Abhängigkeit der Federwirkungskraft und der elektromagnetischen Kraft von der Schublänge des Kolbens sind signifikant unterschiedlich. Die Federkraft ist dem Kompressionsverhältnis proportional und entsprechend von der Schublänge linear abhängig.
Die elektromagnetische Kraft hängt von der Stoßbreite zwischen dem am Kolben (50) fixierten Anker (52) und dem Trageelement (24) ab. Aus der Theorie über Elektromagnete ist bekannt [1], dass die Kraft der elektromagnetischen Anziehung F durch folgende Formel bestimmt wird: $F_{2} = C_{1} \cdot \frac{Θ^{2}}{{(Δ x - x)}^{2}}$
wobei:

C₁: eine Konstante ist, die von der Form und den magnetischen Eigenschaften des Ankers (52) und des Trageelements (24) abhängt, die als Elemente des Magnetleiters des Elektromagnets gelten;
Θ: eine magnetisierende Kraft ist;
Δxt: die Stoßbreite zwischen dem Anker (52) und dem Tragelement (24) ist;
X: die Schublänge des Kolbens ist.

Aus der Grafik in 5 folgt, dass die der Differenz zwischen der Magnetkraft F₂ und der Federgegenkraft F₁ gleichende resultierende Kraft F im Zuge der Annährung des Kolbens zum Druckraumboden beim Vorlauf von einer Anfangsstellung X₀ aus bis zu einer Endstellung X₁ rapide ansteigt. Die Kolbengeschwindigkeit steigt entsprechend rapide an, was zu einem schweren Schlag bei der Berührung des Kolbens mit dem Druckraumboden führt.
Der Kolbenrücklauf erfolgt bei abgeschalteter Elektromagnetspule. Im Zuge der Kolbenbewegung vermindert sich das Kompressionsverhältnis der Feder, was zur Kraftminderung führt, die den Kolbenrücklauf verursacht. Die Stockgeschwindigkeit verlangsamt sich daraufhin, und das Geräusch bei seiner Abstellung ist signifikant geringer als das Geräusch bei der Abstellung des Kolbens beim Vorlauf.
Die Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die von der Pumpe abstoßende dosierte Flüssigkeitsdosiermenge vor der Berührung des Kolbens mit dem Druckraumboden formiert wird. Dazu ist die Ableitung der dosierten Flüssigkeitsdosiermenge in den Ausgabekanal zum Rücklaufventil (26) in 1 in die Seitenflächen der Führungshülse einzurichten.
Die Flüssigkeit, die nach der Kreuzung des Ableitungsniveaus durch den Kolben verbleibt, wird den Kolben aus dem Druckraum zurück in die Einlasskammer (38) durch den beim Druckraumboden speziell gefertigten dämpfenden Kanal ausstoßen, der einen großen hydraulischen Widerstand hat. Die Größe dieses Widerstands kann auf solche Weise angepasst werden, dass die Kolbengeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Berührung des Kolbens mit dem Druckraumboden auf die Größe vermindert wird, bei der die Geräuschgröße beim Aufeinanderstoßen auf eine angemessene Größe zurückgeht.
Es ist zu bemerken, dass ein durch den dämpfenden Kanal und bis zur Kreuzung des Flüssigkeitsableitungsniveaus durch den Kolben in den Ausgabekanal fließender Flüssigkeitsteil verdrängt werden wird. Daher wird das Volumen der dosierten Flüssigkeitsdosiermenge geringer als das geometrische Volumen der Hohlheit zwischen dem Eingabeniveau und dem Ausgabeniveau im Druckraum im Rahmen der Flüssigkeitsvolumengröße der dosierten Flüssigkeitsdosiermenge, die während des Kolbendurchlaufs zwischen dem Eingabeniveau und dem Ausgabeniveau durch den dämpfenden Kanal verdrängt wird. Durch Erhöhen des hydraulischen Widerstands des dämpfenden Kanals im Vergleich zum hydraulischen Widerstand des Ausgabekanals kann man allerdings die notwendige Genauigkeit der Dosierung nach dem Volumen der Flüssigkeitsdosiermenge sicherstellen, die überpumpt wird.
Die Prinzipskizze der Dosierpumpe ist in 6 dargestellt.
Das technische Ergebnis in der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Dosierpumpe einen Kolben (50) enthält, der eine Flüssigkeitszuführung durch eine Vor- und Rückbewegung in der im Tragelement (24) befindlichen Führungshülse (42) ausübt. Die Innenfläche der Führungshülse (42) formiert den Druckraum der Pumpe (48) dadurch, dass sie eine zusätzlich in der Führungshülse angebrachte Stütze (90) mit einer Radialdruckausgleichsrille enthält. Diese fixiert die Kolbenlage im Endpunkt des Vorlaufs. Auf der Innenfläche der Führungshülse (42) sind zwei Ringnuten angebracht, von denen die eine (91) mit einem in der Wandung der Führungshülse (42) angeordneten Längskanal (92) verbunden ist, der die Zuführungsnut mit der Einlasskammer (38) verbindet, während eine Abführungsnut (93) der Flüssigkeit von der Zuführungsnut (91) mit Abstand entfernt ist. Der Abstand ist dafür bestimmt, dass das Volumen der Hohlheit in der Führungshülse zwischen den Zuführungsnuten (91) und den Abführungsnuten der Flüssigkeit (93) der dosierten Flüssigkeitsdosiermenge entspricht, die überpumpt wird. Die Abführungsnut (93) ist mit einem Kanal (94) verbunden, der in der Wandung der Führungshülse (42) angeordnet ist und der die Abführungsnut der Flüssigkeit (93) mit der Radialdruckausgleichsrille (95) in der Stütze (90) verbindet, die wiederum mit einer Auslauföffnung (84) verbunden ist. Auf der Außenfläche der Führungshülse ist eine Spiralnut (96) angeordnet, die im Bereich der Berührung der Außenfläche der Führungshülse (42) und der Innenzylinderfläche des Tragelements (24) einen Spiralkanal (97) bildet, der durch eine Öffnung (98) in der Führungshülse (42) den Druckraum mit der Einlasskammer (38) verbindet.
Die vorliegende Einrichtung funktioniert folgenderweise. Zum Zeitpunkt der Einschaltung der Elektromagnetspule nehmen der Strom stufenweise und entsprechend die anfangs auf den Kolben wirkende elektromagnetische Kraft zu. Bei der Erreichung der Größe F₀ (s. 5) durch die elektromagnetische Kraft nimmt die Kolbenbewegung ihren Anfang. Bis zur Kreuzung des Zuführungsnutenniveaus durch die Kolbenfrontseite (91) wird die Flüssigkeit aus dem Druckraum (48) durch den Kanal (92) in die Einlasskammer verdrängt.
Bis zur Kreuzung des Abführungsnutenniveaus (93) verdrängt der Kolben zufolge der Flüssigkeit durch den Kanal (94) und der Radialdruckausgleichsrille in der Stütze (90) die Flüssigkeit in die Auslauföffnung (84). Unter der durch den bewegten Kolben generierenden Druckwirkung entfernt sich die Ventilkugel (32) vom Sitz, und der Brennstoff wird in den Auslassstutzen (30) abgeleitet.
Die Kolbenbremsung nimmt nach dem Durchlauf des Niveaus durch den Kolben ihren Anfang, auf dem die Ableitungsnut angeordnet ist. Der hydraulische Widerstand des dämpfenden Kanals wird auf eine solche Weise angepasst, dass der Flüssigkeitsanteil, der durch diesen Kanal bis zur Kreuzung der Ableitungsnut durch den Kolben überfließt, signifikant geringer als der Flüssigkeitsanteil sein wird, der in den Ausgabekanal einströmt.
Die Größe des hydraulischen Widerstands des dämpfenden Kanals wird aufgrund der Bedingung angepasst, dass die nicht mehr als aus den Dosiergenauigkeitsanforderungen vorgebbare Flüssigkeitsdosiermenge bis zur Kreuzung der Auslauföffnung durch den Stock während des Vorlaufs aus dem Stock abströmt, beispielsweise 1% dieses Flüssigkeitsvolumens, das durch die Auslauföffnung verdrängt wird. Als solcher hydraulischer Widerstand kann der Langkanal mit einem kleinen Durchmesser gewählt werden.
Die Reguliermöglichkeit der Verteilung der Flüssigkeitsdosiermenge zwischen dem Ausgabekanal und dem dämpfenden Kanal kann auf der Grundlage des Hagen-Poiseuillesches Gesetzes erfolgen [2, Seite 59]: $Q = \frac{π R^{4}}{8 μ} \cdot \frac{P_{0} - P_{1}}{l}$
wobei:

Q: der Flüssigkeitsverbrauch,
R: der Radius des Kanals,
l: die Kanallänge,
P₀: der Einlaufdruck,
P₁: der Ausflussdruck,
µ: die Flüssigkeitsreibung sind.

In 7 ist ein Flüssigkeitsverbrauchsmuster, das durch den Kolben aus dem Druckraum zwischen dem Ausgabekanal und dem dämpfenden Kanal ausgedrückt wird, schematisch dargestellt.
Entsprechend der Bezeichnungen in 7 wird der Flüssigkeitsanteil, der durch den Dämpfungskanal durchläuft, mit folgender Formel bestimmt: $\frac{Q_{1}}{Q_{2}} = {(\frac{R_{1}}{R_{2}})}^{2} \cdot \frac{l_{2}}{l_{1}} \cdot \frac{(P_{0} - P_{1})}{(P_{0} - P_{2})} .$
Indem die Bedingungen der Dosiergenauigkeit jeweils vorgeben werden, damit beispielsweise nicht mehr als 1% des Dosiermengenvolumens durch den dämpfenden Kanal durchläuft, wird die Formel für die Parameterbestimmung des Ausgabekanals und des dämpfenden Kanals gewonnen, die diese Bedingung erfüllt: ${(\frac{R_{1}}{R_{2}})}^{4} \cdot \frac{l_{2}}{l_{1}} \cdot \frac{(P_{0} - P_{1})}{(P_{0} - P_{2})} \leq 0,01$
Der dämpfende Kanal kann beispielsweise in Form einer Spiralnut auf der Außenfläche der im Trageelement eingepressten Führungshülse erfüllt werden.

Die vorgeschlagene Dosierpumpe ermöglicht somit, bei ihrem Betrieb das Geräuschniveau wegen der Minderung der Stoßbelastungen bei der Berührung des Kolbens zum Zeitpunkt der Fixierung in den randseitigen Gebrauchslagen zu vermindern. Vergleichsprüfungen der als Prototyp ausgewählten Einrichtung («Dosierpumpe», US-Patent 7621726 B2 ) und der vorliegenden Einrichtung «Dosierpumpe» wurden durchgeführt. Während der Prüfungen wurden die Vibrationsparameter geschätzt: Vibrationsbeschleunigung, Vibrationsgeschwindigkeit, Schwingweg sowie das bei Betrieb im Standardbetriebszustand entstehende Geräuschniveau. Die Vibrationsparameter wurden mittels des Vibro- Vision-Analysiergeräts geschätzt, und das Geräuschniveau wurde mittels des Digital Sound Level Meter AZ8922-Geräts im Abstand von 50 mm von der Einrichtung gemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle dargestellt, wobei HW-Höchstwerte MQW- Mittelquadratwert der Messgrößen sind.

Vergleichsparame ter	Prototyp				Vorgeschlagene Einrichtung
Geräuschniveau, dB	74				51

	Sensor parallel zum Kolben		Sensor senkrecht zum Kolben		Sensor parallel zum Kolben		Sensor senkrecht zum Kolben
	HW	MQW	HW	MQW	HW	MQW	HW	MQW
Vibrationsbeschleu nigung, m/s²	50	3,8	4	0,7	18	2,5	3	0,5
Vibrationsgeschwin digkeit mm/s	25	2,8	7,5	2.2	16	2,2	5	1,2
Schwingweg, Mikrometer	28	55	25	49	33	50	12	24

Die gegebenen Daten zeugen davon, dass die vorgeschlagene Einrichtung im Vergleich zum Prototyp die Minderung des Geräuschniveaus bei Betrieb von 74 dB auf 51 dB, d. h. um 30%, sicherstellt. Die Quantitätskennzahlen, die die Vibrationsparameter der Einrichtung im Verlauf des Betriebs bezeichnen, werden gleichzeitig gesenkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4496292 [0005]
US 4743179 [0005]
US 7621726 B2 [0009, 0032]

Claims

Dosierpumpe mit einem Elektromagnetantrieb, die ein Trageelement mit einer Führungshülse enthält, in der sich ein Kolben befindet, der Flüssigkeit durch eine Vor- und Rückbewegung in der Führungshülse liefert, und mit einer Einlasskammer und einem Druckraum der Pumpe, die durch die Innenfläche der Führungshülse formiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Führungshülse angebrachte Stütze eine Radialdruckausgleichsrille zusätzlich enthält, die die Kolbenlage im Endpunkt des Vorlaufs fixiert, dass auf der Innenfläche der Führungshülse eine Flüssigkeitszuführungsnut angeordnet ist, die mit einem in der Wandung der Führungshülse angeordneten Längskanal verbunden ist, der die Zuführungsnut mit der Einlasskammer verbindet, dass eine Abführungsnut der Flüssigkeit angeordnet ist, die von der Zuführungsnut mit Abstand entfernt ist, der mit der Bedingung bestimmt wird, dass das Volumen der Hohlheit in der Führungshülse zwischen der Zuführungsnut und der Abführungsnut dem Volumen der dosierten Flüssigkeitsdosiermenge entspricht, die überpumpt wird, dass die Abführungsnut der Flüssigkeit mit einem in der Wandung der Führungshülse angeordneten Kanal verbunden ist, der die Abführungsnut mit der Radialdruckausgleichsrille in der Stütze verbindet, die wiederum mit der Auslauföffnung verbunden ist, und dass auf der Außenfläche der Führungshülse eine Spiralnut angeordnet ist, die im Bereich der Berührung der Außenfläche der Führungshülse und der Innenzylinderfläche des Tragelements einen Spiralkanal bildet, der durch die Öffnung in der Führungshülse den Druckraum mit der Einlasskammer verbindet.