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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Membranpumpe, wobei die Membranpumpe mit einer Frequenz angeregt wird, die deren Eigenfrequenz entspricht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Membranpumpe und eine Verwendung der Membranpumpe.
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Stand der Technik
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Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich vermindert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reaktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird zu diesem Zweck eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang mithilfe einer Dosiereinrichtung eingespritzt wird. Die wässrige Harnstofflösung wird in einem Reduktionsmitteltank bevorratet. Mithilfe einer Pumpe wird die wässrige Harnstofflösung über ein Leitungssystem aus dem Tank zu der Dosiereinrichtung befördert, sodass die Harnstofflösung über eine oder mehrere Dosierventile bedarfsgerecht in den Abgasstrang eingespritzt werden kann.
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Als Pumpe wird in der Regel eine Membranpumpe eingesetzt, die beispielsweise über einen Elektromotor mit Pleuel und Exzenter betrieben werden kann. Anstatt eines Elektromotors wird jedoch auch vielfach ein elektromagnetischer Antrieb, beispielsweise mit einem Hubmagneten, eingesetzt. Durch die Beaufschlagung des Hubmagneten mit Strom kann ein mit einer Rückstellfeder vorgespannter Förderkolben bewegt werden, der direkt oder indirekt eine Membran bewegt, die in Kombination mit geeigneten Rückschlagventilen die Förderung des flüssigen Mediums bewirkt.
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Da das Dosierungssystem ein hydraulisches System darstellt, ist für die Dosierung der Reduktionsmitteldruck maßgeblich. In der Regel wird der Reduktionsmitteldruck auf einen vorgebbaren Solldruck geregelt, wobei beispielsweise das Öffnen des Dosierventils Druckschwankungen in dem Leitungssystem bewirkt, die durch eine Änderung in der Ansteuerung der Membranpumpe ausgeglichen werden. Im Allgemeinen sind daher ein oder mehrere Drucksensoren in dem Dosiersystem vorgesehen.
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Eine elektromagnetische Membranpumpe wird auch als Schwingankerpumpe bezeichnet. Der Antrieb wird von einer mit Wechselspannung beaufschlagten Spule gebildet, deren Magnetfeld auf einem schwingend gelagerten Hebel, den Anker, wirkt. Eine derartige Membranpumpe stellt ein schwingungsfähiges System dar, wobei die Schwingung im Wesentlichen von der bewegten Masse und der Gesamtelastizität bestimmt wird. Als Masse kommt insbesondere die Masse des Ankers zum Tragen. Die Rückstellfeder bestimmt die Elastizität.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine elektromagnetisch angetriebene Membranpumpe mit einer Frequenz anzuregen, die deren Eigenfrequenz entspricht, die also die Resonanz ausnutzt, die durch das Feder- und Massesystem der Membranpumpe entwickelt wird. Hierfür wird die Wechselstromfrequenz, mit der die Membranpumpe in der Regel angetrieben wird, auf die Eigenfrequenz der Pumpe abgestimmt. Dies hat den Vorteil, dass kleinere magnetische Kräfte für die Anregung der Pumpe ausreichend sind und ein besonders guter Wirkungsgrad erzielt wird. Zudem können in dem Resonanzbereich besonders hohe Drücke erreicht werden.
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Problematisch hierbei ist jedoch, dass die Eigenfrequenz des Systems oft einer erheblichen Streuung unterliegt, sodass die Eigenfrequenz nicht genau bestimmt werden kann. Im Allgemeinen ist daher der resonante Pumpeffekt wenig effektiv, da die Eigenfrequenz nicht genau getroffen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile bei dem Betreiben einer elektromagnetischen Membranpumpe in deren Resonanzbereich zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben der Membranpumpe bereitzustellen, um die Vorteile der Resonanz voll ausschöpfen zu können. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Membranpumpe, durch eine Membranpumpe sowie durch eine Verwendung der Membranpumpe gelöst, wie es Gegenstand der unabhängigen Ansprüche ist. Bevorzugte Ausgestaltungen hiervon ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben einer elektromagnetischen Membranpumpe in einem Leitungssystem vorgesehen. Hierbei wird die Membranpumpe mit einer Frequenz angeregt, die deren Eigenfrequenz entspricht, sodass eine Resonanz auftritt, die den Wirkungsgrad der Membranpumpe erhöht und mithilfe derer höhere Drücke erreichbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die von der Membranpumpe bewegte Masse stromabwärts um eine gespeicherte Flüssigkeitsmasse ergänzt wird, die durch ein Absperrelement stromabwärts der gespeicherten Flüssigkeitsmasse vom weiteren Leitungssystem abkoppelbar ist. Durch diese Maßnahme wird die Eigenfrequenz der Membranpumpe sehr genau bestimmbar, sodass die Membranpumpe gezielt mit einer hierauf abgestimmten Frequenz angeregt werden kann, die zur Entwicklung einer Resonanz und damit zu einem verbesserten Wirkungsgrad und zum Erreichen höherer Drücke führt.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die Eigenfrequenz der Membranpumpe als Feder-Massesystem stark von äußeren Randbedingungen abhängig ist. Daher unterliegt die Eigenfrequenz einer großen Streuung und kann nur sehr unscharf vorausgesagt werden. Dies bedingt den bei bereits bekannten Verfahren unzureichenden resonanten Pumpeffekt, da zumeist die Eigenfrequenz nicht genau getroffen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Masse teilweise auch das gepumpte Medium umfasst, das heißt die gesamte bewegte Masse ist somit auch abhängig von der Durchflussmenge und der Länge der abgasseitigen Hydraulikleitung. Auch die Federsteifigkeit und Elastizität des Systems wird nicht nur von der Rückstellfeder bestimmt, sondern beruht überdies auf der Elastizität des gesamten hydraulischen Systems. Die hieraus resultierende Unschärfe der Eigenfrequenz wird erfindungsgemäß behoben, indem die bewegte Masse um eine gespeicherte Flüssigkeitsmasse ergänzt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass stromabwärts eines Flüssigkeitsspeichers das weitere Leitungssystem durch ein Absperrelement abkoppelbar ist, sodass die durch die Pumpe bewegte Masse um die gespeicherte Flüssigkeitsmasse ergänzt wird. Im Wesentlichen besteht damit die gesamte bewegte Masse aus der Ankermasse m1 und der gespeicherten Flüssigkeitsmasse m2. Die gespeicherte Flüssigkeitsmasse ist vorzugsweise Teil der von der Membranpumpe geförderten Flüssigkeitsmasse. Die Abkopplung der gespeicherten Flüssigkeitsmasse erfolgt beispielsweise über eine Drossel, die die Pumpe und die gespeicherte Flüssigkeitsmasse von der abgasseitigen Leitung und dem Dosiermodul abkoppelt. Durch diese Maßnahmen können die Störgrößen erheblich verringert werden, die insbesondere durch die variable Elastizität der Leitung und durch die Ansteuerung des Dosierventils bzw. durch die Dosierung des Reduktionsmittels verursacht werden. Die gesamte Elastizität des Systems wird gemäß der Erfindung durch die Rückstellfeder und das hydraulische System, das durch die Speichermasse mitbestimmt wird, dargestellt. Die zusätzliche gespeicherte und vom weiteren Leitungssystem abkoppelbare Flüssigkeitsmasse erlaubt eine klar bestimmte Masse und Gesamtelastizität, sodass es zu keinen wesentlichen Streuungen in der Eigenfrequenz kommt. Die klar bestimmbare Eigenfrequenz wird genutzt, um die elektromagnetische Membranpumpe mit einer darauf abgestimmten Energiezufuhr bzw. mit einem darauf abgestimmten Wechselstrom zu betreiben, sodass das System eine Resonanz entwickeln kann, die den Wirkungsgrad der Membranpumpe erhöht.
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Vorzugsweise ist stromaufwärts des Absperrelements, insbesondere zwischen der Pumpe und der gespeicherten Flüssigkeitsmasse, ein Drucksensor vorgesehen, sodass der Druck an dieser Stelle erfassbar ist. Anhand der mithilfe des Drucksensors messbaren Druckspitzen kann die Frequenz bestimmt werden, bei der das individuelle System seine Resonanz entwickelt. Hierbei zeigen große Druckspitzen im Allgemeinen die Resonanz an.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Einstellung des Systems bei abgekoppelter gespeicherter Flüssigkeitsmasse die elektromagnetische Membranpumpe nacheinander mit verschiedenen Frequenzen angeregt. Insbesondere anhand der erfassbaren Druckspitzen wird die Frequenz ermittelt, bei der das System seine Resonanz entwickelt.
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Mit besonderem Vorteil kann das System geregelt betrieben werden, indem der Druck im Leitungssystem erfasst wird und zu einer Regelung der Anregungsfrequenz, bei der das System eine Resonanz entwickelt, herangezogen wird. Dabei wird die Ansteuerfrequenz des elektromagnetischen Antriebs, beispielsweise eines Hubmagneten, entsprechend der Höhe der Druckspitzen verändert oder nachgefahren.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine elektromagnetische Membranpumpe, bei der stromabwärts der Membranpumpe ein Flüssigkeitsspeicher vorgesehen ist, der durch ein Absperrelement, beispielsweise eine Drossel, von dem in Fließrichtung nachfolgenden weiteren Leitungssystem und dem Dosiermodul abkoppelbar ist. Während des Betriebs der elektromagnetischen Membranpumpe lässt sich eine exakt bestimmbare Eigenfrequenz feststellen, bei der das System eine Resonanz entwickelt. Es treten keine erheblichen Streuungen der Eigenfrequenz auf, sodass die Membranpumpe mit der entsprechenden Anregungsfrequenz exakt im Resonanzbereich betrieben werden kann.
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Vorzugsweise umfasst die Membranpumpe wenigstens einen mit einer Feder, insbesondere einer Schraubenfeder, vorgespannten Förderkolben und weist vorzugsweise Rückschlagventile, insbesondere passive Rückschlagventile, auf. Mit Vorteil ist dem Flüssigkeitsspeicher wenigstens ein Drucksensor zugeordnet, der beispielsweise zwischen der Pumpe und dem Flüssigkeitsspeicher, also stromaufwärts des Flüssigkeitsspeichers, vorgesehen ist.
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Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung einer derartigen elektromagnetischen Membranpumpe, die gemäß dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist, als Dosierpumpe in einem SCR-Abgasreinigungssystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen. Die erfindungsgemäße elektromagnetische Membranpumpe und das erfindungsgemäße Verfahren haben den Vorteil, dass die Membranpumpe durch die exakt einstellbare Anregungsfrequenz sehr wirkungsvoll in der Resonanz betrieben werden kann und damit gegenüber herkömmlichen Membranpumpen und herkömmlichen Verfahren zum Betrieb derselben einen verbesserten Wirkungsgrad erreichen. Dies kann besonders vorteilhaft bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Membranpumpe bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei SCR-Katalysatorsystemen eingesetzt werden, um mit wenig konstruktivem Aufwand erhebliche Verbesserungen erzielen zu können.
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Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Verfahren auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elektromagnetischen Membranpumpe erfordert sehr geringen konstruktiven Aufwand und das erfindungsgemäße Verfahren kann ohne weiteres als Computerprogramm beispielsweise auf dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine implementiert werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der elektromagnetischen Membranpumpe und deren erfindungsgemäße Ausgestaltung auch bei bestehenden Fahrzeugen ohne weiteres nachgerüstet werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen. Hierbei können die verschiedenen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In der Zeichnung zeigt:
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Figur eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Membranpumpe als Förderpumpe in einem SCR-Katalysatordosiersystem.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Figur zeigt eine elektromagnetische Membranpumpe 10, die als Förder- oder Dosierpumpe für ein SCR-Katalysatordosiersystem eingesetzt ist. Hierbei fördert die Membranpumpe 10 eine wässrige Harnstofflösung aus einem Tank 20 zu einer Dosiereinrichtung 30. Die Dosiereinrichtung 30 umfasst beispielsweise ein elektromagnetisches Einspritzventil, mit dem die wässrige Harnstofflösung bedarfsgerecht in den Abgasstrang (nicht gezeigt) eingespritzt wird. Über eine Saugleitung 51 wird das flüssige Medium aus dem Reduktionsmitteltank 20 in einen Einlassbereich 11 der Membranpumpe 10 gefördert. Über ein erstes Rückschlagventil 19 gelangt das Medium in einen Membranarbeitsraum 12 und über ein zweites Rückschlagventil 19' in den Ausgangsbereich 13 der Membranpumpe 10. Der Flüssigkeitstransport wird über eine Membran 14 bewirkt, die von einem Förderkolben 15 bewegt wird. Der Förderkolben 15 ist mit einem Anker 16 verbunden, der durch das Erzeugen eines magnetischen Feldes durch eine ringförmige Spule 17 innerhalb eines Hubmagneten 18 zwangsweise bewegt wird. In seiner Ruheposition wird der Anker 16 mit dem Förderkolben 15 durch die Spannung einer Schraubenfeder 18a vorgespannt.
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Stromabwärts der Membranpumpe 10 ist ein weiterer Leitungsabschnitt 52 angeordnet, der in einen Flüssigkeitsspeicher 40 mündet. In Fließrichtung hinter dem Flüssigkeitsspeicher 40 ist eine Drossel 41 vorgesehen, die den Flüssigkeitsspeicher 40 vom nachgeschalteten Leitungsabschnitt 53 abkoppelt. Der Leitungsabschnitt 53 mündet schließlich in der Dosiereinrichtung 30. Zwischen der Membranpumpe 10 und dem Flüssigkeitsspeicher 40 ist ein Drucksensor 54 vorgesehen.
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Die durch die Membranpumpe 10 bewegte Masse stellt zusammen mit der Gesamtelastizität ein schwingungsfähiges System dar, das mit einer Eigenfrequenz schwingen kann. Wenn die elektromagnetische Anregung der Membranpumpe 10 dieser Eigenfrequenz angepasst ist und der Eigenfrequenz entspricht, entwickelt das System eine Frequenz, bei der die Amplitude des angeregten Systems auf ein Vielfaches der Erregeramplitude ansteigen kann. Dieser resonante Betriebsmodus der Membranpumpe 10 ist besonders vorteilhaft, da hierdurch der Wirkungsgrad ansteigt und erhöhte Drücke dargestellt werden können. Die Ermittlung der Eigenfrequenz und die Einstellung der Anregungsfrequenz ist bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen jedoch nicht unproblematisch, da die Eigenfrequenz von den äußeren Randbedingungen abhängig ist, die insbesondere auch durch das gepumpte Medium beeinflusst werden, sodass die gesamte bewegte Masse beispielsweise auch von der Durchflussmenge und der Länge der abgasseitigen Hydraulikleitung abhängt. Diese Unschärfe der Eigenfrequenz wird erfindungsgemäß behoben, indem stromabwärts der Membranpumpe 10 eine weitere Flüssigkeitsmasse in dem Speicher 40 der übrigen Masse, insbesondere der Masse des Ankers 16 und des Förderkolbens 15, zugeschlagen wird. Diese Flüssigkeitsmasse im Flüssigkeitsspeicher 40 wird durch die Drossel 41 von der abgasseitigen Leitung 53 und dem Dosiermodul 30 abgekoppelt. Hierdurch wird eine erhebliche Reduzierung der Störgrößen, die insbesondere durch die schwankende Masse aufgrund des Pumpens des Mediums, durch die variable Elastizität der Leitung und durch den Ausstoß von Medium durch die Dosiereinrichtung 30 zustande kommen, erreicht. Die Masse und die Gesamtelastizität des Systems werden klar begrenzt, sodass die Eigenfrequenz des individuellen Systems keiner wesentlichen Streuung mehr unterliegt und die Anregungsfrequenz genau bestimmt werden kann, die einen resonanten Betrieb der Förderpumpe 10 erlaubt.
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Die Gesamtelastizität ergibt also in Verbindung mit der gesamten bewegten Masse eine Eigenfrequenz, die einen Bereich in Resonanz bringt, der sich von dem Membranarbeitsraum 12 über den Ausgangsbereich 13, den Leitungsabschnitt 52 und den Flüssigkeitsspeicher 40 einschließlich des Förderkolbens 15 und des Ankers 16 erstreckt. Die Abstimmung der Drossel und des Flüssigkeitsspeichers wird vorzugsweise derart ausgeführt, dass der Speicher von dem Restsystem der Leitung, also insbesondere dem Leitungsabschnitt 53 und der Dosiereinrichtung 30 abgekoppelt ist.
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Zur Einstellung des Systems kann zu Beginn der Hubmagnet 18 mit verschiedenen Hubfrequenzen angesteuert werden. Über den Drucksensor 54 werden Drucksignale 60 erfasst. Hierbei repräsentieren große Druckspitzen das Auftreten einer Resonanz. Anhand der Drucksignale kann ermittelt werden, bei welcher Frequenz das individuelle System seine Resonanz hat. Mit der entsprechenden Anregungsfrequenz kann das System nun gezielt in der Resonanz betrieben werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das System in einem geregelten Prozess betrieben, wobei die Ansteuerfrequenz des Hubmagneten 18 entsprechend der Höhe der Druckspitzen verändert oder nachgefahren wird. Die Ist-Frequenz ist aus den Drucksensorsignalen 60 ersichtlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen sehr effektiven Betrieb der erfindungsgemäßen Membranpumpe 10 im Resonanzbereich. Durch die zusätzlich vorgesehene Flüssigkeitsmasse im Flüssigkeitsspeicher 40 wird die Streuung der Eigenfrequenz auf ein Minimum reduziert, sodass die Eigenfrequenz und damit die Anregungsfrequenz für einen resonanten Betrieb sehr genau ermittelt werden kann. Hierbei sollte die verdichtete Flüssigkeit jedoch so aufbereitet werden, dass sie vom Dosierventil 30 effektiv verarbeitet werden kann. Dies erfolgt vorzugsweise über die Abkopplung der Speichermenge im Flüssigkeitsspeicher 40 in Verbindung mit der Ausnutzung der Signale des Drucksensors 54 zur Regelung der Resonanzfrequenz.
