Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung mit Schaltventil.

Für eine elektronisch regel- und steuerbare Dosierung von Flüssigkeiten oder Gasen werden im Stand der Technik Proportionalventile verwendet. Proportionalventile weisen variabel einstellbare Drosseln mit einem stetig regelbaren Übergang der Ventilöffnung auf, wobei die Ventilöffnung dem gewünschten Volumen- und/oder Massenstrom angepasst werden kann.

Solche stetig regelbaren Proportionalventile sind aufwändiger und teurer als Schaltventile, die nur zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zu- stand umgeschaltet werden können. Um auch mit solchen, preiswerten Schaltventilen eine kontinuierliche Dosierung zu ermöglichen, wird ein Schaltventil pulsweiten- und/oder frequenzmoduliert angesteuert. Durch eine Variation der Zeitdauer der Ventilöffnung (Pulsweitenmodulation) und/oder der Öffnungsfrequenz, d.h. der Anzahl Öffnungsvorgänge pro Zeiteinheit, (Frequenzmodulation) wird der Durchfluss im zeitlichen Mittel geregelt und im zeitlichen Mittel eine regelbare Mengendosierung erreicht. Da bei dieser Art der Ansteuerung das Schaltventil zu jedem Zeitpunkt entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen ist, schwankt der Durchfluss stark. Ein stark schwankender Durchfluss erzeugt Druckwellen, die nicht in allen Anwendungen tolerierbar sind.

DE 10 2005 034 704 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Regeneration, zur Temperaturbeaufschlagung und/oder zum Thermomanagement eines einem Abgassystem zugeordneten Bauteils einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Fahrzeugs, mit mindestens einem in Abhängigkeit des Drucks von zugeführtem Kraft- stoff arbeitenden Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in das Abgassystem der Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung weist mindestens ein stromauf- wärts des Einspritzventils angeordnetes, Druckschwankungen dämpfendes oder eliminierendes Drucksteuerventil aus.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach und preisgünstig herstellbare Dosiervorrichtung mit einem kontinuierlichen und wenig pulsierenden Massen- / Volumenstrom bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch eine Dosiervorrichtung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung und vorteilhafte Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Dosiervorrichtung. Eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat ein Schaltventil und ein Dämpfungsvolumen, wobei das Dämpfungsvolumen in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Schaltventil angeordnet ist.

Dadurch, dass eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung ein preisgünstiges Schaltventil aufweist, ist eine solche Dosiervorrichtung im Vergleich zu einer herkömmlichen Dosiervorrichtung, die mit einem teuren Proportionalventil ausgestattet ist, kostengünstig herstellbar. Das in Strömungsrichtung hinter dem Schaltventil angeordnete Dämpfungsvolumen dämpft die durch eine pulsierende Betätigung des Schaltventils erzeugten Druckwellen und es entsteht ein nahezu kon- tinuierlicher und wenig pulsierender Massen- / Volumenstrom.

Das Dämpfungsvolumen ist mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas gefüllt. In einer Ausführungsform ist das Dämpfungsvolumen ein Membrandruckspeicher, der sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas enthält, die durch eine flexible Membran voneinander getrennt sind. Die Membran kann ein metallisches oder ein organisches Material umfassen. Das Verhältnis des von der Flüssigkeit eingenommenen Volumens zu dem von dem Gas eingenommenen Volumen in dem Membrandruckspeicher ist durch Bewegen der flexiblen Membran variabel. Ein solcher Membrandruckspeicher ermöglicht eine besonders effektive Dämpfung auch starker Druckschwankungen. In einer weiteren Ausführungsform ist in Strömungsrichtung hinter dem Druckspeicher eine Ablaufdrossel angeordnet. Durch eine solche Ablaufdrossel können die Druckschwankungen noch weiter verringert werden. Darüber hinaus kann die Durchflussmenge durch die Dosiervorrichtung bedarfsgemäß eingestellt werden. Insbesondere sind auch kleine Dosiermengen mit geringen Druckschwankungen realisierbar.

In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Schaltventil und dem Druckspeicher eine Zulaufdrossel angeordnet. Durch eine solche Zulaufdrossel können die bei der Betätigung des Schaltventils auftretenden Druckschwankungen noch weiter reduziert werden.

In einer Ausführungsform ist das Schaltventil mechanisch und hydraulisch integriert und das Dämpfungsvolumen ist direkt in eine Ventilaufnahme integriert. In dieser Ausführungsform kann eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung besonders platzsparend realisiert werden.

In einer Ausführungsform umfasst wenigstens eine Zu- und/oder Ablaufleitung zu bzw. von dem Schaltventil ein elastisches Material. Eine Zu- bzw. Ablaufleitung aus einem elastischen Material verwirklicht die Funktion eines Dämpfungsvolumens ohne zusätzlichen Aufwand und ist daher besonders kostengünstig.

In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens neben dem Schaltventil auch eine Drossel in die Aufnahme integriert. Dadurch kann eine Dosiervorrichtung mit einer Drossel besonders platzsparend realisiert werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Mengendosierung mit einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung, wobei das Schaltventil pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Schaltventils er- möglicht eine genaue Dosierung der Durchflussmenge über einen weiten Bereich der gewünschten Mengendosierung.

In einem alternativen Verfahren zur Mengendosierung wird das Schaltventil frequenzmoduliert angesteuert. Durch eine Frequenzmodulation ist eine genaue Dosierung besonders einfach und kostengünstig realisierbar. - A -

In einer Ausführungsform der Frequenzmodulation wird das Schaltventil mit einer Frequenz angesteuert, die größer als 10 Hz ist. Insbesondere wird das Schaltventil mit einer Frequenz angesteuert, die im Bereich von 50 Hz bis 200 Hz liegt. In einem weiteren Verfahren zur Mengendosierung wird das Schaltventil sowohl pulsweiten- als auch frequenzmoduliert angesteuert. Eine solche Kombination einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung mit einer frequenzmodulierten Ansteuerung ist besonders flexibel und ermöglicht eine optimale Ansteuerung des Schaltventils zu einer genauen Dosierung über einen weiten Dosierungsbereich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen und Diagramme näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung eines herkömmlichen Schaltven- tils;

Figur 2 eine frequenzmodulierte Ansteuerung eines herkömmlichen Schaltventils;

Figur 3a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung;

Figur 3b eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung; Figur 4 eine kombinierte Pulsweiten- / Frequenzansteuerung einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung; und

Figur 5 den zeitlichen Verlauf des Ausgangsdrucks einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung im Vergleich zu dem Ausgangsdruck eines nicht druckausge- glichenen, herkömmlichen Schaltventils.

Figur 1 zeigt schematisch die pulsweitenmodulierte Ansteuerung eines herkömmlichen Schaltventils. In dem in der Figur 1 unten dargestellten Diagramm ist auf der y-Achse die an das Schaltventil angelegte Spannung U über der auf der x- Achse aufgetragenen Zeit t dargestellt. Auf dem in der Figur 1 oben dargestellten Diagramm ist auf der y-Achse das jeweils durch das Schaltventil strömende Volumen V über der auf der x-Achse aufgetragenen Zeit t dargestellt.

An das Schaltventil wird in konstanten zeitlichen Abständen T für variable Zeit- räume t„ t _j , t _k eine Schaltspannung Usv angelegt. Bei angelegter Schaltspannung

Usv ist das Schaltventil geöffnet. Im geöffneten Zustand strömt pro Zeiteinheit ein Volumen ΔV durch das Schaltventil. Das durch das Schaltventil während jedes Öffnungsvorgangs strömende Volumen V = ΔV ^* t, _,kJ wird durch die variablen Öffnungszeiten t, _,k,j eingestellt. Das im Mittel durch die Dosiervorrichtung strömende Volumen ergibt sich aus den konstanten zeitlichen Abständen T zwischen den

Öffnungsvorgängen und dem zeitlichen Mittel t der variablen Öffnungszeiten t„ t _j , t _k Die mittlere Strömungsmenge kann so durch die Wahl der Öffnungszeiten t„ t _j , t _k in einem weiten Bereich eingestellt werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Schaltventil auch so ausgebildet sein, dass es bei angelegter Schaltspannung U _S v geschlossen ist und durch Abschalten der Schaltspannung Usv geöffnet wird.

Figur 2 zeigt schematisch die frequenzmodulierte Ansteuerung eines Schaltven- tils.

Bei der Frequenzmodulation wird in variablen Zeitabständen T ₁ , T ₂ , T ₃ für eine konstante Zeit Δt eine Schaltspannung Usv sn das Schaltventil angelegt. Das Schaltventil ist geöffnet, solange die Schaltspannung U _S v angelegt ist. Bei geöff- netem Schaltventil strömt pro Zeiteinheit ein konstantes Volumen V = ΔV ^* Δt durch das Schaltventil. Da das Zeitintervall Δt, in der das Schaltventil geöffnet ist, bei jedem Schaltvorgang gleich ist, strömt bei jedem Schaltvorgang das gleiche Volumen V durch das Schaltventil. Die insgesamt in einem Zeitraum T durch das Schaltventil strömende Menge wird durch die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit, d. h., durch die zeitlichen Abstände T ₁ , T ₂ , T ₃ zwischen den Schaltvorgängen reguliert.

Sowohl bei der in der Figur 1 gezeigten Pulsweitenmodulation als auch bei der in der Figur 2 gezeigten Frequenzmodulation schwankt das durch das Schaltventil strömende Volumen stark. Am Ausgang des Schaltventils treten erhebliche

Druckschwankungen auf, die in vielen Anwendungen nicht tolerabel sind. Figur 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit einem Schaltventil 2, das mit einer Zulaufleitung 3 und einer Ablaufleitung 5 verbunden ist. Das Schaltventil 2 ist durch eine, in der Figur 3 nicht ge- zeigte, elektrische Ansteuerung zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand umschaltbar. In der Ablaufleitung 5 des Schaltventils 2 ist eine Zulaufdrossel 4 angeordnet, die den Ausgang des Schaltventils 2 hydraulisch mit einem Eingang eines Dämpfungsvolumens 6 verbindet. An einem Ausgang des Dämpfungsvolumens 6 ist eine Ablaufdrossel 8 angeschlossen. Bei geöffneten Schaltventil strömt gasförmiges und/oder flüssiges Fluid durch die Zulaufdrossel

4 in das Dämpfungsvolumen 6 und von dort durch die Ablaufdrossel 8 zu einer nicht gezeigten Anwendung.

Das Dämpfungsvolumen 6 gleicht Schwankungen im Volumenstrom aus und dämpft so die beim Öffnen und Schließen des Schaltventils 2 auftretenden

Druckschwankungen. Das Dämpfungsvolumen 6 kann ein zumindest teilweise mit Gas oder Flüssigkeit gefüllter Speicher und insbesondere ein Membranspeicher sein, der sowohl Gas als auch Flüssigkeit enthält, wobei das Gas und die Flüssigkeit durch eine bewegliche Membran voneinander getrennt sind und das Volumenverhältnis zwischen der Flüssigkeit und dem Gas variabel ist.

Durch ein geeignet dimensioniertes Dämpfungsvolumen 6, dessen Größe in einem geeigneten Verhältnis zu dem pro Zeiteinheit und Einschaltvorgang durch das Schaltventil 2 strömende Fluidvolumen steht, wird eine näherungsweise sta- tionäre Strömung erreicht, in der nur geringe Druckschwankungen auftreten.

Durch geeignet dimensionierte Drosseln 4, 6 können die Durchflussmenge und das Dämpfungsverhalten bedarfsgemäß eingestellt werden. Insbesondere kann das System so angepasst werden, dass auch kleine Dosiermengen mit geringen Druckschwankungen realisierbar sind.

Fig. 3b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung. Der Aufbau der in der Fig. 3b gezeigten Dosiervorrichtung entspricht im Wesentlichen der in der Fig. 3a gezeigten Dosiervorrichtung, wobei zusätzlich ein zweites Dämpfungsvolumen 7 stromaufwärts des Schaltventils 2 in der Zulaufleitung 5 angeordnet ist. Durch ein solches zweites Dämpfungsvolumen 7 können durch Schaltvorgänge des Schaltventils 2 verursachte Druckschwankungen noch weiter reduziert werden.

Figur 4 zeigt ein Verfahren zur Ansteuerung des Schaltventils 2 in einer erfin- dungsgemäßen Dosiervorrichtung, wobei das Schaltventil 2 gleichzeitig sowohl pulsweiten- als auch frequenzmoduliert angesteuert wird. Das untere Diagramm in der Figur 4 zeigt die an das Schaltventil angelegte Spannung über der Zeit. Dabei werden sowohl die zeitlichen Abstände T ₁ , T ₂ zwischen den Einschaltvorgängen als auch die Dauer At ₁ , At ₂ , At ₃ der Einschaltvorgänge variiert, um den zeitlich gemittelten Durchfluss durch die Dosiervorrichtung einzustellen. Eine solche kombinierte pulsweiten- und frequenzmodulierter Ansteuerung ermöglicht eine besonders flexible Einstellung des durch das Schaltventil 2 strömenden Volumens in einem sehr weiten Bereich. Das obere, in der Figur 4 dargestellte Diagramm zeigt die Flussmenge am Ausgang einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung, bei der das Schaltventil 2 mit dem im unteren Diagramm in der Figur 4 gezeigten Verfahren angesteuert wird.

In der Figur 4 ist gut erkennbar, dass das aus der Dosiervorrichtung ausströmen- de Volumen weniger stark schwankt, als bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten herkömmlichen Verfahren, bei denen kein erfindungsgemäßes Dämpfungsvolumen 6 vorgesehen ist. Mit der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung wird ein näherungsweise stationärer Strömungszustand mit einer geringen Variation des Durchflusses erzeugt.

Die Figuren 5a und 5b zeigen einen Vergleich des Ausgangsdrucks eines herkömmlichen, pulsierend angesteuerten Schaltventils (Figur 5a) mit dem Druck am Ausgang einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung (Figur 5b). In den Figuren 5a und 5b ist der Druck am Ausgang des Schaltventils bzw. der Dosiervor- richtung über der Zeit t aufgetragen, wobei in beiden Figuren 5a und 5b der gleiche Maßstab verwendet ist. Der direkte Vergleich zeigt deutlich, dass der Druck am Ausgang der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung deutlich geringeren Schwankungen unterliegt, als der Druck am Ausgang eines herkömmlichen, pulsierend angesteuerten Schaltventils (Figur 5a). Die Figuren 5a und 5b verdeutlichen, dass eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die durch den pulsierenden Betrieb eines Schaltventils entstehenden Druckwellen zu reduzieren und einen nahezu konstanten Massen- bzw. Volumenstrom zu erzeugen, löst.

Eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung mit einem preiswerten Schaltventil ist somit auch für Anwendungen geeignet, die sensibel gegenüber Druckschwankungen sind und keine großen oder schnellen Druckschwankungen tolerieren.