DE102008057365B4

DE102008057365B4 - Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetisch betriebenen Dosierpumpe mit Anschlagdämpfung

Info

Publication number: DE102008057365B4
Application number: DE102008057365.5A
Authority: DE
Inventors: Arne Fischer; Marcel Scharla
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2028-11-15
Also published as: DE102008057365A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Dosierpumpe, insbesondere zum Fördern von Brennstoff zu einem Fahrzeugheizgerät, einem Reformer oder dergleichen, die Dosierpumpe (10) umfassend einen Pumpenkolben (12), welcher zwischen zwei durch Anschlaganordnungen (20, 26) definierten Endstellungen hin- und herbewegbar ist und bei der Hin- und Herbewegung das Volumen einer Pumpkammer (16) zum Aufnehmen und Ausstoßen von zu förderndem Fluid verändert, wobei dem Pumpenkolben (12) eine Vorspannanordnung (28) zugeordnet ist zum Erzeugen einer den Pumpenkolben (12) in Richtung einer ersten Endstellung vorspannenden Vorspannkraft (FV) und wobei dem Pumpenkolben (12) eine Antriebsanordnung (30) zugeordnet ist zum Erzeugen einer den Pumpenkolben (12) entgegen der Vorspannkraft (FV) in Richtung zur zweiten Endstellung bewegenden Antriebskraft (FA), wird die Antriebsanordnung (30) angesteuert, um bei Bewegung des Pumpenkolbens (12) in Richtung zur ersten Endstellung eine der Vorspannkraft (FV) entgegenwirkende Bremskraft (FB) zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Dosierpumpe, mit welcher beispielsweise bei einem Fahrzeugheizgerät flüssiger Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir zu einem Brennerbereich gefördert werden kann oder derartiger Brennstoff bzw. Kohlenwasserstoff zu einem Reformer gefördert werden kann, um dort ein in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie umsetzbares Reformat bereitzustellen.
Aus der DE 10 2004 034 231 A1 ist eine Dosierpumpe zum Fördern von Kraftstoff bekannt, deren prinzipieller Aufbau nachfolgend mit Bezug auf die 1 erläutert wird.
Bei dieser Brennstoffdosierpumpe 10 ist ein als Hubkolben ausgebildeter Pumpenkolben 12 in einem Zylinder 14, wie durch einen Pfeil P angedeutet, in zwei Richtungen hin und her bewegbar. Bei dieser Hin- und Herbewegung wird das Volumen einer in dem Zylinder 14 gebildeten Pumpkammer 16 verändert. Bewegt sich der Pumpenkolben 12 in der Darstellung der 1 nach links zum Vergrößern des Volumens der Pumpkammer 16, so wird über eine Einlassöffnung 18 die zu fördernde Flüssigkeit in der Pumpkammer 16 aufgenommen. Dieser Vorgang dauert an, bis der Pumpenkolben 16 an einer ersten Anschlaganordnung 20 in einer ersten Endstellung zur Anlage kommt. In diesem Zustand schließt der Pumpenkolben 12 eine im Bereich der ersten Anschlaganordnung 20 gebildete Zuführleitung 22 ab.
Bewegt sich der Pumpenkolben 12 dann in der entgegengesetzten Richtung, verringert sich das Volumen der Pumpkammer 16. Ab dem Zeitpunkt, zu dem der Pumpenkolben 12 sich über die Einlassöffnung 18 hinweg bewegt hat, ist die Pumpkammer 16 zum Einlassbereich hin abgeschlossen, und eine weitere Verringerung des Volumens der Pumpkammer 16 führt dazu, dass die darin enthaltene Flüssigkeit durch eine Auslassöffnung 24 ausgestoßen wird. Die Bewegung des Pumpenkolbens 12 in dieser Richtung kann andauern, bis dieser in Anlage an einer zweiten Anschlaganordnung 26 kommt, welche eine zweite Endstellung des Pumpenkolbens 12 definiert.
Die Bewegung des Pumpenkolbens 12 zwischen seinen beiden Endstellungen wird durch eine Vorspannanordnung 28 einerseits und eine Elektromagnetanordnung 30 andererseits realisiert. Die Vorspannanordnung 28 umfasst beispielsweise eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Vorspannfeder 32. Diese spannt den Pumpenkolben 12 in Richtung zur ersten Endstellung, also in Richtung zur ersten Anschlaganordnung 20 vor. Hierzu erzeugt die Vorspannanordnung 28 eine Vorspannkraft F_V.
Die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung wird durch Erregung eines feststehenden Spulenbereichs 34 der Elektromagnetanordnung 30 erzeugt. Bei Erregung des Spulenbereichs 34 tritt dieser in magnetische Wechselwirkung mit einem am Pumpenkolben 12 vorgesehenen oder durch diesen bereitgestellten Ankerbereich 36. Es wird dabei eine den Pumpenkolben 12 in Richtung zum zweiten Anschlagbereich 26 entgegen der Vorspannkraft F_V bewegende Antriebskraft F_A erzeugt. Diese ist, wie die 1 dies veranschaulicht, grundsätzlich größer als die Vorspannkraft F_V, welche wiederum selbstverständlich abhängt vom Kompressionsgrad der Vorspannfeder 32.
Bei jedem Arbeitstakt des Pumpenkolbens 12, also jeder Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens 12, schlägt der Pumpenkolben 12 zwei Mal an. Der erste Anschlag erfolgt an der zweiten Anschlaganordnung 26 am Ende eines Ausstoßhubes. Um den Anschlag zu dämpfen, kann die zweite Anschlaganordnung ein elastisches Dämpfungselement 38 umfassen, gegen welches der Pumpenkolben 12 bei Erreichen seiner zweiten Endstellung anstößt. Der zweite Anschlag erfolgt bei der Zurückbewegung, also bei der Bewegung in Richtung auf die erste Anschlaganordnung 20 zu. Auch dort kann ein elastisches Dämpfungselement 40 vorgesehen sein. Die beiden Dämpfungselemente 38, 40 dämpfen die Anschlaggeräusche, können diese jedoch nicht vollständig eliminieren. Insbesondere bei der Erregung der Spulenanordnung 30 werden daher Maßnahmen ergriffen, um dafür zu sorgen, dass ein möglichst sanfter Übergang des Pumpenkolbens 12 in den Anschlagzustand bei Erreichen der zweiten Endstellung erhalten wird. Hierzu ist es beispielsweise aus der DE 10 2005 024 858 A1 bekannt, im Verlaufe der Erregung der Spulenanordnung 30 vermittels einer gepulsten Spannung den Spulenstrom zu erfassen und daraus Information über das Erreichen der zweiten Endstellung zu erlangen. In Abhängigkeit von dieser Information kann in nachfolgenden Arbeitstakten dann die gepulste Spannung derart an den Spulenbereich 34 angelegt werden, dass das Erregen dann beendet wird, wenn auch die zweite Endstellung erreicht ist.
Durch derartige gezielte Eingriffe in die Ansteuerung der Spulenanordnung 30 zum Modifizieren der Antriebskraft F_A wird es möglich, die bei Erreichen der zweiten Endstellung entstehenden Anschlaggeräusche auch in Verbindung damit, dass dort das Dämpfungselement 38 vorgesehen ist, deutlich zu reduzieren. Dies führt jedoch dazu, dass das bei Erreichen der ersten Endstellung auftretende Anschlaggeräusch stärker in den Vordergrund tritt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die beiden Anschläge an der zweiten Anschlaganordnung 26 einerseits und darauf folgend an der ersten Anschlaganordnung 20 andererseits in vergleichsweise kurzer Zeitabfolge auftreten und somit eine zeitliche Auflösung dieser beiden Anschläge bzw. der dabei entstehenden Geräusche praktisch nicht möglich ist. Durch das Mindern der bei Erreichen der zweiten Endstellung entstehenden Anschlaggeräusche treten entsprechend die bei Erreichen der ersten Anschlaganordnung bzw. ersten Endstellung entstehenden Geräusche stärker in den Vordergrund.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Dosierpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 28 22 442 B1 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird zum Bewegen eines Pumpenkolbens in einer Ausstoßrichtung dieser durch Erregung einer Elektromagnetanordnung entgegen der Vorspannwirkung einer Rückstellfeder verschoben. Während eines nachfolgenden Ansaugtakts bewegt sich der Pumpenkolben, der Kraftwirkung der Vorspannfeder folgend, in entgegengesetzter Richtung. Um eine Verzögerung dieses Arbeitstakts zu erreichen, wird an die Elektromagnetanordnung eine allmählich abnehmende Spannung angelegt, um, einhergehend mit der allmählich abnehmenden Rückstellkraft der Vorspannfeder, eine entsprechend allmählich abnehmende und den Pumpenkolben abbremsende Magnetkraft zu generieren.
Es ist die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Dosierpumpe vorzusehen, mit welchem die im Pumpbetrieb entstehenden Geräusche in leicht realisierbarer Weise weiter gemindert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Dosierpumpe, insbesondere zum Fördern von Brennstoff zu einem Fahrzeugheizgerät, einem Reformer oder dergleichen, gemäß Anspruch 1. Die Dosierpumpe umfasst einen Pumpenkolben, welcher zwischen zwei durch Anschlaganordnungen definierten Endstellungen hin- und herbewegbar ist und bei der Hin- und Herbewegung das Volumen einer Pumpkammer zum Aufnehmen und Ausstoßen von zu förderndem Fluid verändert, wobei dem Pumpenkolben eine Vorspannanordnung zugeordnet ist zum Erzeugen einer den Pumpenkolben in Richtung einer ersten Endstellung vorspannenden Vorspannkraft und wobei dem Pumpenkolben eine Antriebsanordnung zugeordnet ist zum Erzeugen einer den Pumpenkolben entgegen der Vorspannkraft in Richtung zur zweiten Endstellung bewegenden Antriebskraft. Die Antriebsanordnung umfasst eine Elektromagnetanordnung mit einem Spulenbereich und einem mit dem Pumpenkolben bewegbaren Ankerbereich. Bei dem Verfahren wird die Antriebsanordnung angesteuert, um bei Bewegung des Pumpenkolbens in Richtung zur ersten Endstellung eine der Vorspannkraft entgegenwirkende Bremskraft zu erzeugen, wobei die Bremskraft durch Schalten des Spulenbereichs in einen Kurzschlusszustand erzeugt wird. Bei einer Variante zum Erzeugen der Bremskraft wird eine Bremsspannung in Form wenigstens eines Bremsspannungsimpulses angelegt, wenn der Pumpenkolben sich der ersten Endstellung angenähert hat.
Bei der erfindungsgemäßen Betriebsweise einer Dosierpumpe wird die Antriebsanordnung also nicht nur genutzt, um eine Antriebskraft zu erzeugen, den Pumpenkolben also in Richtung auf seine zweite Endstellung zu zu bewegen. Vielmehr wird die Antriebsanordnung auch dazu genutzt, bei der grundsätzlich unter der Wirkung der Vorspannanordnung erfolgenden Zurückbewegung zur ersten Endstellung einen Bremseffekt zu generieren, der zur Folge hat, dass auch der Anschlag des Pumpenkolbens bei Erreichen der ersten Endstellung deutlich gedämpft werden.
Auch bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann es vorteilhaft sein, bei der Ansteuerung der Elektromagnetanordnung den tatsächlichen Bewegungsverlauf des Pumpenkolbens zu berücksichtigen. Es wird daher vorgeschlagen, dass die Bremsspannung beruhend auf dem bei Bewegung des Pumpenkolbens in Richtung auf die erste Endstellung zu fließenden Spulenstrom eingestellt wird. Der im Spulenbereich der Elektromagnetanordnung fließende Spulenstrom steht in direktem Zusammenhang mit der Bewegung des Pumpenkolbens und liefert somit Information, die genutzt werden kann, um durch entsprechende Anpassung der an den Spulenbereich angelegten Bremsspannung einen gewünschten Bewegungsverlauf einzustellen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigt:
1 den prinzipiellen Aufbau einer Dosierpumpe;
2 den zeitlichen Verlauf einer an eine Antriebsanordnung der Dosierpumpe der 1 angelegten Antriebsspannung;
3 ein der 1 entsprechendes Diagramm einer alternativen Betriebsweise.
Die im Folgenden beschriebene Vorgehensweise beim Betreiben einer Dosierpumpe kann beispielsweise zum Einsatz gelangen bei einer Dosierpumpe, wie sie aus der DE 10 2004 034 231 A1 bekannt ist bzw. auch mit Bezug auf die 1 in prinzipieller Hinsicht erläutert wurde. Es sei hier darauf hingewiesen, dass selbstverständlich in der konkreten technischen Ausführung eine derartige Dosierpumpe in verschiedensten Bereichen von der prinzipiellen Darstellung der 1 abweichen kann.
Wie vorangehend bereits dargelegt, wird zum Bewegen des Pumpenkolbens 12 in Richtung zur zweiten Endstellung, also in Richtung auf die zweite Anschlaganordnung 26 zu, durch Anlegen einer beispielsweise pulsweitenmodulierten Spannung an die Anschlüsse 42 des Spulenbereichs 34 die Antriebskraft F_A erzeugt. Dies ist im Diagramm der 2 auf der Zeitachse vor dem Zeitpunkt t_A2 veranschaulicht. Die gepulst angelegte Spannung führt grundsätzlich zu einer unter dem jeweiligen Spannungsmaximum liegenden mittleren Spannung, die wiederum zu einem hier nur hinsichtlich seines qualitativen Verlaufs dargestellten mittleren Spulenstrom I führt.
Es sei angenommen, dass, etwa zum Zeitpunkt t_A2 der Pumpenkolben 12 die zweite Endstellung, also die zweite Anschlaganordnung 26 erreicht und sich nicht weiter bewegen kann. Dies führt zu dem auch erkennbaren Anstieg des Pumpenstroms. Beispielsweise mit der in der DE 10 2005 024 858 A1 beschriebenen Vorgehensweise konnte aus dem Stromverlauf vorhergehender Arbeitstakte der Zeitpunkt des Erreichens der zweiten Endstellung ermittelt werden und insofern die Erregung des Spulenbereichs 34 so abgestimmt werden, dass mit dem tatsächlichen Erreichen der zweiten Anschlaganordnung 26 zunächst die Erregung des Spulenbereichs 34 zum Erzeugen der Antriebskraft F_A beendet wird. Dies führt dazu, dass der Spulenstrom abklingt und entsprechend auch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Spulenbereich 34 und dem Ankerbereich 36 abnimmt. Sobald die dann vorherrschende Vorspannkraft F_V die noch vorhandene in Richtung der Antriebskraft F_A wirkende Kraft übersteigt, bewegt sich der Pumpenkolben 12 dann in Richtung zur ersten Endstellung, also zum ersten Anschlagbereich 20 zurück.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erfolgt diese Zurückbewegung des Pumpenkolbens 12 jedoch nicht nur unter der Vorspannwirkung der Vorspannanordnung 28, also aufgrund der durch die Vorspannfeder 32 generierten Vorspannkraft F_V. Vielmehr wird bei dieser Zurückbewegung des Pumpenkolbens 12 durch die Elektromagnetanordnung 30 eine Bremskraft F_B erzeugt, die grundsätzlich die gleiche Richtung hat, wie die Antriebskraft F_A, die jedoch kleiner ist als die Vorspannkraft F_V, um tatsächlich eine Zurückbewegung des Pumpenkolbens 12 zu der ersten Endstellung zu ermöglichen.
Um diese Bremskraft F_B bereitzustellen, kann bei einer sehr einfach realisierbaren Ausgestaltungsvariante beispielsweise vorgesehen sein, dass durch Verbinden der Spulenanschlüsse 42 miteinander der Spulenbereich 34 in einen Kurzschlusszustand gebracht wird und dieser aufgrund der entstehenden elektromotorischen Kraft in Wechselwirkung mit dem Ankerbereich 36 dann eine Bremskraft F_B erzeugt. Hier kann ein Einfluss auf die Größe der Bremskraft F_B beispielsweise auch dadurch genommen werden, dass der Kurzschluss unter Miteinbeziehung eines definierten, möglicherweise auch veränderbaren elektrischen Widerstands erfolgt, so dass durch Variation des elektrischen Widerstands auch der Spulenstrom und somit die durch den Spulenbereich 34 generierte Magnetkraft variiert werden kann.
Eine nicht erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Erzeugen der Bremskraft F_B ist in der 2 veranschaulicht. Man erkennt dort, dass nach dem Erreichen der zweiten Endstellung, also nach dem Zeitpunkt t der Spulenbereich 34, ggf. nach einem kurzen Pausenintervall, wieder durch Anlegen einer gepulsten Spannung erregt wird, wobei diese Bremsspannung mit gleicher Polarität angelegt wird, wie die zum Bewegen des Pumpenkolbens 12 in Richtung zur zweiten Endstellung angelegte Antriebsspannung. Auch diese Bremsspannung kann dann pulsweitenmoduliert sein, um, wie dies in der 2 veranschaulicht ist, im Verlaufe der Bewegung des Pumpenkolbens 12 in Richtung erste Endstellung zurück aufgrund der abnehmenden Zeitdauer, in welcher innerhalb eines Pulstaktes die Bremsspannung tatsächlich anliegt, eine entsprechende Abnahme der mittleren anliegenden Bremsspannung zu generieren. Entsprechend nimmt auch der mittlere Spulenstrom I und mit diesem die magnetische Wechselwirkung mit dem Ankerbereich 36 ab. Es kann somit in Anpassung an die mit zunehmender Entspannung der Vorspannfeder 32 ebenfalls abnehmende Vorspannkraft F_V eine Abnahme der Bremskraft F_B erreicht werden, so dass bei gemindertem Anschlag bzw. deutlich verringerter Geschwindigkeit des Pumpenkolbens 12 bei Erreichen der ersten Endstellung gleichwohl das dafür erforderliche Zeitintervall seit dem Beginn der Zurückbewegung in vertretbarem Bereich gehalten wird.
Hier sind verschiedenste Variationen der Bremsspannung bis zum Erreichen der ersten Endstellung zum Zeitpunkt t_A1 möglich. Es könnte beispielsweise auch eine Erhöhung der mittleren Bremsspannung durch entsprechende Pulsweitenmodulation bei Annäherung an die erste Anschlaganordnung 20 vorgesehen werden, um zunächst eine sehr hohe Geschwindigkeit zur Annäherung, bei Annäherung dann aber eine vergleichsweise geringe Geschwindigkeit zum Erreichen eines sehr sanften Anschlags zu erhalten.
Bei der Variation der Bremsspannung kann, ähnlich wie dies beim vorangehend geschilderten Stand der Technik auch bei Erzeugung der Antriebsspannung der Fall ist, der Spulenstrom bei vorhergehenden Arbeitszeiten ausgewertet werden, um zu erkennen, zu welchem Zeitpunkt der Anschlag an der ersten Anschlaganordnung 20 zu erwarten ist. Auf Grundlage dieser aus vorherigen Bewegungen auf die erste Endstellung zu gewonnenen Informationen kann dann die Bremsspannung so optimiert angelegt werden, dass ein entsprechend angepasster Bewegungsverlauf des Pumpenkolbens 12 bei Bewegung auf die erste Endstellung zu erhalten wird.
Eine erfindungsgemäße Modifikation ist in 3 gezeigt. Hier erkennt man, dass nach Erreichen der zweiten Anschlaganordnung 26 zum Zeitpunkt t_A2 ein vergleichsweise großes Pausenintervall vorhanden ist, während welchem der Pumpenkolben 12 sich in Richtung zur ersten Anschlaganordnung 20 zurückbewegt. Erst dann, wenn der Pumpenkolben 12 sich der ersten Anschlaganordnung 20 angenähert hat, wird eine Bremsspannung beispielsweise in Form eines oder mehrerer Spannungsimpulse angelegt, die dazu führen, dass kurz vor dem Erreichen der ersten Endstellung eine vergleichsweise große Bremskraft F_B erzeugt wird, um den Anschlag verstärkt zu dämpfen. Auch hierbei kann die aus dem Spulenstrom bzw. dem zeitlichen Verlauf der Bewegung des Pumpenkolbens 12 der vorhergehenden Arbeitstakte Information darüber erlangt werden, wann bei einem aktuellen Arbeitstakt das Anschlagen an der ersten Anschlaganordnung 20 zu erwarten ist und entsprechend vorausgehend dann die Bremsspannung in Form des einen oder mehrerer Spannungsimpulse so rechtzeitig angelegt werden, dass die gewünschte Bremswirkung noch erzielt werden kann.
Durch die vorliegende Erfindung ist eine Vorgehensweise vorgesehen, mit welcher mit einfachen ansteuerungstechnischen Maßnahmen ohne der Notwendigkeit, irgendwelche baulichen Ergänzungen vorzunehmen, auch bei der Zurückbewegung eines Pumpenkolbens in seine erste Endstellung das Auftreten von Anschlaggeräuschen stark gedämpft werden kann. Dies kann selbstverständlich immer kombiniert sein mit den in der 1 auch erkennbaren Dämpfungselementen, die selbstverständlich mechanisch, gleichwohl aber auch hydraulisch wirken können. Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Prinzip beim Betreiben einer derartigen Dosierpumpe auch bei anderen als Kolbenpumpen aufgebauten Pumpen eingesetzt werden kann, die nicht notwendigerweise im Fahrzeugbereich dazu eingesetzt werden, ein flüssiges Medium, wie z. B. flüssigen Kohlenwasserstoff, zu fördern.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Dosierpumpe, die Dosierpumpe (10) umfassend einen Pumpenkolben (12), welcher zwischen zwei durch Anschlaganordnungen (20, 26) definierten Endstellungen hin- und herbewegbar ist und bei der Hin- und Herbewegung das Volumen einer Pumpkammer (16) zum Aufnehmen und Ausstoßen von zu förderndem Fluid verändert, wobei dem Pumpenkolben (12) eine Vorspannanordnung (28) zugeordnet ist zum Erzeugen einer den Pumpenkolben (12) in Richtung einer ersten Endstellung vorspannenden Vorspannkraft (F_V) und wobei dem Pumpenkolben (12) eine Antriebsanordnung (30) zugeordnet ist zum Erzeugen einer den Pumpenkolben (12) entgegen der Vorspannkraft (F_V) in Richtung zur zweiten Endstellung bewegenden Antriebskraft (F_A), wobei die Antriebsanordnung (30) eine Elektromagnetanordnung (30) mit einem Spulenbereich (34) und einem mit dem Pumpenkolben (12) bewegbaren Ankerbereich (36) umfasst, bei welchem Verfahren die Antriebsanordnung (30) angesteuert wird, um bei Bewegung des Pumpenkolbens (12) in Richtung zur ersten Endstellung eine der Vorspannkraft (F_V) entgegenwirkende Bremskraft (F_B) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremskraft (F_B) durch Schalten des Spulenbereichs (34) in einen Kurzschlusszustand erzeugt wird, oder dass die Bremskraft (F_B) durch Anlegen einer Bremsspannung an den Spulenbereich (34) erzeugt wird, wobei die Bremsspannung gepulst ist und in Form wenigstens eines Bremsspannungsimpulses angelegt wird, wenn der Pumpenkolben (12) sich der ersten Endstellung angenähert hat.