WO2012113578A1

WO2012113578A1 - System zur zumessung von fluid

Info

Publication number: WO2012113578A1
Application number: PCT/EP2012/000836
Authority: WO
Inventors: Olaf OHLIGSCHLÄGER; Axel MÜLLER; Thomas Rolland; Michael Müller
Original assignee: Thomas Magnete Gmbh
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2012-08-30
Also published as: DE102011012321B4; DE102011012321A1

Abstract

Fluidisches Zumesssystem (1), umfassend eine durch Elektromagneten mit einer Spule angetriebene Hubkolbenpumpe (3), eine elektrische Ansteuerung (7), mindestens eine Leitung (4), und ein der Hubkolbenpumpe (3) nachgelagertes Zumessventil (5). Ein mit geringem Aufwand herstellbares Zumesssystem bzw. Verfahren, das eine hohe Genauigkeit der Mengenzumessung und eine Beeinflussung des Drucks bei der Zumessung ermöglicht wird erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass die Pumpe (3) druckregelnd ausgebildet ist und eine durch eine Kraft begrenzte Verdrängung aufweist, und dass die Pumpe (3) so aufgebaut ist, dass sich eine definierte funktionale Abhängigkeit des Druckes von dem Hub des Kolbens und eine weitere funktionalen Abhängigkeit des Kolbenhubs von der Ansteuerfrequenz und dem Verbrauchsvolumenstrom ergibt, wobei das Ansteuersignal von der elektrischen Ansteuerung (7) an die Pumpe (3) ein gepulstes Signal des Stroms durch die Spule ist, oder der Spannung, die an der Spule der Hubkolbenpumpe anliegt ist.

Description

System zur Zumessung von Fluid

Die Erfindung betrifft ein System zur Zumessung von Fluid sowie ein Verfahren zur Regelung des Drucks eines Fluids.

Zumesssysteme für Fluide sind in der Technik weit verbreitet und bekannt, insbesondere im Zusammenhang mit Heizungsanlagen und mit

Abgassystemen in Fahrzeugen, sie werden auch als Dosiersysteme oder

Einspritzsysteme bezeichnet. Sie bestehen in der Regel mindestens aus einem Druckerzeuger und einer Düse, in vielen Fällen übernimmt der Druckerzeuger auch die Funktion des Zumessens. In anderen Fällen sind die Funktionen getrennt, der Druckerzeuger erzeugt nur den Druck, und das Zumessen übernimmt ein Zumessventil. Die Funktion der Düse ist oft mit der Funktion des Zumessventils verknüpft, das Gerät mit beiden Funktionen wird meist Injektor genannt.

DE 10 2006 044 246 B4 beschreibt beispielsweise ein Abgasnachbehandlungs- System mit einer Dosierpumpe, die als Membranpumpe ausgeführt ist. In dieser Patentschrift werden weitere Zumesssysteme in Betracht gezogen und gewürdigt.

DE 10 2008 010 073 B4 zeigt eine Hubkolbenpumpe sowie ein System zum Dosieren eines Fluids, die aber nicht durch Kraftvergleich druckregelnd arbeitet, sondern im Wesentlichen unabhängig vom Auslassdruck Volumen verdrängt. Lediglich durch eine Leckage ergibt sich eine gewisse Druckabhängigkeit der Förderung. Auch die beschriebene Zwischenstellung ist nicht auf eine

Druckregelung durch Verdrängung, sondern auf eine Beeinflussung des

Leckagestroms ausgelegt. Insbesondere vermag das beschriebene System in der Zwischenstellung nicht einen gleichbleibenden Druck in der der Pumpe nachgeschalteten Auslassleitung bereitzustellen bzw. durch Regelung einen solchen Druck einzustellen. DE 101 47 172 A1 zeigt eine Hubkolbenpumpe für einfrierende Medien, die außer der Rückstellfeder noch zwei weitere Federn aufweist, die dazu dienen, Grundkörper in das Pumpengehäuse zu drücken und beim Einfrieren des Mediums nachzugeben, um eine Beschädigung der Pumpe zu verhindern. Ein solcher Einfrierschutz stellt keine Druckregelung dar, zumal so nur sehr geringe Mengen kompensiert werden können, denn im Normalbetrieb, wenn die Pumpe tatsächlich fördert, findet ein solches Ausweichen nicht statt. Abgesehen von diesem Sicherheitsmerkmal handelt es sich um eine Dosierpumpe, die gesteuert verdrängend, und nicht durch Kraftvergleich druckregelnd arbeitet.

DE 10 2007 039 794 A1 beschreibt eine Dosierpumpe und ihr Ansteuerverfahren. Die Dosierpumpe ist dazu eingerichtet, einstellbare Einzelfördermengen zu verdrängen, wobei aber die Einzelfördermengen durch die

Ansteuerdauer gesteuert und nicht durch den Auslassdruck geregelt werden. Zusätzlich ist vorgesehen, die effektive Fördermenge durch ein Zusammenwirken von Ansteuerung, Dosierpumpe und Dosierventil zu verändern, wobei keine Druckregelung vorliegt.

EP 1 731 761 B1 beschreibt eine Dosierpumpe mit einem Kapseldämpfer. Die Dosierpumpe arbeitet immer im Vollhub, also nicht druckregelnd. Der Dämpfer beeinflusst den Druck nur kurzzeitig, den zeitlichen Mittelwert des Drucks kann der Dämpfer nicht beeinflussen.

Als druckregelnde Pumpen sind aus der Praxis bisher nur rotierende Pumpen bekannt, und zwar zum einen als Bauform mit direkt wirkender Druckregelung und zum anderen als Bauform mit indirekt wirkender Druckregelung.

Rotierende Pumpen mit direkt wirkender Druckregelung weisen einen

Stellzylinder auf, in dem der Druck gegen eine starke Feder wirkt und der Kolben des Stellzylinders das nicht rotierende, aber huberzeugende Element der Pumpe, die Schrägscheibe oder den Hubring, verstellt. Mit diesen Pumpen wird in der Regel keine ideale Druckregelung erzielt, aber meist eine

ausreichende. Rotierende Pumpen mit indirekt wirkender Druckregelung weisen ein Druckregelventil, auch Kompensator genannt, auf, das die Druckkraft mit einer Federkraft vergleicht und in der Abhängigkeit von dem Fehler einen Fluidstrom zu einem Verstellzylinder oder von diesem zum Rücklauf freigibt, wobei der Verstellzylinder das huberzeugende Element der Pumpe verstellt. Diese Pumpen weisen eine genauere Druckregelung auf, sind aber teurer und komplexer.

Alle bisher bekannten Zumesssysteme sind entweder in ihrer Herstellung recht aufwendig, oder weisen eine recht geringe Genauigkeit der Zumessung auf, oder lassen eine Beeinflussung des Drucks nicht zu.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein mit geringem Aufwand herstellbares Zumesssystem bzw. Verfahren anzugeben, das eine hohe Genauigkeit der Mengenzumessung und eine Beeinflussung des Drucks bei der Zumessung ermöglicht. Die Beeinflussung des Drucks dient nicht nur zur Verbesserung der Genauigkeit der Zumessung bei veränderten Umgebungsbedingungen, sondern auch zur Erzielung günstiger Einspritzverhältnisse, nämlich der

Strahlform und der Tröpfchenverteilung im Strahl, bei veränderten

Prozessbedingungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgfemäß durch ein fluidisches Zumesssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen

Ansprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der technischen Lehre der Erfindung.

Das erfindungsgemäße System enthält eine direkt wirkende Hubkolbenpumpe, die ohne ein regelndes Ventil den Druck in der Auslassleitung regelt, nur durch die kraftbegrenzte Verdrängung. Auch hier ist die Regelung nicht perfekt, denn der zur Regelung verwendete Kraftvergleich findet zwischen der Druckkraft am Kolben und der Kraft der Rückstellfeder statt, und die Federkraft ist abhängig vom Hub. Selbst mit einer sehr geringen Federsteifigkeit und entsprechend langen Feder lässt sich dieser Einfluss nicht vermeiden. Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine Berücksichtigung dieser geringen, aber messbaren Abhängigkeit des Regeldrucks von dem Kolbenhub im zeitlichen Mittel. Ferner wird eine entsprechnde druckregelnde Pumpe angegeben.

Die druckregelnde Ausgestaltung der Pumpe erfolgt durch eine Abtimmung Kräfte der Pumpe - im wesentlichen die Rückstellkraft einer vorspannenden

Feder, aber auch der wirksamen Kolbenflächen - derart, dass bei Erreichen des Solldrucks der Kolben der Pumpe nicht mehr in Schließstellung verlagert wird, sondern - ohne Energiezufuhr, also z.B. ohne Erregung der Spule eines

Elektromagneten - quasi schwebend in einer die Feder teilweise

komprimierenden Gleichgewichtslage verharrt.

Mithin beträgt die Verdrängung der Pumpe nicht das in dem entsprechenden Verdrängerraum bereitgestellte Volumen, sondern ist durch den Druck im Förderraum und damit durch die Kraft der Feder begrenzt.

Vorzugsweise kann der verbleibende Regelfehler mit Hilfe der elektrischen Pumpenansteuerung genauer ausgeregelt werden. Alternativ kann der verbleibende Regelfehler genutzt werden, um eine bedarfsgerechte

Feineinstellung des Drucks zur Kompensation anderer Einflüsse zu erreichen. Dazu wird in beiden Fällen die Tatsache genutzt, dass der Kolbenhub im zeitlichen Mittel auch von der Ansteuerfrequenz abhängig ist, weil der

Pumpenkolben nach dem Einschalten des Elektromagneten immer ganz in seine hintere Endlage fährt, aber nach dem Ausschalten nur bedarfsgerecht bis zum Erreichen des Kräftegleichgewichts vorfährt. Bei höherer Frequenz ergeben sich kürzere Hübe, und die Mittellagen der Kolbenbewegung liegen näher bei der hinteren Endlage. Wegen dieser Asymmetrie ergibt sich eine geringe, aber nutzbare Abhängigkeit des mittleren Drucks von der Ansteuerfrequenz. Die Verwendung einer Kolbenpumpe, die durch eine selbsttätige Anpassung des wirksamen Kolbenhubs nur soviel Fluid fördert, wie es zum Erreichen und Aufrechterhalten eines vorbestimmten Drucks im Auslass der Pumpe

erforderlich ist, ist von Rotationspumpen bekannt, aber nicht von Hubkolbenpumpen, die von einem Magneten angetrieben sind. Die

Verwendung dieser Pumpe bewirkt, dass auch ohne den Einsatz anderer druckregelnder oder druckbegrenzender Ventile ein annähernd konstanter Druck in der Leitung zwischen der Pumpe und dem Zumessventil erreicht wird, solange die Pumpe bedarfsgerecht angesteuert wird.

Der sich ergebende Druck ist bei der hier eingesetzten druckregelnden

Hubkolbenpumpe annähernd konstant, bei genauerer Betrachtung aber eine Funktion des Kolbenhubs H. Dieser Kolbenhub aber ist nicht oder nur sehr aufwendig beobachtbar und nicht unmittelbar steuerbar, er ergibt sich bei Vernachlässigung der volumetrischen Verluste aus dem beobachtbaren

Verbrauchsvolumenstrom Q, der bekannten Kolbenfläche A und der

steuerbaren Ansteuerfrequenz F: H = Q / (A ^* F)

Dieser funktionale Zusammenhang kann zur Feinsteuerung des Drucks benutzt werden, wenn der funktionale Zusammenhang zwischen dem Hub und dem Druck bekannt und in der Ansteuerung abgelegt ist. Dann kann die Frequenz, die in einem beschreibbaren Bereich variabel ist, als Stellgröße für den Druck verwendet werden.

Der Druck soll zum Beispiel gesteuert werden, um bei unterschiedlichen

Umgebungsbedingungen und unterschiedlichen Öffnungszeiten des

Zumessventils die Strahlform hinter der Düse und die Tröpfchenverteilung der eingespritzten Flüssigkeit zu optimieren. Die Zusammenhänge werden in Versuchsreihen oder in Simulationsrechnungen ermittelt, in Kennfelder umgesetzt und durch die elektrische Ansteuerung angewandt, indem die Ansteuerfrequenz der Hubkolbenpumpe abhängig von der Einspritzmenge und von gemessenen Prozessparametern verändert wird.

Wenn der Druck für die Einspritzbedingungen nicht variiert werden, sondern möglichst genau konstant gehalten werden soll, wird die Abhängigkeit des Drucks von der Frequenz genutzt, um kleine Abweichungen des Drucks, die sich zum Beispiel aus der Temperatur ergeben, auszuregeln oder steuernd zu korrigieren. Wenn der Druck im geschlossenen Regelkreis ausgeregelt werden soll, muss der Druck selbst oder eine mit dem Druck verknüpfte Prozessvariable mittels eines Sensors gemessen werden. Wenn der Druck in einer offenen Steuerkette korrigiert werden soll, muss ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Störgröße und dem Fehler im Druckwert bekannt sein, in der Ansteuerung abgelegt sein und bei der Festlegung der Frequenz in der Ansteuerung berücksichtigt werden. Im Fall einer Änderung des Förderstroms als Störgröße ist das einfach zu beschreiben (siehe oben), für andere

Störgrößen müssen Versuchsreihen oder Simulationsrechnungen den funktionalen Zusammenhang ergeben.

Im Sinne einer möglichst geringen Beeinflussung der Einspritzbedingungen durch zufällige Druckänderungen ist es vorteilhaft, die Arbeitsweise der Pumpe auf die Betätigung des Zumessventils zeitlich abzustimmen, insbesondere den Hubmagneten der Pumpe nicht zu betätigen, wenn das Zumessventil geöffnet ist. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, einen zeitlichen Sicherheitsabstand zwischen der jeweils letzten Betätigung des Hubmagneten und der

Ansteuerung des Zumessventils einzuhalten.

In jedem geschlossenen System, in dem Fluide durch eine Pumpe gefördert werden, muss ein geeignetes Mittel zur Begrenzung des Drucks vorhanden sein. Meist wird dazu ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen. Hier kann in vorteilhafter Weise die druckregelnde Eigenschaft der Pumpe genutzt werden, um einen unzulässigen Anstieg des Drucks infolge einer den Bedarf

übersteigenden Förderung des Fluids zu verhindern. Steigt der Druck aus andern Gründen, zum Beispiel temperaturbedingt, unzulässig hoch an, so bewirken die Leckagepfade in der Pumpe, dass der Druck allmählich wieder abgebaut wird. Diese Leckagepfade sind in den Rückschlagventilen der Pumpe vorgesehen. Somit kann auf ein Druckbegrenzungsventil verzichtet werden. Nach einem Abstellen des Systems ist es in vielen Anwendungen erforderlich, dass der Druck abgebaut wird, um unerwünschte Abflüsse von Fluid in das nachgeordnete System zu vermeiden. Dazu wird in vielen Fällen ein

Ablassventil verwendet. Hier kann auf dieses Ablassventil verzichtet werden, weil die Leckagepfade in der Pumpe das Fluid in den Vorratsbehälter

zurückfließen lassen.

Für eine störungsfreie und geräuscharme Funktion des Systems ist es vorteilhaft, wenn durch den Betrieb der Pumpe möglichst geringe

Druckpulsationen erzeugt werden. Die druckregelnde Hubkolbenpumpe der gewählten Bauart weist ohnehin vergleichsweise kleine Druckpulsationen auf, aber diese lassen sich noch weiter vermindern, wenn man die Pumpe mit einem Dämpfer ausrüstet, der in den auslasseitigen Verdrängerraum der Pumpe integriert ist. Damit entfällt die Notwendigkeit, im Leitungssystem einen Dämpfer vorzusehen oder die Leitungen als Dämpfungsschläuche

auszuführen.

Das beschriebene Zumesssystem lässt sich in vorteilhafter und kostengünstiger Weise in Heizungsanlagen und in Abgasanlagen einsetzen. Insbesondere in Abgasanlagen stellt sich häufig die übergeordnete Anforderung, die Einspritzmenge und die Strahlform beim Einspritzen veränderlichen Prozessparametern anzupassen, das ist mit den hier beschriebenen Mitteln mit geringem Aufwand möglich. In einigen solchen Anlagen werden auch Flüssigkeiten verarbeitet, die in dem spezifizierten Temperaturbereich einfrieren können, wenn die Anlage nicht betrieben wird. Die druckbegrenzenden und druckabbauenden Merkmale des hier beschriebenen Zumesssystems sind geeignet, die Anlage beim

Einfrieren der Flüssigkeit vor Schäden zu schützen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl in dem vorstehend erläuterten System als auch bezüglich einer einzelnen Pumpe eingesetzt werden. Hiebei erfolgt eine Regelung des Drucks in dem Auslass der Pumpe auf einen

Solldruck. Hierzu wird vorteilhaft der - zwar in erster Näherung konstante, tatsächlich aber mit zunehmender Kompression in etwa linear zunehmende - Verlauf der Federkraft über die Kompression der Feder genutzt, um den genauen Druck einzustellen, indem die bei Erhöhung der Frequenz

zunehmende Kompression genutzt wird, um den Druck zu erhöhen. Weitere Vorteile, Eigenschaften, Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden

Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 beschreibt ein erfindungsgemäßes Zumesssystem mit seinen

Schnittstellen.

Fig. 2 beschreibt eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer

druckregelnden Hubkolbenpumpe.

Fig. 3 beschreibt den funktionalen Zusammenhang zwischen der

Frequenz, dem Förderstrom, dem Hub des Kolbens und dem

Druck. Das in Fig. 1 beschriebene Zumesssystem 1 besteht aus einem Vorratsbehälter 2 für das zuzumessende Fluid, einer Pumpe 3, einer Leitung 4, die aus mehreren Teilleitungen bestehen kann, einem Zumessventil 5 und einer Düse 6 und einer elektrischen Ansteuerung 7. Die elektrische Ansteuerung 7 steht elektrisch mit einer Stromversorgung 8 und einem übergeordneten elektrischen Steuersystem 9 in Verbindung, außerdem ist an ihr ein Sensor 10

angeschlossen, der einen wesentlichen Prozessparameter des mit dem Fluid zu beaufschlagenden Prozesses erfasst.

Auf dieses System 1 wirken diverse variable Umweltbedingungen, wie zum Beispiel die Umgebungstemperatur und die Dichte der Luft, ein: Die Spannung der elektrischen Versorgung 8 ändert sich in gewissen Grenzen, das

übergeordnete elektrische Steuersystem 9 erteilt Steuerbefehle und

insbesondere zeitlich variable Mengenvorgaben für das Zumessen an die elektrische Ansteuerung 7 und der mit dem Fluid beaufschlagte Prozess reagiert darauf mit der Veränderung eines wesentlichen Prozessparameters, der durch den Sensor 10 gemessen und an die elektrische Ansteuerung 7 gemeldet wird. Der Prozess ist auch Störungen ausgesetzt, die von dem Sensor 10 erfasst werden und an die elektrische Ansteuerung gemeldet werden.

Das Zumesssystem ist mit einer Hubkolbenpumpe 3 gemäß Fig. 2 versehen, die durch eine selbsttätige druckgesteuerte Anpassung des Kolbenhubs ihre Fördermenge dem Bedarf des Zumesssystems anpasst. Dazu zieht ein in dieser Pumpe 3 enthaltener Elektromagnet 11 periodisch einen Kolben 12 gegen einen Anschlag, und eine Rückstellfeder 13 drückt den Kolben wieder zurück. Bei der ersten Bewegung wird der auslassseitige Verdrängerraum mit Fluid gefüllt, bei der zweiten Bewegung wird Fluid über einen Auslass 7 in die Leitung 4 verdrängt. Die Rückschlagventile 14 und 15 in der Pumpe stellen sicher, dass das Fluid nicht in den Vorratsbehälter 2 zurückfließt.

Die Rückstellfeder 13 ist so bemessen, dass sie den Kolben 12 nur solange zurückdrücken kann, bis der durch die Fluidverdrängung ansteigende Druck in der Leitung 4 einen vorbestimmten Grenzwert erreicht oder überschreitet. Wird dieser Grenzwert für den Druck erreicht, ist kein zurückstellender Überschuss der Federkraft über die auf den Kolben 12 zurückwirkende Druckkraft mehr vorhanden und die Rückstellbewegung und damit die Fluidverdrängung kommen zum Stillstand. Damit ergibt sich eine selbsttätige Druckregelung für die Leitung 4.

Der recht genau geregelte Druck ermöglicht einen entsprechend sicheren Betrieb des Zumessventils 5. Die Genauigkeit der oben beschriebenen

Druckregelung ist aber durch die Maßungenauigkeit und die ungenaue

Federvorspannung der Rückstellfeder 13 beeinträchtigt, deshalb ist es vorteilhaft, dass die Federvorspannung eingestellt werden kann, um die Ungenauigkeiten zu kompensieren. Dies erfolgt vorliegend über eine

Korrekturfeder 18, die mit der Rückstellfeder 13 eine resultierende Rückstellkraft auf den Kolben 12, der mit einem Anker 19 des Magnetantriebes verbunden ist, aufbringt.

Zusätzlich wird aber die Genauigkeit der Druckregelung betriebsbedingt durch die Federsteifigkeit der Rückstellfeder 13 und den variablen Hub des Kolbens 12 beeinträchtigt, es ergibt sich ein recht präzise durch einen funktionalen Zusammenhang beschreibbarer Einfluss des Kolbenhubs auf den Druck, wie in Fig. 3 beschrieben. In Fig. 3 werden der Druck p₄ in der Leitung 4 - der dem Druck im Auslass 17 entspricht - und der Förderstrom Q der Pumpe 3 auf der senkrechten Achse sowie der Kolbenhub H auf der waagrechten Achse aufgetragen. Es werden zwei Betriebspunkte mit derselben Fördemenge Q = const, aber mit unterschiedlicher Frequenz f betrachtet: Kurve A zeigt den Volumenstrom bei 1-facher Frequenz; Kurve B zeigt den Volumenstrom bei 2- facher Frequenz. Bei der höheren Frequenz gemäß Kurve B ergibt sich ein deutlich geringerer Hub H und damit ein höherer Druck p₄, weil die

Rückstellfeder 13 weniger entspannt wird. Die entsprechende Differenz bzw. Druckänderung ist als Δρ eingetragen und ist abhängig von der Federkennlinie.

Es ist zu beachten, dass die Kompression der Feder 13 mit zunehmenden Kolbenhub H in Fig. 3 abnimmt. Mithin entspricht in Fig. 3 der maximale

Ausschlag des Kolbenhubs mit H=0 bei Erregung der Spule der maximalen Kompression der Feder 13, während der vollständig zurückgefahrene Kolben bei H=3,5 der im System vorgesehenen minimalen Kompression der Feder entspricht.

Die vorstehend beschriebene Regelung des Drucks ist aber besonders bevorzugt vorteilhaft möglich, ohne die an die Spule 11 angelegte Stomstärke oder Spannung zu verändern. Denn nicht nur die bereitgestellte Spannung, beispielsweise die Bordspannung in einem Fahrzeug, schwankt, sondern auch die Temperatur und damit die Stromstärke, mit der die Spule 11 erregt wird, wodurch diese Größe nicht geeignet ist, eine Regelung vorzunehmen, vielmehr ist die elektromagnetische Pumpe so ausgelegt, dass selbst bei schwacher . bereitgestellter Leistung das Erregen der Spule einen Anschlagen des des Kolbens 12 am in Förderrichtung hinteren Anschlag bewirkt. Auch ist Feder 13 im eingebauten Zustand zumindest soweit vorgespannt, dass ihre Vorspannung ausreicht, um den Kolben 12 in seine in Förderrichtung vordere Endposition zu verlagern. Hierdurch ist ferner erreicht, dass der Verlauf der Federkraft im betrachteten Bereich in etwa linear ist; es versteht sich, dass Linearität aber keine zwingende Voraussetzung ist.

Der Kolbenhub ist im Betrieb nur sehr aufwendig zu messen, aber er ergibt sich bei Vernachlässigung der Leckageverluste aus dem Förderstrom und der Ansteuerfrequenz, kann also bei bekanntem Förderstrom und bekannter Frequenz ebenfalls als bekannt angesehen werden. Der Förderstrom ergibt sich aus dem Druck p₄ in der Leitung 4 und der relativen Öffnungszeit des Zumessventils 5.

Da der funktionale Zusammenhang des Einflusses des Kolbenhubs auf den Druck vorher ermittelt wurde, regelt die elektrische Ansteuerung eine

Abweichung des Drucks durch eine Veränderung der Frequenz des Ansteuersignais wieder aus. Daneben wird dieser funktionale Zusammenhang auch genutzt, um den Druck in geringem Maße gezielt zu verändern. Dies geschieht, um den Einfluss von Veränderungen der Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel der Temperatur auf die Ausbildung des von der Düse 6 erzeugten Strahls zu kompensieren. Dazu muss der funktionale Zusammenhang zwischen der Temperatur, dem Druck und der zusammengesetzten Wirkung auf den Strahl bekannt sein und in der Ansteuerung 7 als Tabelle abgelegt sein.

Die Veränderung der Frequenz des Ansteuersignais durch die elektrische Ansteuerung 7 findet ihre Grenze in der Bedingung, dass der Magnet 11 der Pumpe 3 und das Zumessventil 5 nicht gleichzeitig aktiviert sein sollen. Damit wird verhindert, dass der Druckeinbruch, der bei der Aktivierung des Magneten 11 gegebenenfalls eintritt, sich auf das Zumessventil 3 und die Düse auswirkt. Der Druckeinbruch entsteht, wenn während des Spannens der Rückstellfeder 13 durch den Magneten 11 gleichzeitig durch das Zumessventil Fluid aus der Leitung 4 entnommen wird.

Da die Pumpe 3 den Druck in der Leitung 4 selbsttätig regelt, ist zur

Begrenzung des von der Pumpe 3 selbst aufgebauten Drucks kein zusätzliches Druckbegrenzungsventil erforderlich. Damit auch temperaturbedingte Druckerhöhungen nicht zu unzulässigen Drücken in der Leitung 4 führen, ist die Pumpe 3 mit Leckagepfaden in ihren Rückschlagventilen 14, 15 versehen. Auch die Spaltabdichtung des auslassseitigen Verdrängerraums der Pumpe 3 weist eine Leckage auf, die annähernd die gleiche Größe wie die Leckage der Rückschlagventile 14, 15 hat. Damit können temperaturbedingte Drucküberschreitungen im zulässigen Bereich begrenzt werden, denn temperaturbedingte Druckerhöhungen können nur sehr langsam erfolgen. Die oben beschriebenen Leckagepfade in der Pumpe bewirken auch, dass nach einem Abstellen des Zumesssystems sich der Druck in der Leitung 4 langsam abbauen kann. Damit ist gewährleistet, dass das System nach einiger Zeit drucklos ist und dass keine Gefahr eines unerwünschten Ausfließens des Fluids besteht. Das beispielhafte System wird durch den in die Pumpe integrierten Dämpfer 16 vor Druckpulsationen geschützt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Fluidisches Zumesssystem (1), umfassend

eine durch Elektromagneten (11) mit einer Spule angetriebene Hubkolbenpumpe (3),

eine elektrische Ansteuerung (7),

mindestens eine Leitung (4), und

ein der Hubkolbenpumpe (3) nachgelagertes Zumessventil (5), dadurch gekennzeichnet,

dass die Pumpe (3) druckregelnd ausgebildet ist und eine durch eine

Kraft begrenzte Verdrängung aufweist,

dass die Pumpe (3) so aufgebaut ist, dass sich eine definierte

funktionale Abhängigkeit des Druckes von dem Hub des Kolbens (12) und eine weitere funktionalen Abhängigkeit des Kolbenhubs von der

Ansteuerfrequenz und dem Verbrauchsvolumenstrom ergibt,

wobei das Ansteuersignal von der elektrischen Ansteuerung (7) an die

Pumpe (3) ein gepulstes Signal des Stroms durch die Spule ist, oder der

Spannung, die an der Spule der Hubkolbenpumpe anliegt ist.

System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung (7) so gestaltet und/oder so programmiert ist, dass die funktionale Abhängigkeit des Drucks von der Frequenz des

Ansteuersignais mittels Rechenformeln oder Kennfeldern genutzt wird, um den Druck in der Leitung (4) auch beim Auftreten von Störungen wie zum Beispiel Temperaturänderungen möglichst genau konstant zu halten,

wobei die Stellgröße dabei die Frequenz des Ansteuersignais der elektrischen Ansteuerung (7) an die Pumpe (3) ist.

Ansteuersignais mittels Rechenformeln oder Kennfeldern genutzt wird, um den Druck in der Leitung (4) entsprechend dem aus den

Prozessparametern des nachgeordneten Teilsystems ermittelten Bedarf zu variieren,

4. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung (7) so gestaltet und/oder programmiert ist, dass die

Ansteuerung der Hubkolbenpumpe (3) nur in einem periodisch sich wiederholendem Zeitfenster erfolgt, in dem das Zumessventil (5) nicht angesteuert wird.

System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung (7) so gestaltet und/oder programmiert ist, dass ein vorgegebener Zeitabstand zwischen der letzten Ansteuerung der

Hubkolbenpumpe (3) in dem Zeitfenster und der Ansteuerung des Zumesssystems (5) eingehalten wird.

System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Begrenzung des Drucks in diesem System durch die Eigenschaften der Pumpe (3) erfolgt, nämlich der druckregelnden Eigenschaften der Pumpe und der Leckage der Ventile (14) und (15) in der Pumpe.

System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abfall des Drucks nach dem Abschalten des Systems durch die Eigenschaften der Pumpe (3) erfolgt, nämlich durch die Leckage der Ventile (14) und (15) in der Pumpe.

System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige Bedämpfung der Druckimpulse durch den Dämpfer (16) in der Pumpe (3) und die dämpfende Wirkung der Leitung (4) erfolgt. Verfahren zur Regelung des Drucks (p) eines Fluids, das von einer elektromagnetischen Pumpe (3), insbesondere einer Hubkolbenpumpe, in einen Auslass (17) der Pumpe (3) abgeliefert wird,

wobei eine funktionale Abhängigkeit des Drucks (p) von einer Frequenz

(f) eines Ansteuersignais (A, B) mittels gepeicherter Daten, wie

Rechenfeldern und Kennfeldern, genutzt wird, um den Druck im Auslass

(17) auf einen voreinstellbaren Solldruck zu regeln,

wobei die Stellgröße dabei die Frequenz (f) des Ansteuersignais einer elektrischen Ansteuerung (4) an die Pumpe (3) ist.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der

Solldruck im Auslass (17) auch beim Auftreten von Störungen, wie beispielsweise Temperaturänderungen, durch entsprechende Einstellung der Frequenz möglichst genau konstant gehalten wird.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der

Solldruck im Auslass (17) entsprechend einer aus Prozessparametern des nachgeordneten Teilsystems ermittelten Bedarf eingestellt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Pumpe (3) einen durch Elektromagneten

(11) mit einer Spule angetriebenen Kolben (12) aufweist,

dass der Kolben (12) durch Erregung der Spule auf Grund einer elektrischen Ansteuerung (7) entgegen der Förderrichtung unter

Vorspannung einer Rückstellfeder (13) auslenkbar ist,

dassder Druck in dem Auslass (17) druckregelnd eingestellt ist durch die gewählte Federkraft der Rückstellfeder (13), und

dass der Rückhub des Kolbens (12) durch Entnahme von Fluid aus dem

Auslass (17) veranlasst wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine

Schwankung der Kraft der Rückstellfeder (13) über deren Kompression eine Änderung des Drucks (p) im Auslass (17) bewirkt, und dass die Ansteuerung (7) den Magneten mit einer solchen Frequenz erregt, dass der Kolben (12) sich im Bereich einer gewünschten Federkompression bewegt und einen entsprechenden Druck (p) im Auslass (17) einstellt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz so gewählt ist, dass der sich durch die Kraft der komprimierten Rückstellfeder (12) ergebende Druck in dem Auslass (17) und in einem mit dem Auslass (17) in Fluidverbindung stehenden

Verdrängerraum der Pumpe (3) einen voreinstellbaren Mindestdruck nicht unterschreitet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Auslass (17) gemessen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Auslass (17) dadurch berechnet wird, dass das dem Auslass (17) entnommene Fluidvolumen ermittelt und die hierdurch eintretende Druckänderung berechnet wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung nur erfolgt, solange kein Fluid aus dem Auslass (17) entnommen wird.

Pumpe, umfassend

einen durch die Kraft einer Feder (13) beaufschlagten Kolben (12), der Fluid in Richtung auf einen Auslass (17) fördert und das Fluid entsprechend der Federkraft beaufschlagt, und

einen Antrieb, dessen Frequenz durch eine Ansteuerung (7) zur

Einstellung der Federkraft veränderbar ist.