WO2012055636A1 - Arbeitswandelement einer fluidfördereinrichtung - Google Patents

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Christoph Waletzek
Bruno Hezel
Markus Weiss
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B17/04—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/042—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow
    • F04B17/044—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow using solenoids directly actuating the piston
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
    • F01N2610/1433—Pumps

Definitions

  • the invention relates to a working wall element of a fluid conveying device according to the preamble of claim 1 and a fluid conveyor with such working wall element, an arrangement for the aftertreatment of exhaust gases with such a fluid conveyor and a motor vehicle with such an arrangement for the aftertreatment of exhaust gases according to the preamble of the further independent claims.
  • DE 10 2004 057 688 describes a diaphragm pump with a membrane pump diaphragm which is reversibly deflectable, so that the volume of a suitably arranged delivery chamber of the diaphragm pump varies periodically and thus a fluid can be sucked in.
  • the excitation of the movement of the diaphragm pump diaphragm is effected by a mechanical coupling by means of a plunger pin with an eccentric drive.
  • the working wall element according to the invention of a fluid conveying device with the features of claim 1 has the advantage over the other that its movement or the operation of the fluid conveying device can be excited without contact. For a wear-free operation with respect to the drive of the working wall element is guaranteed and there is only a low probability of failure. Due to the possibility of a non-contact drive this can take place without a connection between the drive and working wall element or membrane, which would otherwise be subject to mechanical wear; This leads to low loss of losses, higher rates of impact and lower failure probabilities and the fluid delivery device.
  • a wear-free drive is ensured in a simple manner, which can be implemented cost-effectively, in particular, when the working wall element formed as a membrane does not comprise metallic or non-magnetic regions, while the metal element is placed in a suitable manner for exciting a movement of the membrane via the magnetic drive is. Therefore, it is particularly advantageous to inexpensively form the bendable regions of non-metallic or non-magnetic materials.
  • the means of the fluid delivery device for non-contact excitation of the working wall element spaced from this, so the working wall element is subject to no further wear than the inevitable material fatigue of the membrane itself due to their continuous mechanical cycling due to their own movement.
  • the spacing of the working wall element from the means designed, for example, as an electrically controllable magnet unit for non-contact excitation is set such that it ensures a nonzero distance of the metal element of the working wall element from the magnet unit in the direction of movement of the metal element.
  • the distance is selected so that the metal element has in each case during operation of the fluid conveying device usual strain state of the working wall element from the means of non-contact excitation in the direction of movement different from zero distance.
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 1 shows a fluid delivery device 1 in the form of a diaphragm pump.
  • the pump membrane 7 opposite side of the working space 8 is formed by the pump housing 19.
  • the upper part 19a of the pump housing covers a space on the side facing away from the working chamber 8 side of the pump diaphragm 7.
  • the upper part 19a of the pump housing carries a magnetic coil 15, which encloses a recess 19b of the upper part 19a of the pump housing.
  • a magnet armature 13 is arranged in the region of the bulge 19 b, which projects into the drive space 22, which is located between the upper part 19 a of the pump housing and the pump diaphragm 7.
  • the armature 13 is hereby spaced or contactless relative to a metal element 9, which may be formed as a magnet, for example.
  • the spacing or the contactless arrangement is highlighted in FIG. 1 by reference numeral 16.
  • the magnetic coil 15 is controlled via electrical connections 17 or supplied with electrical energy.
  • the pump diaphragm is attached at its outer periphery by means of a clamping element 11 on the upper housing part 19 a liquid-tight and rigid.
  • the metal element 9 is immovably mounted on a raised position 18 of the pump diaphragm 7, wherein the raised position, ie the formation of the pump diaphragm 7 in the direction of the armature 13, is arranged centrally on the pump diaphragm. Unlike the metallic one
  • the pump membrane itself consists of non-metallic or non-magnetic regions 14.
  • the fluid conveying device 1 is shown in the installed state in FIG. the pump working chamber 8 is in fluid communication with a suction line 3 carrying a check valve 4 and with a pressure line 5 carrying a further check valve 6.
  • the suction line 3 is connected to the pump housing or the suction connection region of the pump housing via a liquid-tight connection 23
  • the pressure line 5 is connected by means of a further liquid-tight connection 24 with the pump housing or the pressure connection region of the pump housing.
  • the pump membrane is fixedly connected to the metal element 9, which can be attracted by the electromagnets 13, 15.
  • the metal element 9 of the diaphragm 7 is moved in the direction of the armature 13.
  • the firm connection between the membrane 7 and the metal element 9 causes the membrane 7 to follow the movement of the metal element 9. If the energy supply of the magnetic coil is interrupted via the electrical connections 17, the magnetic field is reduced and the membrane 7 moves back into the original position due to its own restoring force.
  • the periodic lifting movement of the pump diaphragm 9 thus leads, in a manner known per se, to suction of the fluid in the suction direction 20 due to a corresponding orientation of the check valves 4 and 6 and to a discharge or further transport of the fluid under pressure via the pressure line 5 in the printing direction 21st
  • FIG. 2 shows an exhaust gas after-treatment arrangement 27, the injection device 34 of which is arranged on the exhaust gas tract 28.
  • Exhaust gas 40 flowing through an exhaust gas tract 28 flows through an internal combustion engine, in particular a motor vehicle. It passes the injection device 34, where it is mixed with an aqueous urea solution and then passed through a catalyst 38 for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.
  • Exhaust gas downstream of the catalyst 38 flows purified exhaust gas 41 toward the muffler and finally into the outside environment.
  • the exhaust gas after-treatment arrangement 27 comprises a tank 32 for storing the aqueous urea solution.
  • a fluid delivery device or pump or pump module 30 is arranged, which or which sucks the fluid out of the tank 32 and leads via the fluid line 36 to the injection device 34.
  • the metering takes place either by electrical activation of the injection device 34 and / or by suitable activation of the pump module 30.
  • FIG. 3 shows a motor vehicle 50 that is driven by an internal combustion engine 52.
  • the internal combustion engine 52 generates exhaust gas which is discharged via the exhaust tract 28 to the outside environment.
  • the exhaust gas in the exhaust aftertreatment device 27 is post-treated, in particular in order to reduce the proportion of nitrogen oxides and thus the environmental impact.

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Abstract

Es wird ein Arbeitswandelement (7) einer Fluidfördereinrichtung (1, 30) vorgeschlagen, welches eingerichtet ist zur Erzeugung einer Volumenveränderung eines Arbeitsraums (8) der Fluidfördereinrichtung, wobei das Arbeitswandelement (7) in mindestens einer Raumrichtung (12) bewegbar, insbesondere reversibel auslenkbar oder verbiegbar, ist, wobei das Arbeitswandelement derart ausgeführt ist, dass die Bewegung, insbesondere eine Hubbewegung, berührungslos (16) angeregt werden kann.

Description

Beschreibung
Titel
Arbeitswandelement einer Fluidfördereinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Arbeitswandelement einer Fluidfördereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Fluidfördereinrichtung mit einem solchen Arbeitswandelement, eine Anordnung zur Nachbehandlung von Abgasen mit einer solchen Fluidfördereinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung zur Nachbehandlung von Abgasen nach der Gattung der weiteren unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Die DE 10 2004 057 688 beschreibt eine Membranpumpe mit einer Membranpumpenmembran, die reversibel auslenkbar ist, so dass das Volumen eines geeignet angeordneten Förderraums der Membranpumpe periodisch variiert und damit ein Fluid angesaugt werden kann. Die Anregung der Bewegung der Membranpumpenmembran erfolgt durch eine mechanische Kopplung mittels eines Stößelbolzens mit einem Exzenterantrieb.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Arbeitswandelement einer Fluidfördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass dessen Bewegung bzw. der Betrieb der Fluidfördereinrichtung berührungslos angeregt werden kann. Damit ist ein verschleißfreier Betrieb hinsichtlich des Antriebs des Arbeitswandelements gewährleistet und es besteht nur eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit. Durch die Möglichkeit eines berührungslosen Antriebs kann dieser ohne eine Verbindung zwischen Antrieb und Arbeitswandelement bzw. Membran erfolgen, die ansonsten einem mechanischen Verschleiß unterliegen würde; dies führt zu geringen Ausfallverlusten, höheren Wirkungs raten und geringeren Ausfallwahrscheinlichkeiten auch der Fluidfördereinrichtung.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Arbeitswandelements möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, ein Metallelement vorzusehen, das mit einer magnetischen Ansteuerung wechselwirken kann. Hierdurch wird in einfacher Weise ein verschleißfreier Antrieb gewährleistet, der insbesondere dann kostengünstig umgesetzt werden kann, wenn das als Membran ausgebildete Arbeitswandelement nicht metallische bzw. nicht magnetische Bereiche umfasst, während das Metallelement in geeigneter Weise zur Anregung einer Bewegung der Membran über die magnetische Ansteuerung platziert ist. Daher ist es insbesondere vorteilhaft, in kostengünstiger Weise die verbiegbaren Bereiche aus nicht-metallischen bzw. nicht-magnetischen Materialien zu formen.
Ist das Mittel der Fluidfördereinrichtung zur berührungslosen Anregung des Arbeitswandelements beabstandet zu diesem angeordnet, so unterliegt das Arbeitswandelement keinem weiteren Verschleiß als der unvermeidbaren Materialermüdung der Membran selbst infolge ihrer andauernden mechanischen Wechselbeanspruchung aufgrund ihrer Eigenbewegung. Dies ist insbesondere dann gewährleistet, wenn die Beabstandung des Arbeitswandelements von dem beispielsweise als elektrisch ansteuerbare Magneteinheit ausgebildeten Mittel zur berührungslosen Anregung derart eingerichtet ist, dass sie einen von Null verschiedenen Abstand des Metallelements des Arbeitswandelements von der Magneteinheit in Bewegungsrichtung des Metallelements sicherstellt. Vorzugsweise ist der Abstand so gewählt, dass das Metallelement in jedem beim Betrieb der Fluidfördereinrichtung üblichen Dehnungszustand des Arbeitswandelements vom Mittel der berührungslosen Anregung in Bewegungsrichtung einen von Null verschiedenen Abstand hat. Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den weiteren, abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung aufgeführten Maßnahmen und Merkmale.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1
eine Fluidfördereinrichtung mit einem Arbeitswandelement, Figur 2
eine Abgasnachbehandlungsanordnung und Figur 3
ein Kraftfahrzeug.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Fluidfördereinrichtung 1 in Form einer Membranpumpe. Das als Pumpenmembran 7 ausgebildete Arbeitswandelement begrenzt auf einer Seite den Arbeitsraum 8 der Pumpe. Die der Pumpenmembran 7 gegenüberliegende Seite des Arbeitsraums 8 wird durch das Pumpengehäuse 19 gebildet. Der obere Teil 19a des Pumpengehäuses überdeckt einen Raum auf der vom Arbeitsraum 8 abgewandten Seite der Pumpenmembran 7. Der obere Teil 19a des Pumpengehäuses trägt eine Magnetspule 15, die eine Ausbuchtung 19b des oberen Teils 19a des Pumpengehäuses umschließt. Auf der der Pumpenmembran zugewandten Seite des oberen Teils 19a des Pumpengehäuses ist im Bereich der Ausbuchtung 19b ein Magnetanker 13 angeordnet, der in den Antriebsraum 22, der sich zwischen dem oberen Teil 19a des Pumpengehäuses und der Pumpenmembran 7 befindet, hineinragt. Der Anker 13 ist hierbei beabstandet bzw. berührungslos relativ zu einem Metallelement 9, das beispielweise als Magnet ausgebildet sein kann, angeordnet. Die Beabstandung bzw. die berührungslose Anordnung ist in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 16 hervorgehoben. Die Magnetspule 15 wird über elektrische Anschlüsse 17 angesteuert bzw. mit elekt- rischer Energie versorgt. Die Pumpenmembran ist an ihrem äußeren Umfang mittels eines Einspannungselements 11 am oberen Gehäuseteil 19a flüssigkeitsdicht und starr befestigt. Das Metallelement 9 ist unverrückbar auf einer erhabenen Position 18 der Pumpenmembran 7 befestigt, wobei die erhabene Position, also die Ausformung der Pumpenmembran 7 in Richtung des Magnetankers 13, mittig auf der Pumpenmembran angeordnet ist. Im Unterschied zur metallischen
Ausführung des Metallelements 9 des Arbeitswandelements 7 besteht die Pumpenmembran selbst aus nicht metallischen bzw. nicht magnetischen Bereichen 14. Die Fluidfördereinrichtung 1 ist in Figur 1 im eingebauten Zustand dargestellt, d.h. der Pumpenarbeitsraum 8 steht in fluidischer Verbindung mit einer ein Rück- schlagventil 4 tragenden Ansaugleitung 3 und mit einer ein weiteres Rückschlagventil 6 tragenden Druckleitung 5. Die Ansaugleitung 3 ist hierbei über eine flüssigkeitsdichte Verbindung 23 mit dem Pumpengehäuse bzw. dem Sauganschlussbereich des Pumpengehäuses verbunden, während auf der gegenüberliegenden Seite der Fluidfördereinrichtung bzw. auf der gegenüberliegenden Sei- te des Arbeitsraumes 8 die Druckleitung 5 mittels einer weiteren flüssigkeitsdichten Verbindung 24 mit dem Pumpengehäuse bzw. dem Druckanschlussbereich des Pumpengehäuses verbunden ist.
Die Pumpenmembran ist fest mit dem Metallelement 9 verbunden, welches von den Elektromagneten 13, 15 angezogen werden kann. Durch das Bestromen der
Magnetspule 15 und das dadurch entstehende Magnetfeld wird das Metallelement 9 der Membran 7 in Richtung Anker 13 bewegt. Die feste Verbindung zwischen der Membran 7 und dem Metallelement 9 führt dazu, dass die Membran 7 der Bewegung des Metallelements 9 folgt. Wird die Energiezufuhr der Magnet- spule über die elektrischen Anschlüsse 17 unterbrochen, baut sich das Magnetfeld ab und die Membran 7 bewegt sich durch die eigene Rückstellkraft wieder in die Urposition zurück. Die periodische Hubbewegung der Pumpenmembran 9 führt so in an sich bekannter Weise aufgrund einer entsprechenden Orientierung der Rückschlagventile 4 und 6 zu einem Ansaugen des Fluids in Saugrichtung 20 und zu einem Ausstoß bzw. Weitertransport des Fluids unter Druck über die Druckleitung 5 in Druckrichtung 21.
Figur 2 zeigt eine Abgasnachbehandlungsanordnung 27, deren Einspritzvorrichtung 34 am Abgastrakt 28 angeordnet ist. Durch den Abgastrakt 28 strömt von einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, stammendes Abgas 40 hindurch. Es passiert die Einspritzvorrichtung 34, wird dort mit einer wässrigen Harnstofflösung versetzt und anschließend durch einen Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden geführt. Abgasstromab- wärts des Katalysators 38 strömt gereinigtes Abgas 41 in Richtung Schalldämpfer und schließlich in die Außenumgebung.
Zur Bereitstellung der wässrigen Harnstofflösung und zu deren Einspritzung in den Abgastrakt über die Einspritzvorrichtung 34 umfasst die Abgasnachbehandlungsanordnung 27 einen Tank 32 zur Bevorratung der wässrigen Harnstofflösung. Am Tankboden ist dabei eine Fluidfördereinrichtung bzw. Pumpe bzw. Pumpenmodul 30 angeordnet, die bzw. das das Fluid aus dem Tank 32 absaugt und über die Fluidleitung 36 zur Einspitzvorrichtung 34 führt. Die Dosierung erfolgt hierbei wahlweise durch elektrische Ansteuerung der Einspritzvorrichtung 34 und/oder durch geeignete Ansteuerung des Pumpenmoduls 30.
Figur 3 zeigt ein Kraftfahrzeug 50, das durch eine Brennkraftmaschine 52 angetrieben wird. Die Brennkraftmaschine 52 erzeugt Abgas, das über den Abgastrakt 28 an die Außenumgebung abgeführt wird. Bevor es jedoch das Kraftfahrzeug verlässt, wird das Abgas in der Abgasnachbehandlungsanordnung 27 nachbehandelt, insbesondere um den Anteil an Stickoxiden und damit die Umweltbelastung zu reduzieren.

Claims

Ansprüche
1. Arbeitswandelement (7) einer Fluidfördereinrichtung (1, 30), welches eingerichtet ist zur Erzeugung einer Volumenveränderung eines Arbeitsraums (8) der Fluidfördereinrichtung, wobei das Arbeitswandelement (7) in mindestens einer Raumrichtung (12) bewegbar, insbesondere reversibel auslenkbar oder ver- biegbar, ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitswandelement derart ausgeführt ist, dass die Bewegung, insbesondere eine Hubbewegung, berührungslos (16) angeregt werden kann.
2. Arbeitswandelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d das Arbeitswandelement ein Metallelement (9) umfasst.
3. Arbeitswandelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitswandelement verbiegbare nicht-metallische und/oder nicht-magnetische Bereiche (14) umfasst.
4. Arbeitswandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitswandelement als Membran ausgebildet ist.
5. Arbeitswandelement nach Anspruch 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement (9) an einer im Vergleich zu übrigen Bereichen der Membran erhabenen Position (18) angeordnet ist.
6. Arbeitswandelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement mittig angeordnet ist.
7. Fluidfördereinrichtung (1, 30), insbesondere zum Fördern von Hilfsmitteln, beispielsweise einer wässrigen Harnstoff-Lösung, zur Nachbehandlung des Abgases (40) einer Brennkraftmaschine (52), mit einem Arbeitswandelement (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitswandelement das Volumen eines Arbeitsraums (8) der Fluidfördereinrichtung verändern kann, und mit wenigstens einem Mittel (13, 15, 17) zur berührungslosen (16) Anregung der Bewegung (12) des Arbeitswandelements (7).
8. Fluidfördereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (13, 15, 17) zur berührungslosen Anregung eine, insbesondere elektrisch ansteuerbare, Magneteinheit (13, 15) umfasst, wobei die Magneteinheit, beabstandet (16) zum Arbeitswandelement (7) angeordnet ist, so dass ein Zusammenwirken zwischen Magneteinheit (13, 15) und Arbeitswandelement (7) zumindest zu Beginn der Anregung ausschließlich auf elektromagnetischen Kräften ohne körperliche Berührung beruht.
9. Fluidfördereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinheit, in Richtung der Bewegung des Arbeitswandelements bzw. des Metallelements gesehen, beabstandet zum Arbeitswandelement angeordnet ist.
10. Anordnung (27) zur Nachbehandlung von Abgasen (40) einer Brennkraftmaschine (52), bei der mittels einer Einspritzvorrichtung (34) nachmotorisch ein Fluid in einen Abgastrakt (28) einspritzbar ist, mit einer Fluidfördereinrichtung (1, 30) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Fluid mittels der Fluidfördereinrichtung (1, 30) zur Einspritzvorrichtung (34) förderbar ist.
11. Kraftfahrzeug (50) mit einer Brennkraftmaschine (52) und mit einer Anordnung (27) nach Anspruch 10 zur Nachbehandlung von Abgasen (40) der Brennkraftmaschine (52).
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