DE102005037150A1

DE102005037150A1 - Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels

Info

Publication number: DE102005037150A1
Application number: DE102005037150A
Authority: DE
Inventors: Leo Dr. Bakaj; Georg Dr. Hüthwohl; Christof Dr. Lücking; Wilhelm Malitsky; Bernd Dr. Maurer; Frank Noack
Original assignee: Purem Abgassysteme GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-06
Filing date: 2005-08-06
Publication date: 2007-02-08
Also published as: WO2007017044A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels.
Eine Vorrichtung (1) zur Dosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgastrakt (2) einer Brennkraftmaschine (3), insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, weist eine Dosierpumpe (4) zur Förderung des Reduktionsmittels aus einem Tank (6) über eine Leitung (7) zu einer federbelasteten Einspritzdüse (8), die sich selbsttätig durch den Druck des Reduktionsmittels öffnen kann und das Reduktionsmittel in den Abgastrakt (2) abspritzt, auf, wobei in der Einspritzdüse (8) ein konstanter Druck (17) des Reduktionsmittels herrscht, der größer ist als ein Siededruck (20) des Reduktionsmittels.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise für Nfz-Anwendungen vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Es ist bekannt, im Abgas von Dieselbrennkraftmaschinen enthaltene Stickoxide durch selektive katalytische Reduktion zu vermindern. Dazu wird dem Abgas vor einem SCR-Katalysator ein Reduktionsmittel, eine wässrige Harnstofflösung, fein zerstäubt in dosierter Menge in einen Abgastrakt der Dieselbrennkraftmaschinen eingespritzt.

Aus der gattungsbildenden Patentschrift DE 103 32 114 A1 ist eine Vorrichtung zur Dosierung von Reduktionsmittel zum Abgas einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Vorrichtung weist eine Einspritzdüse auf, dem ein Reduktionsmittel aus einem Tank über eine Druckleitung mittels einer Dosierpumpe zugeführt wird. Die Einspritzdüse ist einem Abgastrakt angeordnet. Die druckgesteuerte Einspritzdüse öffnet bzw. schließt selbstständig in Abhängigkeit des Druckes des Reduktionsmittels. Die vorzugsweise als Drosselzapfendüse ausgeführte Einspritzdüse zeichnet sich durch ein vergleichsweise großes internes Volumen aus, das mit dem einzuspritzenden Reduktionsmittel gefüllt ist. Die von dem Abgas in dem Abgastrakt umspülte Einspritzdüse wird durch das Reduktionsmittel in der Einspritzdüse gekühlt. Das Reduktionsmittel führt die Wärme der Einspritzdüse bei der Einspritzung ab und wird durch kühleres Reduktionsmittel in der Einspritzdüse ersetzt. Nachteilig ist, dass ein Verdampfen des Reduktionsmittels in der Einspritzdüse nicht ausgeschlossen werden kann, wodurch in der Einspritzdüse Ablagerungen entstehen, die zu einer Fehlfunktion der Einspritzdüse führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der Ablagerungen in der Einspritzdüse vermieden werden können und die Zerstäubung des Reduktionsmittels verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Einspritzdüse in der ein konstanter Druck des Reduktionsmittels herrscht, der größer ist als ein Siededruck des Reduktionsmittels. Die Vorrichtung weist im Wesentlichen eine Einspritzdüse, einen Tank und eine Dosierpumpe auf. Die Dosierpumpe fördert das Reduktionsmittel, vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung, über eine Druckleitung zu der Einspritzdüse. Die federbelastete Einspritzdüse öffnet bzw. schließt selbsttätig bei Erreichen eines bestimmten Druckes des Reduktionsmittels. Die Einspritzdüse spritzt das Reduktionsmittel in einen von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmten Abgastrakt ab. Durch Konvektion und Strahlung wird die Einspritzdüse von dem Abgas aufgeheizt. Somit erhitzt sich auch das Reduktionsmittel in der Einspritzdüse. Ein Verdampfen des Reduktionsmittels und herauslösen von Bestandteilen aus dem Reduktionsmittel, die sich als Ablagerungen in der Einspritzdüse absetzten, setzt bei dem Sieden des Reduktionsmittels ein. Die Temperatur, die Siedetemperatur, bei der das Reduktionsmittel zu sieden beginnt, ist von dem Druck des Reduktionsmittels, der Siededruck, abhängig. Um ein Sieden des Reduktionsmittels in der Einspritzdüse zu vermeiden, ist in der Einspritzdüse ein konstanter Druck vorzusehen, der größer ist als der Siededruck. Damit liegt die Temperatur der Einspritzdüse unterhalb der Siedetemperatur. Vorteilhafterweise ist durch den hohen Druck in der Einspritzdüse eine hohe Zerstäubungsgüte des Reduktionsmittels sichergestellt.

In Ausgestaltung der Erfindung öffnet bzw. schließt die Einspritzdüse sich periodisch in dem Takt eines Förderpulses der Dosierpumpe. Die Dosierpumpe hält das Reduktionsmittel in der Einspritzdüse unter einen konstanten Druck, der den Siededruck des Reduktionsmittels übersteigt. Durch einen Förderpuls steigt der konstante Druck über einen Öffnungsdruck der Einspritzdüse, die Einspritzdüse öffnet und das Reduktionsmittel wird in den Abgastrakt eingespritzt. Nach dem Einspritzvorgang sinkt der Druck unterhalb des Öffnungsdruckes auf den konstanten Druck und die Einspritzdüse schließt. Vorteilhafterweise hat die Einspritzdüse die alleinige Funktion, die Zerstäubung optimal zu gestalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Dosierpumpe als Konstanthubpumpe mit einer einstellbaren Hubfrequenz ausgebildet. Die Konstanthubpumpe kann als Kolbenpumpe oder Membranpumpe herkömmlicher Bauart ausgeführt sein. Ein Fördervolumen pro Förderhub ist immer gleich groß. Dadurch ist die Einspritzmenge ist mittels der Hubfrequenz einstellbar. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung einfach aufgebaut, da die Dosierung und Förderung des Reduktionsmittels allein durch die Dosierpumpe erfolgt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Dosierpumpe einen Temperatursensor auf. Vorteilhafterweise ist die Masse des eingespritzten Reduktionsmittels damit genauer bestimmbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Dosierpumpe einen Drucksensor auf. Der Drucksensor misst den Druck in der Druckleitung der Vorrichtung. Vorteilhafterweise sind dadurch der Druck in der Druckleitung und Fehlfunktionen der Vorrichtung erkennbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Einspritzdüse ein nach außen öffnendes Ventilelement auf. Vorteilhafterweise werden Ablagerungen und Verunreinigungen bei Abspritzen von Reduktionsmittel aus dem Ventilelement herausgespült und ein selbstreinigender Effekt der Einspritzdüse erreicht.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.

Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine,
2 ein Diagramm des Druckverlaufs des von einer Dosierpumpe geförderten Reduktionsmittels und
3 eine schematische Darstellung eines Ventilelements.
In der 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Dosierung von Reduktionsmittel, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgastrakt 2 einer Brennkraftmaschine 3, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, dargestellt.
Eine Dosierpumpe 4 saugt über eine Saugleitung 5 aus einem Tank 6 das Reduktionsmittel an. Die Dosierpumpe 4 fördert das Reduktionsmittel über eine Druckleitung 7 zu einer Einspritzdüse 8. Die Einspritzdüse 8 weist einen Befestigungsabschnitt 9 und einen Abspritzabschnitt 10 mit einem Ventilelement 11 auf. Der Befestigungsabschnitt 9 der Einspritzdüse 8 ist mit der Druckleitung 7 verbunden und an einem nicht näher dargestellten Gehäuseteil des Abgastrakts 2 angebracht. Der in den Abgastrakt 2 hineinragende Teil der Einspritzdüse 8 mit dem Abspritzabschnitt 10 weist das Ventilelement 11 auf. In dem Abgastrakt 2 stromab des Einspritzventils 8 ist ein Katalysator 12, insbesondere ein SCR-Katalysator („selectiv catalytic reduction"), vorgesehen. Die Einspritzdüse 8 spritzt das Reduktionsmittel vorzugsweise in Strömungsrichtung des Abgases (Pfeilrichtung) der Brennkraftmaschine 3 vor dem Katalysator 12 ab.
Das Ventilelement 11 der Einspritzdüse 8 ist federbelastet ausgeführt, so dass bei Erreichen eines bestimmten Druckes des Reduktionsmittels in der Einspritzdüse 8 das Ventilelement 11 eine Offenstellung und bei fallenden Druck wieder seine Schließstellung einnimmt.
Die Dosierpumpe 4 ist als Konstanthubpumpe in Form einer Kolbenpumpe oder einer Membranpumpe herkömmlicher Bauart ausgeführt. Ein Fördervolumen der Dosierpumpe 4 ist bei jedem Föderhub gleich groß. Die Dosierpumpe 4 weist einen nicht näher dargestellten elektrischen Antrieb, einen Temperatursensor 13 und eine Drucksensor 14 auf. Der elektrische Antrieb und die Sensoren 13, 14 sind mittels elektrischer Leitungen 15 mit einem Steuergerät 16 verbunden. Das Steuergerät 16 steuert eine Hubfrequenz der Dosierpumpe 4, wodurch die Einspritzmenge des Reduktionsmittels pro Zeiteinheit einstellbar ist. Mit Hilfe des Temperatursensors 13 ist darüber hinaus die Masse des eingespritzten Reduktionsmittels bestimmbar. Mit dem Drucksensor 14 ist der Druck in der Druckleitung 7 und in der Einspritzdüse 8 einstellbar und Störungen in der Vorrichtung 1, wie beispielsweise durch Undichtigkeiten, bestimmbar.
In der 2 ist ein Druckverlauf des von der Dosierpumpe 4 geförderten Reduktionsmittels für zwei aufeinander folgende Einspritzungen schematisch dargestellt. Die Dosierpumpe 4 fördert das Reduktionsmittel über die Druckleitung 7 und in die Einspritzdüse 8 und hält das Reduktionsmittel unter einen konstanten Druck 17. Ein Förderpuls 18 der Dosierpumpe 4 übersteigt einen Öffnungsdruck 19 der Einspritzdüse 8. Das Ventilelement 11 der Einspritzdüse 8 öffnet und das Reduktionsmittel spritzt in den Abgastrakt 2 ab. Im Verlauf der Einspritzung sinkt der Druck des Förderpulses 18 unterhalb des Öffnungsdruckes 19 auf den konstanten Druck 17 und das Ventilelement 11 der Einspritzdüse 8 schließt. Sobald ein weiterer, nachfolgender Förderpuls 18 die Einspritzdüse 8 erreicht, erfolgt eine weitere Einspritzung. Die Einspritzdüse 8 öffnet und schließt im Takt des Förderpulses 18 der Dosierpumpe 4, der Hubfrequenz, d.h., die Anzahl der Hübe bzw. der Einspritzungen pro Zeiteinheit bestimmt die Einspritzmenge bzw. Einspritzmasse pro Zeiteinheit.
Die Einspritzdüse 8 wird durch Konvektion und Strahlung des Abgases in dem Abgastrakt 2 erhitzt. Das Reduktionsmittel in der Einspritzdüse 8 nimmt die Wärme der Einspritzdüse 8 auf und führt sie bei der Einspritzung aus der Einspritzdüse 8 ab. Die Temperatur des Reduktionsmittels in der Einspritzdüse 8 stellt sich in Abhängigkeit der Temperatur des Abgases in dem Abgastrakt 2 und der Hubfrequenz der Dosierpumpe 4 ein.
Das Reduktionsmittel in der Einspritzdüse 8 beginnt ab einer bestimmten Temperatur an zu sieden. Durch das Sieden kommt es zum Verdampfen zumindest eines Teils des Reduktionsmittels, was zur Bildung von Ablagerungen in der Einspritzdüse 8 und zu unkontrollierten Öffnen und Schließen der Einspritzdüse 8 führen kann.
Die Siedetemperatur, die Temperatur bei der das Reduktionsmittel zu sieden beginnt, ist abhängig von dem Siededruck 20 des Reduktionsmittels, dem Druck bei dem das Reduktionsmittel zu sieden beginnt.
Wie in 2 dargestellt, ist der konstante Druck 17 in der Einspritzdüse 8 höher als der Siededruck 20. Dadurch liegt die Siedetemperatur höher als eine Temperatur der Einspritzdüse 8 und Sieden bzw. Verdampfen des Reduktionsmittels wird vermieden.
Versuche haben gezeigt, dass ein konstanter Druck 17 des Reduktionsmittels von 10 bar in der Druckleitung 7 und der Einspritzdüse 8 zu eine Erhöhung der Siedetemperatur auf etwa 180°C führt. Selbstverständlich sind auch andere konstante Drücke 17 denkbar. Vorteilhafterweise führen die hohen Drücke in der Vorrichtung 1 zu einer verbesserten Zerstäubung des Reduktionsmittels.
In der 3 ist schematisch das Ventilelement 11 der Einspritzdüse 8 dargestellt. Das Ventilelement 11 weist ein Ventilgehäuse 21 auf, in dem eine Ventilnadel 22 in einer Ventilbohrung 23 beweglich geführt ist. Die Ventilnadel 22 ist als so genanntes Tellerventil ausgeführt. Ein Ventilsitz 24 wird von einem Ventilteller 25 und einem konisch nach außen erweiternden Abschnitt 26 der Ventilbohrung 23 gebildet. Im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse 8 bzw. des Ventilelements 11 wird der Ventilteller 25 der Ventilnadel 21 durch eine Ventilfeder 27 auf den Ventilsitz 24 gedrückt. Die Ventilfeder 27 stützt sich hierzu an einem dem Ventilteller 25 gegenüberliegenden Kopf 28 der Ventilnadel 22 und an dem Ventilgehäuse 21 ab. Das Ventilelement 11 öffnet wenn der an dem Ventilteller 25 angreifende Druck des Reduktionsmittels die Federkraft der Ventilfeder 27 übersteigt. Dadurch wird die Ventilnadel 22 aus dem Ventilgehäuse 21 herausgedrückt und zwischen dem Ventilteller 25 und dem Ventilsitz 24 bildet sich eine ringförmige Abspritzöffnung 29. Einspritzdüsen 8 mit einem nach außen öffnenden Ventilelement 11 zeichnen sich durch ein kleines internes Volumen mit kleinen Strömungsquerschnitten aus. Vorteilhafterweise ist die Strömungsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels in der Einspritzdüse 8 während der Einspritzung sehr hoch, wodurch eine weiter verbesserte Zerstäubung des Reduktionsmittels und eine selbstreinigender Effekt der Einspritzdüse 8 erreicht wird.

Claims

Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Dosierpumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus einem Tank über eine Leitung zu einer federbelasteten Einspritzdüse, die sich selbsttätig durch den Druck des Reduktionsmittels öffnen kann und das Reduktionsmittel in den Abgastrakt abspritzt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einspritzdüse (8) ein konstanter Druck (17) des Reduktionsmittels herrscht, der größer ist als ein Siededruck (20) des Reduktionsmittels.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (8) sich periodisch in einem Takt eines Förderpulses (18) der Dosierpumpe (4) öffnet bzw. schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe (4) als Konstanthubpumpe mit einer einstellbaren Hubfrequenz ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe (4) einen Temperatursensor (13) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe (4) einen Drucksensor (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (8) ein nach außen öffnendes Ventilelement (11) aufweist.