-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe zum Dosieren eines flüssigen Additivs
(möglicherweise
sehr konzentriert), entweder in den Motor eines Fahrzeuges; in die
Abgase des Motors; oder im Falle eines Motors für Schwerbrennstoff (Brennstoff mit
mehr als 9 Kohlenstoffatomen; typischerweise Diesel) direkt in den
Brennstoff und vorzugsweise in den Brennstofftank.
-
Das
Ziel von Additiven, wie Urea, flüssiger Ammoniak
oder Carbamate, besteht darin, die Emission von Verunreinigungen
wie NOx und CO durch den Motor herabzusetzen,
während
metallische Salze (wie Eisensalz (Fe) oder Cerium (Ce) in Lösung in einem
Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel)
im allgemeinen verwendet werden, um die Verbrennungstemperatur der
Teilchen herabzusetzen, die im Filter des Auspuffsystems von Schwerbrennstoffmotoren zurückgehalten
werden.
-
Stand der Technik
-
Bestehende
Systeme verwenden eine konventionelle Kolbenpumpe, um Flüssigadditive
zu dosieren, wo diese eingespritzt werden müssen (hauptsächlich in
den Motor, die Auspuffgase, den Brennstofftank, das Brennstoffzufuhrrohr
oder das Brennstoffrückführrohr zum
Motor; dies wird im allgemeinen in der vorliegenden Anmeldung als „Motorkreislauf" bezeichnet). Diese
Kolbenpumpe ist eine Festvolumenpumpe, die ein konstantes voreingestelltes Volumen
pro Hub dosiert (allgemein abhängig
von dem Volumen des Zylinders, in welchem sich der Kolben bewegt).
-
Die
US 2003/0136355 offenbart
ein System zur Zufuhr eines flüssigen
Additivs innerhalb eines Brennstofftanks mittels einer Dosierpumpe,
die in dem Brennstoffzuführmodul
integriert ist. Die Dosierpumpe ist eine positive Verdrängungspumpe
(Kolbenpumpe), die ein konstantes Additivvolumen in jedem Pumpenzyklus
liefert. Die erforderliche Gesamtdosis wird durch Betätigen der
Pumpe mit der erforderlichen Anzahl von Zyklen abgegeben. Die Nachteile
sind:
- – jeder
Fehler, der mit dem Kolbenvolumen verbunden ist, wird über die
Anzahl der Hübe
akkumuliert, während
für optimale
Resultate eine genaue Dosis erforderlich ist;
- – eine
mögliche Überdosis
(wegen der Unmöglichkeit,
Fraktionen des Zylindervolumens abzugeben), die teuer ist, wenn
man den Preis des Additivs in Betracht zieht; und
- – daß die zum
Betätigen
verwendeten Solenoidventile typischerweise Lärm verursachen.
-
Die
neue Erfindung zielt darauf ab, zumindest einige dieser Nachteile
zu vermeiden.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Die
Erfindung besteht hauptsächlich
darin, eine Festvolumenpumpe, wie sie vorstehend beschrieben wurde,
durch eine Pumpe mit variablem Volumen zu ersetzen, d. h. eine Pumpe,
die befähigt ist,
ein Volumen abzugeben, das nicht notwendigerweise voreingestellt
ist.
-
Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung eine Pumpe zum Dosieren eines
flüssigen Additivs
in den Maschinenkreis eines Fahrzeuges, wobei die Pumpe aus einem
Kolben, einem Zylinder und einem Betätiger besteht, um den Kolben
in dem Zylinder axial zu bewegen, wobei der Betätiger ein Linearbetätiger mit
hoher Bewegungsauflösung
ist.
-
Infolge
der Verwendung eines solchen Betätigers
ist die Pumpe gemäß der Erfindung
eine Pumpe mit variablem Volumen, die befähigt ist, jedes erforderliche
Volumen abzugeben, und die selbstkalibrierend ist.
-
Die
Pumpe gemäß der Erfindung
weist im allgemeinen außer
dem Kolben, dem Zylinder (Gehäuse)
und dem Betätiger
einen Verteiler auf, der zumindest ein Einlaß- und ein Auslaßabsperrventil
umfaßt, um
das Additiv anzusaugen und abzugeben. Solche Ventile können von
irgendeiner Art sein; sie sind vorzugsweise passiv (d. h. Ventile,
die automatisch arbeiten, d. h. lediglich durch die Flüssigkeitsströmung durch
das Ventil hindurch betätigt
werden), Einwegventile (d. h. Ventile, die nur eine Strömungsrichtung der
Flüssigkeit
durch das Ventil gestatten).
-
Die
Pumpe mit variablem Volumen der Erfindung ist vorzugsweise eine
Spritzenpumpe, das ist eine Pumpe, in welcher der Kolben am Ende
jedes Dosierzyklus an einer festen Fläche (welche das Ende der Pumpenzylinderbohrung
oder die Innenfläche
des Verteilers sein kann) anschlagt. Unter „Dosierzyklus" wird die vollständige Operationssequenz zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Ansaugvorgängen der Pumpe verstanden.
Somit kehrt am Ende jedes Zyklus die Spritze zu einem Endanschlag
zurück, was
eine hohe Wiederholbarkeit sicherstellt. Außerdem ist das Volumen des Additivs,
das nach jedem Zyklus in der Pumpe verbleibt, minimiert, was wiederum
die mögliche
Gefahr des Austrittes von Gas oder Dampf aus dem Additiv infolge
von Temperaturänderungen
minimiert.
-
Unter „Linearbetätiger mit
hoher Bewegungsauflösung" gemäß der Erfindung
wird ein Betätiger
verstanden, dessen Linearposition mit hoher Bewegungsauflösung gesteuert
werden kann. Unter „hoher
Bewegungsauflösung" wird verstanden,
daß die
Genauigkeit kleiner oder gleich 1 mm, vorzugsweise kleiner oder
gleich 0,1 mm, noch bevorzugter kleiner oder gleich 50 μm sein muß. Der in
der Erfindung verwendete Linearbetätiger weist vorzugsweise einen
elektrischen Schrittmotor auf, welcher den Kolben in sehr kleinen
Inkrementen bewegt, um eine sehr hohe Genauigkeit pro einzelnem
Schritt zu erreichen, und der durch eine Steuerung gesteuert wird. Die
Vorteile eines solchen Betätigers
sind seine kleine Größe (Kompaktheit)
und sein niedriger Energieverbrauch im Vergleich zu beispielsweise
Solenoidpumpen.
-
Am
bevorzugtesten wird der Linearbeättiger durch
einen elektrischen Drehmotor über
ein Untersetzungsgetriebe angetrieben. Die Vorteile sind:
- – das
Untersetzungsgetriebe ermöglicht
hinsichtlich der Linearposition, welche der hohen Genauigkeit in
der volumetrischen Dosierung des Additivs entspricht, eine hohe
Präzision
und verursacht keinen Lärm;
- – das
Untersetzungsgetriebe liefert einen hohen Widerstand gegen eine
Kolbenwanderung, wenn der elektrische Drehmotor nicht mit Energie
versorgt wird, wodurch sichergestellt wird, daß der Kolben eine Abdichtung
gegen die Einlaß-
und Auslaßöffnungen
aufrechterhält.
-
Andere
Möglichkeiten
zur Steuerung der Linearposition des Betätigers mit hoher Bewegungsauflösung sind:
- (A) eine Kurbel, die durch ein Untersetzungsgetriebe
angetrieben wird, derart, daß die
Linearposition des Kurbelendes (Kolben) mit einem hohen Grad an
Genauigkeit gesteuert werden kann (und an jedem Punkt des Zyklus
umgekehrt werden kann); und
- (B) ein Linearbetätiger,
der durch einen elektrischen Linearmotor, wie einen piezoelektrischen Motor,
angetrieben wird.
-
Im
Falle der Kurbel (Ausführungsform
A) kann eine lange Kurbel verwendet werden, um eine relativ große Linearbewegung
für den
Kolben zu erzeugen.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
hat die Pumpe gemäß der Erfindung
eine Kapazität,
die gleich der Maximaldosis ist, die erforderlich ist (unter Berücksichtigung
des involvierten Brennstoffvolumens); und gibt ein Volumen bis zur
Maximaldosis ab. Dies bedeutet, daß das erforderliche Additivvolumen
in nur einem Zyklus der Pumpe abgegeben wird, was tatsächlich eine
sehr leise Lösung
ist, aber eine etwas größere Pumpe
erfordert.
-
Gemäß einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat die Pumpe gemäß der Erfindung geringere
Kapazität
(d. h. kleiner als die Maximaldosis), um an mehreren Stellen des
Fahrzeuges eingepaßt
zu werden. Die Pumpe gibt das erforderliche Additivvolumen durch
einen oder mehrere Einspritzvorgänge
ab (d. h. durch einen oder mehrere Pumpenzyklen).
-
Bei
diesem Ausführungsbeispiel
paßt der Kolben
genau in den Verteiler, so daß das
gesamte Additiv wiederholbar herausgedrückt wird. Dies bedeutet, daß die Pumpe
nur genau sein muß,
wenn sie ansaugt.
-
Die
Pumpe verwendet im allgemeinen eine Dichtung, um die Dichtheit zwischen
dem Kolben und dem Zylinder sicherzustellen. Diese Dichtung kann eine
Gleitdichtung sein, die radial am Kolbenkopf angeordnet ist und
mit dem Kolben innerhalb des Zylinders gleitet. Vorzugsweise ist
diese Dichtung jedoch gemäß der Erfindung
eine Niedrigreibungs-Tellerdichtung (Diaphragma) mit zumindest einem
Teil, der an dem Zylinder befestigt ist und sich mit diesem bewegt.
Die Vorteile einer solchen Dichtung sind:
- – dem Motor
werden wesentlich niedrigere Kräfte auferlegt,
wenn der Kolben nach einer wesentlichen Nichtbetriebszeit erneut
bewegt wird, was einen Schlupf des Motors vermeidet und die Pumpengenauigkeit
garantiert;
- – eine
Lage von Additiv bleibt nicht auf der Innenfläche der Spritze, um zu trocknen
und abzublättern,
wodurch mögliche
elektrische Kurzschlüsse und
ein Verlegen des Mechanismus vermieden werden; und
- – ein
Lecken ist nicht möglich,
und folglich wird die Genauigkeit aufrechterhalten.
-
Andere
Vorteile der Diaphragma-Dichtung sind, daß sie Radialbewegung aufnehmen
kann, was sie ziemlich kompatibel mit einem feststehenden Kurbellinearbetätiger macht
(vorstehend beschriebenes Ausführungsbeispiel
A).
-
In
dieser Hinsicht soll festgestellt werden, daß, obzwar das Hauptziel der
vorliegenden Erfindung eine Pumpe ist, die durch einen Linearbetätiger mit
hoher Bewegungsauflösung
angetrieben wird, alle Vorteile der Diaphragma-Dichtung, wie vorstehend erläutert wurde,
ebenfalls im Falle einer Pumpe ohne einem solchen Betätiger vorhanden
sind. Während
eine solche Pumpe aus dem
US
4,874,299 bekannt ist, ist die dort beschriebene Pumpe
eine hin- und hergehende, d. h. eine Festvolumenpumpe und nicht
eine Pumpe mit variablem Volumen. Dementsprechend stellt die Pumpe
mit variablem Volumen mit einem Diaphragma, wie sie vorstehend beschrieben
wurde, außer
hinsichtlich des Vorhandenseins des Linearbetätigers, einen anderen Aspekt
der vorliegenden Erfindung dar, obzwar zum Dosieren von Dieseladditiven
die Wahl eines Linearbetätigers
bevorzugt wird. Ferner beschreibt das Dokument
US 3,756,456 eine Mehrzweck-Fluidabgabepumpe
mit einem Linearbetätiger
mit hoher Bewegungsauflösung.
-
Die
Materialien, aus denen die Pumpe gemäß der Erfindung hergestellt
wird, sind jene, die im Hinblick auf Resistenz gegen die zu dosierenden
Additive gewählt
werden. Im allgemeinen bestehen der Kolben und der Zylinder aus
Kunststoff (wie zum Beispiel PBT (Polybutylen) und die Dichtung(en)
sind Elastomerdichtungen, wobei am stärksten ein fluoriertes Silikonelastomer
bevorzugt wird. Im Falle einer Tellerdichtung sind ihre Gestalt
und ihr Material sehr wichtig, um ein Strecken der Dichtung zu verhindern,
wenn die Pumpe „ansaugt". Das Profil der
Dichtung ist vorzugsweise so gewählt,
daß die
Kräfte
(und somit das Strecken der Dichtung) während des Ansaugens minimiert
werden. Andere Mittel können eine
Materialverstärkung
der Dichtung oder ein Beschichten der Dichtung mit einem Material
wie PTFE (Polytetrafluorethylen, das allgemein „Teflon" genannt wird) umfassen, um ein Strecken
zu verhindern (und die Materialkompatibilität zu erhöhen).
-
In
Dosierpumpen, die eine Tellerdichtung anwenden, ist das dosierte
Volumen mit der Bewegung des Kolbens nicht linear. Die Gestalt der
Dichtung ist jedoch so gewählt,
daß dieses
Phänomen
minimiert wird, und die verbleibende Nichtlinearität wird elektrisch
entfernt (durch eine Steuereinrichtung, welche den Motor antreibt).
-
Vorzugsweise
ist die Dosierpumpe gemäß der Erfindung
Teil des Brennstoffsystems eines Schwerbrennstoffmotors. Deshalb
betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem anderen Aspekt ein Brennstoffsystem,
das mit einer Dosierpumpe ausgestattet ist, wie sie vorstehend beschrieben
wurde. Unter Brennstoffsystem werden alle Elemente/Vorrichtungen
verstanden, die zur Handhabung von Brennstoff verwendet werden (Lagerung,
Zufuhr und Rückfuhr
im Falle von Diesel). Ein solches System umfaßt im allgemeinen zumindest
einen. Brennstofftank, ein Füllrohr,
Entlüftungsleitungen
und Brennstoffzu-/Rückleitungen,
sowie ein Additivreservoir im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist die Pumpe vorzugsweise an einer der folgenden Stellen innerhalb
des Brennstoffsystems angeordnet:
- a. in der
Füllrohrzone,
speziell, wenn das Additivreservoir dort angeordnet ist, wie es
in der Patentanmeldung FR 03.13073 beschrieben
ist;
- b. zwischen dem Additivreservoir und dem Brennstofftank;
- c. an dem Brennstofftank oberhalb oder unterhalb desselben (speziell,
wenn das Additivreservoir in dem Brennstofftank integriert ist,
wie dies in der Patentanmeldung FR
04.00856 beschrieben ist); in diesem Fall ist es vorzugsweise
nahe dem Brennstoffansaugmodul, der an dem Tank fixiert ist;
- d. innerhalb des Brennstoffansaugmoduls, wie dies in dem vorerwähnten US-Patent
beschrieben ist;
- e. nahe oder an der Brennstoffrückleitung (Rückleitung
des heißen
Brennstoffes von der Einspritzschiene des Motors zum Brennstofftank).
-
Es
ist nämlich
so, daß eine
gemeinsame Pumpenkörperausbildung
in vielen verschiedenen Systemkonfigurationen durch Verwendung des
besprochenen Fluidverteilers angewendet werden kann, wie vorstehend
beschrieben.
-
In
die Steuereinrichtung der Dosierpumpe gemäß dem Ausführungsbeispiel kann die Menge des
zu dosierenden Additivs oder vorzugsweise die Menge des Brennstoffes,
der hinzugefügt
worden ist, eingegeben werden (so daß der Prozessor die erforderliche
Dosis kalkulieren kann – nur
der Prozessor bzw. die Steuerung braucht die Konzentration und die Art
des verwendeten Additivs zu kennen).
-
Die
vorliegende Erfindung wird in einem nicht einschränkenden
Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben,
die tatsächlich
zwei mögliche
Ausführungsformen
zeigen. Die 1 und 2 beziehen
sich auf eine Spritzenpumpe mit einer Gleitdichtung, und die 3 und 4 auf
eine Membran-Spritzenpumpe gemäß der Erfindung.
In diesen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf identische/ähnliche
Gegenstände.
-
Beschreibung der 1 und 2:
Ausführungsbeispiel
1
-
Diese
Zeichnungen repräsentieren
eine Spritzenpumpe mit einer Gleitdichtung mit einer Kapazität von etwa
8 ml.
-
Die
Spritze saugt die Additivflüssigkeit
durch ein Ansaugloch (I) im Verteiler (6) über die
Dichtung (5) und ein Einwegventil (2) durch den
Kolben (3) an, der nur einen einzigen proportionalen Weg
mit kalkulierter Dosiermenge zurücklegt.
-
Der
Kolben 3 bewegt sich mittels eines Schrittmotors und eines
Untersetzungsgetriebes, die Teil eines Betätigers (7) sind. Eine
Gleitdichtung (4) ist zwischen dem Kolben (3)
und dem Zylinder (1) vorhanden.
-
Nach
dem Ansaugen der Flüssigkeit
drückt die
Spritze durch ein Austrittsloch (O) in einer Abstützung (6) über die
Dichtung (5')
und ein Einwegventil (2')
das flüssige
Additiv durch den Kolben (3) in den Dieselbrennstofftank.
-
Beschreibung der 3 und 4:
Ausführungsbeispiel
2
-
Diese
Zeichnungen zeigen eine Membran-Spritzenpumpe mit einer Tellerdichtung
mit einer Kapazität
von etwa 0,5 ml.
-
In
ihrer Ruhe-/Rückstellposition,
die in 3 gezeigt ist, drückt der Kolben die Dichtung
(4) nach oben gegen den Verteiler (6), d. h. ihren
Endanschlag.
-
Die
Dichtung (4) ist zwischen dem Zylinder (1) und
dem Verteiler (6) an dessen Umfang fixiert (wobei sie eine
additivdichte Abdichtung bildet) und an dem Kolben (3) über dessen
flachen Oberteil (F) befestigt. Wenn sich der Kolben (3)
bewegt, bewegt sich der Oberteil der Dichtung (F) mit dem Kolben, und
ein Leerraum wird zwischen dem Verteiler (6) und der Dichtung
(4) erzeugt.
-
Die
Spritze saugt durch ein Eintrittsloch in dem Verteiler (6)
und über
das Einwegventil (2) das flüssige Additiv durch den Kolben
(3) in mehreren Hüben
bis zur kalkulierten Dosismenge an.
-
Der
Kolben (3) wird durch den Schrittmotor und das Untersetzungsgetriebe
bewegt, die Teil eines Betätigers
(7) sind, der in diesem Fall einstückig mit dem Zylinder (1)
ist.
-
Die
folgende Sequenz definiert einen Pumpenzyklus:
- – Der Motor
wird durch die Steuereinrichtung so angetrieben, daß er in
einer voreingestellten Anzahl von Schritten rotiert. Die Anzahl
der Schritte ist äquivalent
einer vorbestimmten Linearbewegung.
- – Wenn
sich der Kolben (3) bewegt, wird der Auslösedruck
des Einlaßventils überschritten,
und das Additiv strömt
in den Hohlraum, der zwischen dem Verteiler (6) und der
Dichtung (4) erzeugt ist.
- – Der
Kolben (3) stoppt, wenn sich der Motor durch eine bestimmte
Anzahl von Schritten gedreht hat, die von der Steuereinrichtung
bestimmt wird. Er ändert
sodann seine Richtung, und das Auslaßventil (nicht gezeigt) und
das Dieseltank-Rückschlagventil öffnen sich,
sobald ihre kombinierten Betätigungsdrücke überschritten sind.
Das Additiv strömt
aus dem Hohlraum in den Dieseltank, bis der Kolben (3)
wieder gegen den Verteiler (6) anschlagt.
-
Das
Volumen des dosierten Additivs hängt vom
Volumen des Hohlraumes zwischen dem Verteiler (6) und der
Dichtung (4) ab. Dieses Volumen wird durch die Form bestimmt,
die durch die Dichtung (4) erzeugt wird, wenn der Kolben
(3) verlagert wird. Eine Dosis umfaßt einen oder mehrere Zyklen,
wobei zwischen jedem Zyklus der Motor den Linearbetätiger in
seine Ruhestellung bringt.
-
Die
Bewegungsauflösung
der Pumpe, die Größe und Genauigkeit
eines einzelnen Schrittes ist eine Funktion der Bewegungsauflösung des
Schrittmotors und ist konstant und unabhängig von dem abgegebenen Volumen.
-
Die
Membran-Spritzenpumpe gibt das gesamte Pumpenvolumen innerhalb einer
kurzen Zeitperiode ab.
-
Gemeinsame Merkmale von Ausführungsbeispiel
1 (1 und 2) und 2 (3 und 4)
-
Beide
Pumpen gestatten das Dosieren eines sehr konzentrierten flüssigen Additivs
(beispielsweise mit einer Metallkonzentrationsrate 10%) als Zusatz
zu einem Dieselbrennstoff (zwischen 5 und 120 Liter).
-
Der
Mindestlinearschritt des Kolbens (3) ist sehr klein und
liegt in der Größenordnung
von 10 bis 50 μm.
-
Der
elektrische Stromverbrauch ist sehr niedrig (z. B. 5 Watt bei 12
Volt). Zwei einfache passive Ventile werden verwendet, und das System
ist mit einem weiten Bereich von Dosiermengen flexibel.
-
Das
Konzept ist nicht lärmerzeugend,
da es passive Ventile statt Solenoidventile verwendet.