Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosierpumpanordnung, mit welcher beispielsweise Kohlenwasserstoff bei einem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät oder einem Reformer für eine Brennstoffzelle gefördert werden kann.

Sowohl beim Betreiben von brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgeräten, als auch beim Betreiben von Reformern besteht grundsätzlich das Erfordernis, die für den Verbrennungsprozess oder den Reformationsprozess zugeführte Brennstoffmenge sehr genau zu dosieren. Hierzu ist es bekannt, als Hubkol- benpumpen ausgebildete Dosierpumpen einzusetzen, die bei jedem Kolbenhub eine vorbestimmte Fluidmenge fördern. Es wird dabei ein intermittierender Fluidstrom erzeugt, bei welchem die pro Zeiteinheit geförderte Fluidmenge durch die Frequenz der Hin- und Herbewegung des Hubkolbens bestimmt werden kann.

Obgleich mit derartigen Dosierpumpen eine vergleichsweise genaue Einstellung der Förderrate möglich ist, hat sich gezeigt, dass über die Betriebslebensdauer hinweg durch insbesondere im Bereich des Hubkolbens und eines diesen führenden Gehäuses auftretenden Verschleiß Leckagen auftre- ten können, welche zur Folge haben, dass der definierte Zusammenhang zwischen der Arbeitsfrequenz und der geförderten Fluidmenge verloren geht und somit nicht mehr die an sich erforderliche Brennstoffmenge zu dem mit Fluid zu speisenden Systembereich gefördert werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dosierpumpanordnung vorzusehen, mit welcher auch über eine längere Betriebslebensdauer hinweg für das Bereitstellen eines definierten Fluidstroms gesorgt werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Dosierpumpanordnung, insbesondere zur Kohlenwasserstoffförderung bei einem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät oder einem Reformer, umfassend zwei Fördereinheiten, wobei jede Fördereinheit umfasst: eine Förderkammer mit verän- derbarem Volumen, eine Piezoanordnung, durch welche das Volumen der Förderkammer veränderbar ist oder/und eine Volumenänderung der Förderkammer sensierbar ist, einen zu der Förderkammer führenden Einströmbereich mit einem Einlassventil, einen von der Förderkammer weg führenden Ausström bereich mit einem Auslassventil, wobei ein erster Einströmbereich einer ersten Fördereinheit mit einem zweiten Ausströmbereich einer zweiten Fördereinheit verbunden ist und wobei durch elektrische Erregung der Piezoanordnung von einer der Fördereinheiten Fluid durch die Förderkammer dieser Fördereinheit und die Förderkammer der anderen Fördereinheit hin- durchförderbar ist und eine dabei erzeugte Volumenänderung der anderen Förderkammer durch die dieser zugeordneten Piezoanordnung sensierbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Dosierpumpanordnung kann eine der beiden Fördereinheiten dazu genutzt werden, den Fluidstrom zu erzeugen, welcher Fluidstrom dann durch die Förderkammern beider Fördereinheiten hindurchströmt. Bei der nicht zum Fördern betriebenen Fördereinheit erzeugt der Fluidstrom eine Volumenänderung der dort vorhandenen Förderkammer, die wiederum sensierbar ist durch die dieser Förderkammer zugeordnete Piezoanordnung. Es kann somit im Dosierbetrieb Information über den Fluidstrom erzeugt werden, die dazu genutzt werden kann, die als Pumpe betriebene Fördereinheit so anzusteuern, dass der Fluidstrom bzw. der Fluidmassen- strom bei einem gewünschten Sollwert liegt.

Dabei kann der Aufbau beispielsweise derart sein, dass jede Förderkammer durch einen verformbaren Abschlussbereich begrenzt ist und durch die zugeordnete Piezoanordnung der Abschlussbereich verformbar ist oder/und eine Verformung des Abschlussbereichs sensierbar ist. Durch die Zusammenwirkung einer jeweiligen Piezoanordnung mit einem verformbaren Ab- schlussbereich kann die bei Erregung der Piezoanordnung generierte Verformung derselben leicht und zuverlässig in eine entsprechende Volumenänderung umgesetzt werden bzw. eine Volumenänderung in eine Verformung der Piezoanordnung und ein entsprechendes Ausgangssignal derselben um- gesetzt werden.

Auf Grund des einfacheren Aufbaus können die beiden Fördereinheiten im Wesentlichen baugleich zueinander ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Dosierpumpanordnung kann so in ein Gesamtsystem integriert sein, dass ein zweiter Einströmbereich der zweiten Fördereinheit mit einem Fluidreservoir zu verbinden ist und ein erster Ausströmbereich der ersten Fördereinheit mit einem mit Fluid zu speisenden Systembereich zu verbinden ist. Bei dieser Ausgestaltungsvariante wird also der gesamte geförderte Fluidstrom durch die beiden seriell geschalteten Fördereinheiten hindurch gefördert.

Bei einer alternativen Ausgestaltungsart kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Einström bereich der zweiten Fördereinheit mit einem Fluidreservoir zur Aufnahme von Fluid zu verbinden ist, der zweite Ausströmbereich der zweiten Fördereinheit mit dem ersten Einströmbereich der ersten Fördereinheit und mit einem mit Fluid zu speisenden System zu verbinden ist, und ein erster Ausströmbereich der ersten Fördereinheit mit dem Fluidreservoir zur Rückführung von Fluid zu verbinden ist. Bei dieser Variante wird nur ein Teilfiuidstrom durch die zum Messen verwendete Fördereinheit hindurch geleitet und zum Fluidreservoir zurück zirkuliert. Der zu dem zu speisenden System geleitete Fluidteilstrom wird in dem Bereich zwischen den beiden Fördereinheiten abgezweigt.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Dosierpumpanordnung, insbesondere zur Kohlenwasserstoffförderung bei einem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät oder einem Reformer, umfassend eine Fördereinheit, diese umfassend eine Förderkammer - A - mit veränderbarem Volumen, eine Piezoanordnung, durch welche das Volumen der Förderkammer veränderbar ist, einen zu der Förderkammer führenden Einströmbereich mit einem Einlassventil, einen von der Förderkammer weg führenden Ausströmbereich mit einem Auslassventil, ferner umfassend eine Fluidstromerfassungseinheit zum Erfassen einer mit dem Fluidstrom durch die Förderkammer der Fördereinheit in Zusammenhang stehenden Größe, wobei die Fluidstromerfassungseinheit eine Erfassungskammer mit veränderbarem Volumen, eine Piezoanordnung, durch welche eine Volumenänderung der Erfassungskammer sensierbar ist, einen zu der Erfas- sungskammer führenden Einströmbereich und einen von der Erfassungskammer weg führenden Ausströmbereich umfasst.

Femer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Dosierpumpanordnung zum Fördern von Fluid, vor- zugsweise flüssiger Kohlenwasserstoff, von einem Reservoir zu einem mit Fluid zu speisenden System bereich, bei welchem Verfahren eine der Piezo- anordnungen zum alternierenden Verändern des Volumens einer Förderkammer zum Fördern von Fluid erregt wird und von der anderen Piezoanordnung ein den Fluidstrom indizierendes Signal abgegriffen wird.

Dabei kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass beruhend auf dem den Fluidstrom indizierenden Signal eine Fluidfördermenge ermittelt wird.

Da auch Temperaturänderungen und die damit einhergehenden Volumenän- derungen insbesondere auch bei flüssigen Medien den Fluidmassenstrom beeinflussen können, wird weiter vorgeschlagen, dass die Fluidfördermenge ferner beruhend auf der Temperatur des geförderten Fluids ermittelt wird.

Um sicherzustellen, dass mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Dosier- pumpanordnung jederzeit die erforderliche Fluidmenge bzw. Fluidmasse gefördert wird, wird dann weiter vorgeschlagen, dass die ermittelte Fluidfördermenge mit einer Soll-Fluidfördermenge verglichen wird und die eine Piezoanordnung auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses angesteuert wird. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 im Schnitt eine erfindungsgemäß aufgebaute

Dosierpumpanordnung 10 zeigt;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausgestaltungsart.

Die Dosierpumpanordnung 10 der Fig. 1 umfasst zwei zueinander im Wesentlichen identisch aufgebaute Fördereinheiten 12, 14, die als so genannte Mikrodosierpumpen ausgebildet sein können. Jede dieser Fördereinheiten 12, 14 umfasst eine Förderkammer 16 bzw. 18 mit veränderba- rem Volumen. Die Förderkammern 16, 18 sind durch membranartig ausgebildete, flexible und somit verformbare Abschlussbereiche 20, 22 abgeschlossen. An diesen Abschlussbereichen 20, 22 ist jeweils eine Piezoein- heit 24, 26 vorgesehen. Jede Piezoeinheit 24, 26 weist Anschlüsse 28, 30 bzw. 32, 34 auf. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einem jeweiligen Paar von Anschlüssen 28, 30 bzw. 32, 34 verformt sich die Piezo- anordnung 24 bzw. 26 auf Grund des piezoelektrischen Effekts, was zu einer entsprechenden Verformung des zugeordneten Abschlussbereichs 20 bzw. 22 und einer Volumenänderung der zugeordneten Förderkammer 16 bzw. 18 führt. Entsprechend führt eine in anderer Weise erzwungene Volumenänderung einer Förderkammer 16 bzw. 18 zu einer Verformung des jeweiligen Abschlussbereichs 20 bzw. 22 und entsprechend auch der zugeordneten Piezoeinheit 24 bzw. 26. Durch diese Verformung entsteht wiederum auf Grund des piezoelektrischen Effekts zwischen den paarweise einander zugeordneten Anschlüssen 28, 30 bzw. 32, 34 eine elektrische Spannung, welche das Ausmaß der Verformung und mithin auch das Ausmaß der Volumenänderung der jeweiligen Förderkammer 16 oder 18 indiziert. Jθde Fördereinheit 12 bzw. 14 umfasst einen Einströmbereich 36 bzw. 38 sowie einen Ausström bereich 40 bzw. 42. Wie man in der Fig. 1 erkennt, ist der Einströmbereich 36 der Fördereinheit 12 mit dem Ausströmbereich 42 der Fördereinheit 14 verbunden. Der Einströmbereich 38 der Fördereinheit 14 kann in Verbindung mit einem Fluidreservoir sein. Der Ausström bereich 40 der Fördereinheit 12 kann in Verbindung mit dem mit zu fördernden Fluid, also beispielsweise flüssigem Kohlenwasserstoff, wie z.B. Benzin oder Diesel, zu speisenden Systembereich sein.

Um für den Förderbetrieb eine definierte Strömungsrichtung vorgeben zu können, umfasst ferner jede Fördereinheit 12, 14 in Zuordnung zu dem jeweiligen Einströmbereich 36, 38 ein Einlassventil 43 bzw. 44 und in Zuordnung zu dem Ausströmbereich 40, 42 ein Auslassventil 46 bzw. 48. Diese beispielsweise mit Ventilklappenelementen in Zuordnung zu jeweiligen Ven- tilöffnungen ausgebildeten und somit als Rückschlagventile wirkenden Einlassventile 43, 44 bzw. Auslassventile 46, 48 sorgen dafür, dass ein Fluid- strom im Wesentlichen nur vom Einlassbereich 38 der Fördereinheit 14 zum Ausströmbereich 40 der Fördereinheit 12 möglich ist.

Im Folgenden wird der Betrieb der vorangehend beschriebenen Dosierpumpanordnung 10 zum Fördern von flüssigem Kohlenwasserstoff beschrieben. Bei diesem Betrieb wirkt beispielsweise die Fördereinheit 12 als Pumpe, während die Fördereinheit 14 als Strömungssensor wirksam ist und ein im Zusammenhang mit dem Fluidstrom stehendes Signal abgibt. Um das Fluid zu fördern, wird an die Piezoeinheit 24 der Fördereinheit 14 intermittierend eine elektrische Spannung angelegt, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass für einen jeweiligen Ansaugtakt die Spannung so gewählt wird, dass die Piezoeinheit 40 sich in der Fig. 1 nach oben ausbaucht und damit das Volumen der Förderkammer 16 vergrößert und für einen Ausstoßtakt z.B. durch Anlegen einer Spannung mit umgekehrter Polarität sich nach unten ausbaucht und dadurch das Volumen der Förderkammer 16 verringert. Grundsätzlich könnte auch vorgesehen sein, dass nur mit einer Spannungspolarität gearbeitet wird und die Piezoanordnung 24 sich zwischen dem in der Fig. 1 dargestellten Zustand und einem nach oben oder nach unten ausgebauchten Zustand verformt.

Bei einem Arbeitstakt, bei welchem das Volumen der Förderkammer 16 zu- nimmt, wird über den Einströmbereich 36 und das Einlassventil 43 Fluid angesaugt. Da in dem Verbindungsbereich zwischen dem Einströmbereich 36 und dem Ausströmbereich 42 ein Unterdruck entsteht, öffnet sich das Auslassventil 48 der Fördereinheit 14, so dass auch in der Förderkammer 18 ein Unterdruck entsteht. Dieser Unterdruck hat einerseits zur Folge, dass das Einlassventil 44 öffnet und über den Einströmbereich 38 Fluid nachströmen kann. Andererseits führt die Druckabnahme in der Förderkammer 18 dazu, dass der Abschlussbereich 22 sich verformt und das Volumen der Förderkammer 18 in einem mit dem entstehenden Unterdruck und somit auch der geförderten Fluidmenge in Zusammenhang stehenden Ausmaß verformt. Diese Verformung überträgt sich auf die Piezoanordnung 26. Dabei entsteht zwischen den Anschlüsse 32, 34 eine Spannung, die als ein die Volumenabnahme der Förderkammer 18 indizierendes Signal abgegriffen werden kann.

Diese Volumenabnahme der Förderkammer 18 steht im Zusammenhang mit der Förderwirkung der Fördereinheit 12 und somit dem geförderten Fluidvo- lumen. Je stärker die Fördereinheit 12 Fluid ansaugt, desto stärker wird der Unterdruck in der Förderkammer 18 und mithin die Verformung der Piezoanordnung 26 sein. In Laborversuchen kann der Zusammenhang zwischen der Volumenabnahme der Förderkammer 18 und somit der an den Anschlüsse 32, 34 entstehenden elektrischen Spannung und dem durch die Fördereinheit 12 tatsächlich geförderten Volumenstrom bzw. auch Massenstrom ermittelt werden. In einer Ansteuervorrichtung für die Dosierpumpanordnung 10 kann das an den Anschlüssen 32, 34 abgegriffene Spannungssignal also ausgewertet werden, um somit einen Rückschluss auf den tatsächlich geförderten Fluidmassenstrom zu ziehen. Um hier eine noch präzisere Information für die Ansteuerung der Fördereinheit 12 bereitzustellen, kann weiterhin die Temperatur des geförderten Fluids berücksichtigt werden, beispielsweise durch Vorsehen eines Temperatursensors im Be- reich der Dosierpumpanordnung 10. Da Temperaturänderungen auch zu Volumenänderungen des geförderten Fluids führen, kann durch Berücksichtigung der Temperatur nicht nur präzise auf den geförderten Volumenstrom, sonder auch auf den geförderten Massenstrom geschlossen werden, wel- eher letztendlich beispielsweise bei Durchführung einer Verbrennung oder eines Reformationsprozesses die relevante Größe darstellt.

Es wird somit möglich, die Fördereinheit 12 beruhend auf dem ermittelten Ist-Massenstrom so anzusteuern, dass dieser Ist-Massenstrom bei einem Soll-Massenstrom liegt oder in Richtung zu diesem verstellt wird. Auch könnte die durch die Fördereinheit 14 bereitgestellte Information dazu genutzt werden, beispielsweise eine Anpassung in anderen Systembereichen, beispielsweise einem Verbrennungsluftgebläse, vorzunehmen, um für den auf der Grundlage des Signals der Fördereinheit 14 ermittelten Fluidmassen- ström die korrekte Luftmenge bereitzustellen.

Grundsätzlich sei darauf hingewiesen, dass die in Fig. 1 gezeigte Dosierpumpanordnung auch so betrieben werden kann, dass die Fördereinheit 14 als Pumpe wirkt, während die Fördereinheit 12 als Sensor wirkt. Wird dabei die Piezoanordnung 26 elektrisch erregt und das Volumen der Förderkammer 18 verändert, wird Fluid über das Einlassventil 44 aufgenommen und über das Auslassventil 48 in Richtung zum Einström bereich 36 der Fördereinheit 12 ausgestoßen. Durch den Druckanstieg öffnet das Einlassventil 43, was zu einer entsprechenden Druckzunahme in der Förderkammer 16 führt. Bedingt durch diese Druckzunahme wird sich der Abschlussbereich 20 zusammen mit der Piezoeinheit 24 verformen, so dass nunmehr an den Anschlüsse 28, 30 ein die Volumenänderung indizierendes Spannungssignal abgreifbar ist. Durch den Druckanstieg wird weiterhin das Auslassventil 46 öffnen und das geförderte Fluid über den Abström bereich 40 angegeben.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Dosierpumpanordnung auch so aufgebaut sein, dass tatsächlich nur eine Fördereinheit 12 oder 14 vorgesehen ist, während die andere Einheit lediglich dazu ausgebildet ist, den VoIu- menstrom zu sensieren. Ist beispielsweise die Fördereinheit 12 als Pumpe zu betreiben und als solche ausgebildet, könnte die Einheit 14 lediglich als Sensoreinheit ausgebildet sein, welche zwar den Einströmbereich 38 und den Ausströmbereich 42, in Zuordnung dazu jedoch nicht die Ventile 44, 48 aufweist. Im Einströmbereich 38 und im Ausströmbereich 42 können jedoch Drosselstellen gebildet sein, die dazu führen, dass, bedingt durch die vermittels der Fördereinheit 12 induzierten Druckänderungen, eine entsprechende Druckänderung in der Kammer 18 auftritt und der Abschlussbereich 22 sich zusammen mit der Piezoeinheit 26 verformt.

Eine alternative Ausgestaltungsart einer Dosierpumpanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Komponenten bzw. Baugruppen, welche hinsichtlich Aufbau bzw. Funktion vorangehenden Komponenten oder Baugruppen entsprechen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung des Anhangs "a" bezeichnet. Es ist darauf hinzuweisen, dass der grundsätzliche Aufbau ebenso wie die grundsätzliche Arbeitsweise den vorangehenden entsprechen, so dass auf diesbezügliche Ausführungen verwiesen werden kann.

In Fig. 2 erkennt man das allgemein mit 50a bezeichnete Fluidreservoir, also beispielsweise einen Kraftstofftank in einem Fahrzeug. Eine Leitung 52a führt von dem Fluidreservoir 50a zum Einströmbereich 38a der Fördereinheit 14a. Deren Ausströmbereich 42a ist, ebenso wie in der vorangehend dargestellten Ausgestaltungsvariante, in Verbindung mit dem Einströmbereich 36a der Fördereinheit 12a. Parallel dazu ist der Ausströmbereich 42a über eine Leitung 54a in Verbindung mit dem mit Fluid zu speisenden Systembereich, also beispielsweise im Brennerbereich eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes. Der Ausströmbereich 40a der stromabwärts der Fördereinheit 14a angeordneten Fördereinheit 12a ist über eine Leitung 56a in Verbindung mit dem Fluidreservoir 50a.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausgestaltungsform einer Dosierpumpanordnung 10a wird grundsätzlich die in Strömungsrichtung stromaufwärts gelegene Fördereinheit 14a zum Fördern als Pumpe betrieben, während die davon stromabwärts gelegene Fördereinheit 12a zum Erfassen einer in Zusammenhang mit dem geförderten Fluidstrom stehenden Größe in der vorangehend beschriebenen Art und Weise genutzt wird. Der von der Fördereinheit 14a geförderte und über den Ausström bereich 42a abgegebene Fluidstrom teilt sich auf in zwei Teilströme. Ein erster Teilstrom gelangt über die Leitung 54a zu dem zu speisenden Systembereich, ein zweiter Teilstrom in den Einströmbereich 36a der Fördereinheit 12a und führt zu einer entsprechenden Volumenänderung der Förder- bzw. Messkammer 16a. Diese Volumenänderung kann durch die Piezoanordnung 24a erfasst und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgesetzt werden. Grundsätzlich wird auf Grund des Eintritts nur eines Teils des geförderten Fluids in die Fördereinheit 12a die dabei erzeugte Volumenänderung der Förderkammer 16a geringer sein als der bei der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltungsvariante. Da grundsätzlich aber das Aufteilungsverhältnis der beiden Fluidströme bekannt ist bzw. im Versuch ermittelt werden kann, ist es möglich, durch entsprechende Skalierung die im Zusammenhang mit dem Fluidstrom durch die Fördereinheit 12a auftretende bzw. erfasste Volumenänderung in Verbindung mit dem gesamten geförderten Fluidstrom zu bringen.

Auch bei dieser Ausgestaltungsform ist es möglich, diejenige Fördereinheit 12a, die lediglich zum Erfassen des geförderten Fluidstroms genutzt wird, also die Fördereinheit 12a, primär auch so auszugestalten, dass sie dieser Anforderung Rechnung tragen kann, ohne zusätzliche Maßnahmen dafür bereitzustellen, dass auch diese Förder- bzw. Messeinheit 12a tatsächlich zum Erzeugen des Fluidstroms nutzbar ist. Beispielsweise könnten auch hier der Einströmbereich 36a und der Ausström bereich 40a ohne die Zwischenschaltung von Ventilen mit der Kammer 16a verbunden sein, um dem hier nur einen Teil des geförderten Fluids umfassenden Fluidteilstrom bei der Verformung des Abschlussbereichs 20a so wenig Widerstand als möglich entgegen zu setzen. Grundsätzlich könnte es bei dieser Ausgestaltungsform aber auch vorteilhaft sein, durch Beibehalten der Ventile 43a, 46a einen größeren Fluidströmungswiderstand in Richtung zu der Förder- bzw. Messeinheit 12a einzuführen und somit dafür zu sorgen, dass ein größerer Anteil des durch die Fördereinheit 14a geförderten Fluids über die Leitung 54a zu dem zu versorgenden Systembereich strömt. Dies führt zu einer Erhöhung der Fördereffizienz einer so aufgebauten Dosierpumpanordnung 10a.