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Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zur Dosierung einer aerosolartigen Mischung von Luft und einer Flüssigkeit in eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugverbrennungs-motors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Zur fein verteilten Zugabe einer Flüssigkeit in eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, hat es sich bewährt, die Flüssigkeit vor der Zugabe in die Abgasanlage zu einem Aerosol aufzubereiten. In der
DE 42 30 056 A1 wird hierzu vorgeschlagen, einen Mischraum die Flüssigkeit und Druckluft zuzuführen und die Flüssigkeit mittels der zugeführten Druckluft zu einem Aerosol zu vermischen. Das erzeugte Aerosol wird sodann über eine Gemischleitung einer Zerstäuberdüse zugeleitet, von welcher es in die Abgasanlage abgegeben wird. Vorteilhaft für eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit in der Abgasanlage ist eine möglichst gute Vorvermischung. Diesbezüglich wird in der
DE 42 30 056 A1 vorgeschlagen, die Druckluft dem Mischraum tangential zuzuführen.
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In
DE 26 33 216 C2 wird eine Einrichtung und ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Flüssigkeit, bevorzugt in der Landwirtschaft, Gartenbau oder auf ähnlichem Gebiet, mit besonders großen Tropfen versprüht wird, so dass ein gezieltes Ausbringen und Auftragen der Flüssigkeitstropfen auf Flächen ermöglicht und ein Verwehen feiner Tropfen vermieden wird. Dabei wird die Flüssigkeit mit einem Druck, ideal von 1,4 bar bis maximal 2 bar durch einen Verwirbelungsraum geführt. Dabei entsteht eine Sprühschicht im Austritt aus der Düse. Ab diesem Bereich der Erfindung wird heißes Gas, auch Abgas eines Verbrennungsmotors des landwirtschaftlichen Fahrzeugs, zugeführt, so dass das gewünschte Verhalten der Flüssigkeit zum Versprühen mit niedrigen Drücken erreicht wird. Heiße Abgase von Verbrennungsmotoren scheinen einen positiven Effekt auf den Sprühverlauf zu nehmen.
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In
DE 44 32 577 A1 wird ein Flüssigkeitseindüsungssystem beschrieben. Es eignet sich besonders für die Aufbereitung von wässriger Harnstofflösung für die Abgasreinigung eines Diesel Verbrennungsmotors. Ziel der Erfindung ist es, Vereisen und Ablagerungen nach dem Betrieb zu vermeiden. Das System umfasst beheizte Komponenten, wie die Leitungen und den Tank sowie ein druckluftbetriebenes Spülsystem, welches durch ein Mehr-Wege Ventil, als Spülventil genutzt, gesteuert wird. Auf diese Weise kann Luft nach Abstellen des Motors in Richtung des Injektors sowie auch in Richtung des Tanks zur Reinigung der Komponenten eingeblasen werden. Auf diese Weise gelingt es das Problem von Frostschäden oder Ablagerungen in den Leitungen oder ein Einfrieren bei Temperaturen unter -11°C (Taupunkt von 32%iger Harnstofflösung) zu vermeiden. Die relative Nähe des Mehr-Wege Ventils zur Injektionsdüse in den Abgaskanal wird als Merkmal hervorgehoben. Die in diesem System genutzte Druckluft dient somit nicht zur Mediumaufbereitung oder Zerstäubung im Fahrbetrieb, das Mehrwegeventil blockiert im Motorbetrieb die Druckluftzuführung.
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In
DE 101 50 518 C1 wird ein Harnstoff Dosiersystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, das als Weiterentwicklung der oben genannten Schrift angesehen werden kann. Zwei Aspekte werden wesentlich verbessert, Druckluft wird zur Medienaufbereitung genutzt sowie auch zum bestmöglichen Abstellen der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlungssystems bei niedrigen Temperaturen. Dabei werden Teile der Dosierelemente aktiv ansteuert, geregelt und zur Reinigung des Systems betrieben. Diese Schrift stellt eine Weiterentwicklung des in
DE 44 32 577 A1 beschriebenen Systems dar. Das System vermag sogar aktiv die Pumpe zu reinigen. Dafür wird das durch eine Hilfsmittelpumpe, aus Umgebungsluft erzeugte Druckgas, in einem Druckspeicher bevorratet, über einen Druckminderer und ein Druckgasventil in eine nicht weiter beschriebene Mischkammer eingebracht. Die Dosiermenge der Medien wird durch ein dafür vorgesehenes Steuergerät oder das Motorsteuergerät im Motorbetrieb berechnet und geregelt. Im speziellen Fall des Abstellens der Brennkraftmaschine, wird weiter Druckgas in die Mischkammer gefördert, so dass der Pfad zwischen Dosierventil im Abgaskanal und Mischkammer, sowie diese selbst gereinigt, mit Druckluft ausgeblasen werden kann. Weiterhin wird die stillstehende Harnstoffpumpe mit einem schaltbaren Bypass umgangen, so dass die eingebrachte Druckluft die Anschlussleitungen zwischen Pumpe und Tank spülen kann. Im Anschluss daran wird beschrieben, wie die Harnstoffpumpe aktiviert wird, sie Druckluft ansaugen kann und damit auch dieser Bereich des Harnstoffdosiersystems gesäubert wird, so dass Ablagerungen oder Frostschäden vermieden werden. Abweichend zu
DE 44 32 577 A1 wird von einer Beheizung von Elementen des Dosiersystems abgesehen. Es wird erklärt, dass die ausreichende Präsenz von Luft / Gas in den Komponenten, einen ausreichenden Frostschutz gegen die Volumenzunahme der gefrierenden Harnstofflösung bei Einfrieren darstellt und somit keine Heizung notwendig ist.
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In
US 6 878 359 B1 wird ein NOx Reduktionssystem für eine Gasturbine beschrieben, das mit einer separaten Pumpe einen Teil des Abgasstromes der Gasturbine abtrennt und aufbereitet. In einem dafür vorgesehenen Mischbereich wird das Abgas mit Harnstoff-lösung durchmengt und in einem Katalysator geleitet, dort aufbereitet, so dass die Gasmischung final wieder dem Hauptabgasstrom der Gasturbine in das Gehäuse vor den SCR Katalysator zugeführt wird. Die in den Hauptpfad des Abgases vor den SCR-Katalysator eingedüste Abgasmischung mit Ammoniak, wird zur Reinigung des gesamten Abgasstromes genutzt. Als eine alternative Lösung des Problems der Aufbereitung der Harnstofflösung wird in dem Zweigpfad anstelle des Abgases der Gasturbine, die Verwendung von Luft vorgeschlagen, die durch Wärmetauscher auf eine erhöhte Temperatur aufbereitet wird und somit die Mischung und Aufbereitung einer Harnstoff-lösung im Nebenpfad ermöglicht. Als zusätzliches Feature wird ein Loop System beschrieben, dass durch eine weitere Pumpe betrieben, das aufbereitete Gasgemisch erneut in und durch einen weiteren Wärmetauscher dem Aufbereitungspfad zuführen kann, bis die gewünschte Qualität oder Quantität für den Hauptabgasstrom der Gas-turbine erreicht ist. In dieser Erfindung wird der Aufbereitung der wässrigen Harnstoff-lösung Rechnung getragen. Die benötigte Zusatzenergie wird entweder direkt durch heißes Abgas oder durch Wärmetauscher aus dem heißen Abgas in aufbereitete kompri-mierte Luft übertragene Wärme, bereitgestellt. Die Mischung der Gase im Mischraum des Nebenpfades nach Aufbereitungskatalysators wird nicht beschrieben.
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In
US 2005 / 0 150 211 A1 wird die Problematik der Aufheizung der Abgase eines amerikanischen Nutzfahrzeugdieselmotors, mit geteilter Abgasanlage und Abgasnachbehandlung, durch die Nutzung von Brennstoff und einem HC-Brenner beschrieben. Abweichend der bisher zitierten Schriften wird in
US 2005 / 0 150 211 A1 die Reduktion von Partikeln als Ziel angestrebt, nicht die Reduktion der NOx Konzentration im Abgas. Das Problem der Aufheizung des Abgases, dessen Temperatur nach Motor deutlich über der, auch bei winterlichen Bedingungen, Umgebungstemperatur liegt, jedoch unterhalb der Reaktionstemperatur des Dieselpartikelfilters und somit dessen Funktion nicht ermöglicht, wird durch die Erfindung gelöst. Die gewonnene Wärme aus der Verbrennung des Kraftstoffs im Brenner ermöglicht die Reduktion der Partikel des Abgases in den nachgeschalteten Partikelfiltern der beiden Abgaspfade.
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Die Schrift
WO 01 / 06 098 A1 beschreibt die Lösung für ein Frostproblem eines Elements eines SCR Systems, den Drucksensor. Die Membran soll bei kalten Temperaturen im Bereich und unterhalb des Gefrierpunktes vor Schäden geschützt werden. Dafür wird auf der Membran des Sensors aus keramischem Aluminium(3)Oxid, eine Anordnung von Widerständen vorgesehen, die einmal zur Erfassung der Temperatur des Reduktions-mittels dienen, sowie auch als Heizelemente für die Membran Verwendung finden. Die Aktivierung erfolgt im Bereich um 0°C.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dosiersystem der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine weiter verbesserte und zuverlässigere Dosierung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Dosiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
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Das erfindungsgemäße Dosiersystem zeichnet sich dadurch aus, dass Heizmittel zur Aufheizung eines dem Mischbereich strömungsmäßig vorgeschalteten Abschnitts der Luftzufuhrleitung vorgesehen sind. Die Aufheizung eines dem Mischbereich vorgeschalteten Luftzufuhrleitungsabschnitts ermöglicht einerseits eine verbesserte Aufbereitung der Flüssigkeit mit Blick auf das zu erzeugende Aerosol. Andererseits können Ablagerungen insbesondere im beheizten Leitungsabschnitt aber auch in den angrenzenden Bereichen vermieden bzw. entfernt werden, was die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Dosierung verbessert. Das erfindungsgemäße Dosiersystem ist mit Vorteil zur Erzeugung und Dosierung nahezu beliebiger Luft-Flüssigkeitsmischungen, wie beispielsweise zur Erzeugung einer Mischung von Luft und flüssigen Mineralölkraftstoffen geeignet. Insbesondere ist es geeignet zur Dosierung einer aerosolartigen Mischung von Luft und wässeriger Harnstofflösung oder einer anderen Lösung eines festen Stoffes, insbesondere zur katalytischen Stickoxidverminderung. Infolge der erfindungsgemäßen Aufheizung stromauf des Mischbereichs, kann gegebenenfalls erwärmtes Aerosol erzeugt werden, Lösungsmittelbestandteile können zumindest teilweise verdampft werden und Feststoffablagerungen vermieden und/oder beseitigt werden. Weiterhin können Störungen bei der Vermischung von Luft und Flüssigkeit vermieden werden, so dass insgesamt ein verbesserter und zuverlässigerer Betrieb des Dosiersystems und somit eine verbesserte und zuverlässigere Abgasreinigung ermöglicht ist. Bei Einsatz von Harnstoff-Wasser-Lösung als Flüssigkeit erfolgt eine Aufheizung vorzugsweise auf eine Temperatur, die über dem Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungspunkt von Harnstoff liegt. Besonders bevorzugt ist eine Aufheiztemperatur von über 130°C, insbesondere von etwa 150°C. Die Aufheizung kann sowohl beim normalen Betrieb des Dosiersystems, als auch außerhalb des normalen Betriebs, insbesondere bei abgeschalteter Luftzufuhr vorgesehen sein. Vorzugsweise werden die Heizmittel nur zeitweise betätigt. Vorzugsweise ist für die Betätigungszeit eine feste Zeitspanne vorgegeben, welche auch einstellbar sein kann. Ist die Aufheizung hinsichtlich der beabsichtigten Wirkung erfolglos geblieben, so kann eine mehrfach wiederholte Aufheizung vorgesehen sein, wobei es vorteilhaft ist, wenn in den Aufheizungspausen die Luftzufuhr aktiviert wird.
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Der dem beheizbaren Luftzufuhrleitungsabschnitt nachgeschaltete Mischbereich ist vorzugsweise innerhalb einer Dosiereinheit angeordnet und kann als spezielle Mischkammer oder als Teil eines dem Dosiersystem zugeordneten Leitungssystems ausgebildet sein. Vorzugsweise ist dem Mischbereich im Betrieb des Dosiersystems der Luftanteil für die Mischung gleichmäßig und unter Druck zuführbar. Die Zumessung der Flüssigkeit erfolgt bevorzugt nach Maßgabe einer Bedarfsanforderung über ein geeignetes Dosierventil, vorzugsweise ebenfalls unter Druck.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist ein Trennelement zur Verhinderung einer Rückströmung eingangsseitig des Mischbereichs in der Luftzufuhrleitung angeordnet. Das Trennelement bildet somit einen Abschnitt der Luftzufuhrleitung. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Trennelement direkt in den Mischbereich ausmündet. Insbesondere bildet es den von der Aufheizung erfassten Abschnitt. Neben der Verhinderung des Eindringens der Flüssigkeit in die zum Mischbereich geführte Luftzufuhrleitung kann das Trennelement ferner für eine verbesserte Aerosolbildung, etwa durch Ausbildung einer vorteilhaften Strömungsverteilung im Mischbereich ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn das Trennelement in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als Düse ausgebildet ist. Dadurch kann dem Mischbereich Luft mit großer Strömungsgeschwindigkeit zugeführt werden, was die Vermischung verbessert. Vorzugsweise ist die Düse als überkritische Düse ausgebildet, in deren Bereich die Luftströmung Überschallgeschwindigkeit erreicht. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders gleichmäßigen und von Druckschwankungen stromab der Düse unabhängigen Luftdurchsatz.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Heizmittel zur Aufheizung der Luftzufuhrleitung im Bereich des Trennelements ausgebildet. Durch diese Maßnahme können Ablagerungen speziell im Bereich des Trennelements wirksam verhindert werden. Da das Trennelement bei üblicher Auslegung eine Engstelle für die dem Mischbereich zugeführte Luft darstellt, kann ein Verstopfen durch Ablagerungen in diesem diesbezüglich gefährdeten Leitungsabschnitt wirksam verhindert und/oder Ablagerungen beseitigt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Heizmittel ein im Inneren der Luftzufuhrleitung angeordnetes elektrisches Heizelement. Diese Ausführungsform ist besonders platzsparend und kann gegebenenfalls auch bei bestehenden Dosiersystemen im Zuge einer Nachrüstung realisiert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, das Heizelement im Bereich des Trennelements im Inneren der Luftzufuhrleitung anzuordnen, da so mittels des Heizelements Ablagerungen in diesem diesbezüglich kritischen Bereich besonders wirksam verhindert und/oder entfernt werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das im Inneren der Luftzufuhrleitung angeordnete elektrische Heizelement als Hitzdraht ausgebildet ist. Auf diese Weise kann mittels des Heizelements der Luftdurchsatz durch die Luftzufuhrleitung erfasst werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Heizmittel ein bezüglich der Luftzufuhrleitung außen liegendes elektrisches Heizelement. Das Heizelement kann beispielsweise als Widerstandsheizer ausgebildet sein, der in Wärmeübergangskontakt mit der Luftzufuhrleitung steht. Auf Grund seiner selbstregelnden Eigenschaften ist ein so genanntes PTC-Element besonders vorteilhaft. Im Fall einer im zu beheizenden Bereich aus einem ferromagnetischem Material gefertigten Luftzufuhrleitung kann das Heizelement auch als Induktivheizer in Form einer um den betreffenden Leitungsabschnitt gewickelten Spule ausgebildet sein, welche mit Wechselstrom versorgt werden kann. In diesem Fall wird Wärmeenergie in dem vom Magnetfeld des Induktivheizers erfassten Leitungsabschnitt selbst freigesetzt. Eine Beheizung der Luftzufuhrleitung von außen ist mit geringem Aufwand zu realisieren und daher kostengünstig. Insbesondere kann vorgesehen sein, das Heizelement im Bereich des Trennelements anzuordnen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Heizmittel eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines Brennstoffes in die Luftzufuhrleitung. In diesem Fall ist vorgesehen, dass der Brennstoff an einem im Inneren der Luftzufuhrleitung angeordneten Heizelement entzündet und verbrannt wird, so dass auf diese Weise die Luftzufuhrleitung wenigstens abschnittsweise beheizt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, der Luftzufuhrleitung stromauf des Mischbereichs einen erhitzten Gasstrom zuzuführen, so dass sich eine Aufheizung des entsprechenden Abschnitts der Luftzufuhrleitung ergibt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizmittel im Zusammenhang mit einer beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Dosiersystems auftretenden Verringerung des Luftdurchsatzes gegenüber einem normalerweise vorgesehenen Luftdurchsatz aktivierbar sind. Die Heizmittel werden somit nur dann aktiviert, wenn ein Absinken des Luftdurchsatzes beobachtet wird, was als Verstopfung der Luftzufuhrleitung interpretiert wird. Durch die Aufheizung können diese Verstopfungen beseitigt werden, so dass sich der normale Luftdurchsatz und damit der normale Betriebszustand des Dosiersystems wieder einstellt. Da die Aufheizung nur im Bedarfsfall aktiviert wird, ergibt sich ein verminderter Energiebedarf. Dabei kann ein Absinken des Luftdurchsatzes in einfacher Weise durch Überwachung des über dem Trennelement vorhandenen Differenzdrucks erfolgen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Aktivierung der Heizmittel vor einer jeweiligen Inbetriebnahme des Dosiersystems vorgesehen. Auf diese Weise können Ablagerungen, die sich bei einem insbesondere länger andauernden Stillstand des Systems bilden können, entfernt werden, so dass das Dosiersystem mit einwandfreier Funktion in Betrieb gehen kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Aufheizung durch Verbrennung eines dem Luftanteil zugegebenen Brennstoffs. Hierfür ist vorzugsweise ein Heizelement in der Luftzufuhrleitung vorgesehen, an welchem sich der zugeführte Brennstoff entzündet. Auf diese Weise kann eine besonders effektive Aufheizung der hinter der Entzündungsstelle angeordneten Leitungsteile erfolgen. Die Zufuhr erwärmter Luft zum Mischbereich kann außerdem die Aufbereitung der Flüssigkeit verbessern. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn als Brennstoff ein zum Betrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehener Kraftstoff verwendet wird. Als Heizelement kann in einfacher Weise eine Glühkerze dienen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt im Zusammenhang mit einer Aufheizung eine gepulste Luftzufuhr zum Mischbereich. Diese Vorgehensweise hat sich insbesondere zur Entfernung hartnäckiger Ablagerungen als vorteilhaft erwiesen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dosiersystems,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dosiersystems und
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dosiersystems.
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In der in 1 schematisch dargestellten ersten vorteilhaften Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Dosiersystem 1 eine Flüssigkeitszufuhrleitung 2 für eine zu dosierende Flüssigkeit. In der Flüssigkeitszufuhrleitung 2 sind ein getaktet betätigbares Dosierventil 4 sowie eine einstellbare Justierdrossel 5 und ein erster Drucksensor 6 angeordnet. Die Flüssigkeitszufuhrleitung 2 mündet ebenso wie eine Luftzufuhrleitung 3 zur Zufuhr von Druckluft in einen Mischbereich 11 des Dosiersystems 1. Im Mischbereich 11 erfolgt eine innige Vermischung von zugeführter Druckluft und Flüssigkeit derart, dass eine aerosolartige Mischung mit möglichst kleinen Flüssigkeitströpfchen erzeugt wird. Der Mischbereich 11 kann als separate Mischkammer oder als integraler Bestandteil der Flüssigkeitszufuhrleitung 2 oder der Luftzufuhrleitung 3 ausgebildet sein.
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Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Flüssigkeit um eine wässerige Harnstofflösung handelt, welche in die Abgasanlage stromauf eines so genannten SCR-Katalysators zur Stickoxidentfernung in Form der aerosolartigen Mischung mittels einer Zugabedüse eingedüst werden kann, was im einzelnen nicht dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Dosiersystem 1 ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann prinzipiell auch zur Dosierung eines beliebigen anderen flüssigen Zusatzstoffes eingesetzt werden.
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Die Einspeisung der Harnstofflösung in die Flüssigkeitszufuhrleitung 2 erfolgt vorzugsweise mittels einer Pumpe aus einem Vorratsbehälter, was im Einzelnen ebenfalls nicht dargestellt ist. Dabei wird durch die Pumpe ein Vordruck pHWL in der Flüssigkeitszufuhrleitung 2 stromauf des Dosierventils 4 erzeugt und/oder aufrechterhalten, der vom ersten Drucksensor 6 erfasst wird. Das Dosierventil 4 ist vorzugsweise in der Art eines 2/2-Wege-Magnetventils ausgeführt. Es ist vorgesehen, dass das Dosierventil 4 derart betreibbar ist, dass es entweder geöffnet oder geschlossen ist, wozu es entsprechend angesteuert wird.
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Die Justierdrossel 5 dient der Einstellung eines günstigen Arbeitspunktes hinsichtlich des Flüssigkeitsdurchsatzes durch das geöffnete Dosierventil 4 bei den vorherrschenden Druckverhältnissen. Vorzugsweise ist die Justierdrossel 5 wie in 1 dargestellt stromauf des Dosierventils 4 und stromab des ersten Drucksensors 6 in der Flüssigkeitszufuhrleitung 2 angeordnet. Eine Anordnung an einer anderen Stelle der Flüssigkeitszufuhrleitung 2, insbesondere stromauf des Mischbereichs 11, ist ebenfalls möglich.
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Bei geöffnetem Dosierventil 4 strömt die Harnstofflösung durch dieses hindurch und vermischt sich mit der zugeführten Druckluft im Mischbereich 11 bzw. wird infolge der Druckluftzufuhr im Mischbereich vernebelt. Es ist vorgesehen, dass bei laufendem Betrieb des Dosiersystems 1 ständig, also auch bei geschlossenem Dosierventil 4, Druckluft gefördert wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass bei einer Inbetriebnahme des Dosiersystems 1 mit einer Zumessung von Harnstofflösung erst begonnen wird, wenn ein hinreichender Luftdurchsatz vorhanden ist. Zur Druckluftversorgung wird vorzugsweise auf einen nicht dargestellten Druckluftspeicher oder einen Kompressor zurückgegriffen.
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Vorzugsweise wird ein vorgegebener Luftdruck, beispielsweise über einen ebenfalls nicht dargestellten Druckminderer, eingestellt.
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Der Massendurchsatz der Harnstofflösung durch das geöffnete Dosierventil 4 ist hauptsächlich vom über dem Dosierventil 4 vorhandenen Differenzdruck Δp abhängig. Selbst bei einem konstanten Vordruck pHWL in der Flüssigkeitszufuhrleitung 2 können sich jedoch Schwankungen des Differenzdrucks Δp infolge eines schwankenden Dosierdrucks pL stromab des Dosierventils 4 ergeben. Letztere werden hauptsächlich von in Abhängigkeit vom Motorbetrieb schwankenden Druckverhältnissen in der Abgasanlage verursacht, welche in die Flüssigkeitszufuhrleitung 2 bis zur Ausgangsseite des Dosierventils 4 zurückwirken können. Es ist daher vorgesehen, mittels eines zweiten Drucksensors 7 den Dosierdruck pL stromab des Dosierventils 4, vorzugsweise im Mischbereich 11 zu erfassen, und so laufend den aktuellen Differenzdruck Δp zu ermitteln. Eine Anordnung für den zweiten Drucksensor 7 an einer anderen Stelle stromab des Dosierventils 4 ist ebenfalls möglich.
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Zur Verhinderung einer Rückströmung der Harnstofflösung in die Luftzufuhrleitung 3 ist eingangsseitig des Mischbereichs 11 in der Luftzufuhrleitung 3 ein Trennelement 15 angeordnet. Vorzugsweise bildet das Trennelement 15 den endseitigen Abschnitt der Luftzufuhrleitung 3 und mündet in den Mischbereich 11 aus. Obschon das Trennelement beispielsweise auch in der Art eines Rückschlagventils ausgeführt sein kann, ist es bevorzugt, dass das Trennelement als Düse, insbesondere als so genannte überkritische Düse ausgebildet ist, mit welcher sich eine Luftströmung mit Überschallgeschwindigkeit erreichen lässt. Auf diese Weise wird ein Eindringen der Harnstofflösung in die Luftzufuhrleitung 3 weitgehend vermieden. Ferner ist eine starke Verwirbelung im Mischbereich 11 ermöglicht. Durch die mit hoher Geschwindigkeit in den Mischbereich 11 einströmende Luft wird die dem Mischbereich 11 zugeführte Harnstofflösung fein vermischt bzw. vernebelt, und es wird eine aerosolartige Mischung erzeugt. Darüber hinaus ermöglicht die Ausführung des Trennelements 15 als überkritische Düse eine Vergleichmäßigung der Luftströmung. Zur Unterstützung einer gleichmäßigen Luftströmung ist es außerdem vorgesehen, einen möglichst konstanten Luftdruck eingangsseitig der Luftzufuhrleitung 3 bzw. stromauf des Trennelements 15 einzustellen. Vorteilhaft ist ein Überdruck von ca. 5 bar.
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Der zweite Drucksensor 7 ermöglicht einerseits zusammen mit dem ersten Drucksensor 6 eine Ermittlung des über der Serienschaltung von Justierdrossel 5 und Dosierventil 4 vorhandenen Differenzdrucks Δp und andererseits im Zusammenhang mit dem voreingestellten Luftdruck eine Ermittlung des über dem Trennelement 11 abfallenden Differenzdrucks. Dadurch kann einerseits die vom Dosierventil 4 zugemessene Flüssigkeitsmenge und andererseits die Luftdurchsatzmenge ermittelt werden. Auf diese Weise kann eine genaue Dosierung der Mischung bzw. der Harnstofflösung erreicht werden.
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Über eine Gemischleitung 2b wird die im Mischbereich 11 erzeugte Mischung der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors zugeführt. Die Druckluft dient dabei als Transportmedium. Obschon normalerweise nicht bevorzugt, ist es möglich, anstelle der Druckluft auch ein anderes Transportmedium wie beispielsweise Stickstoff oder Abgas einzusetzen.
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Zur Steuerung bzw. Regelung des Dosiersystems 1 ist ein nicht dargestelltes Dosiersteuergerät vorgesehen, an welches die Drucksensoren 6, 7 und das Dosierventil 4 über Schnittstellen 8, 9, 10 angeschlossen sind. Das Dosiersteuergerät ist vorzugsweise in der Art eines Mikrocomputers mit Ein-/Ausgabeeinheit, Recheneinheit und Speichereinheit ausgeführt, um die zur Steuerung des Dosiersystems 1 erhaltenen Daten und Messwerte verarbeiten zu können, und entsprechende Steuersignale ermitteln und ausgeben zu können.
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Erfindungsgemäß sind Mittel zur Aufheizung eines Abschnitts der zum Mischbereich 11 geführten Luftzufuhrleitung 3 vorgesehen. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird die Aufheizung durch ein elektrisches Heizelement 12 bewirkt, welches im Bereich der Düse 15 angeordnet ist. Das Heizelement 12 kann jedoch auch an einer anderen Stelle der Luftzufuhrleitung 3 stromauf des Mischbereichs angeordnet sein. In einer bevorzugten Anordnung ist vorgesehen, das Heizelement 12 so auszuführen, dass die Luftzufuhrleitung 3 beim Betrieb der Heizmittel lediglich abschnittsweise beheizt wird, insbesondere auf einem vergleichsweise kurzen Leitungsabschnitt. Das Heizelement 12 kann dabei sowohl im Außenbereich der Luftzufuhrleitung 3 bzw. der Düse 15 als auch in deren Innerem angeordnet sein. Vorzugsweise ist das Heizelement 12 als Widerstandsheizung ausgebildet, welche über Anschlüsse 14 an eine Stromversorgung angeschlossen ist. Mittels eines Schalters 13 kann die Bestromung des Heizelements 12 an- und ausgeschaltet werden. Um eine kontrollierte Aufheizung der Luft zu ermöglichen, kann eine nicht dargestellte Heizungssteuerung vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist ein als PTC-Element ausgeführtes Heizelement, da dessen bauelementspezifischer Widerstandskennlinienverlauf eine vereinfachte Temperaturregelung ermöglicht.
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Obschon es vorteilhaft sein kann, beim Betrieb des Dosiersystems 1 das Heizelement 12 ständig aktiviert zu halten und somit die dem Mischbereich 11 zugeführte Luft kontinuierlich bzw. über einen längeren Zeitraum hinweg aufzuheizen, ist es bevorzugt, eine Aufheizung punktuell dann vorzunehmen, wenn ein unzulässiges Absinken des Luftdurchsatzes gegenüber dem für einen normalen Betrieb des Dosiersystems 1 typischen Wert eintritt. Festgestellt werden kann dies beispielsweise durch eine Überwachung des über der Düse 15 abfallenden Differenzdrucks. Bei einer starken Verstopfung sinkt der mittels des zweiten Drucksensors ermittelte Druck stark ab, im Extremfall auf den am Auslass der Gemischleitung 2b vorhandenen Druck im Abgassystem. Zur Erfassung des Luftdurchsatzes kann jedoch auch eine nicht dargestellte Luftmengenmesseinrichtung in der Luftzufuhrleitung 3 vorgesehen sein. Vorzugsweise wird dann das Heizelement 12 derart aktiviert, dass zumindest das Trennelement auf eine vorgebbare Temperatur aufgeheizt wird. Vorzugsweise liegt diese über der Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungstemperatur von Harnstoff oder seiner typischen Umwandlungsprodukte. Typischerweise erfolgt eine Aufheizung der Luft auf etwa 130 °C bis 180 °C. Besonders bevorzugt ist eine Temperatur von etwa 150°C. Auf diese Weise können durch Harnstoff verursachte Ablagerungen in der Luftzufuhrleitung 3 stromauf des Mischbereichs 11 entfernt werden. Vorzugsweise wird während der Aufheizung die Luftzufuhr abgestellt. Die Luftzufuhr kann jedoch auch gepulst betrieben werden, was sich als besonders wirksam zur Entfernung von Ablagerungen erwiesen hat. Während der Beheizung wird vorzugsweise auch die Flüssigkeitszufuhr abgestellt.
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Es ist vorgesehen, dass nach einer vorgebbaren und gegebenenfalls einstellbaren Zeitspanne von beispielsweise 5 min die Beheizung beendet und das Heizelement 12 deaktiviert wird.
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Daraufhin wird der normale Luftdruck eingangs der Luftzufuhrleitung 3 wieder eingestellt. Ergeben sich daraufhin die für einen normalen Betrieb vorgesehenen Druck- bzw. Durchsatzverhältnisse, so ist die Ursache der Luftdurchsatzverringerung beseitigt worden und der normale Dosierbetrieb wird wieder aufgenommen. Ergeben sich jedoch die für einen normalen Betrieb vorgesehenen Druck- bzw. Durchsatzverhältnisse nicht, so wird vorzugsweise die Prozedur wiederholt, gegebenenfalls mehrfach. Nach einer vorgebbaren Anzahl von vergeblichen Versuchen, die Ursache der eingetretenen Luftdurchsatzverringerung zu beheben, kann vorgesehen sein, eine entsprechende Meldung zu erzeugen und zur Überprüfung des Dosiersystems 1 aufzufordern.
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Obschon infolge der hohen Einströmgeschwindigkeit der dem Mischbereich 11 zugeführten Luft die Gefahr des Eindringens der Harnstofflösung in die Luftzufuhrleitung 3 gering ist, kann dies dennoch in bestimmten Betriebssituationen auftreten. Der in die Luftzufuhrleitung 3 eingedrungene Harnstoff kann sich in der Luftzufuhrleitung 3 ablagern, was insbesondere im Bereich der Düse 15 zu einer unerwünschten Verstopfung führen kann. Insbesondere besteht eine diesbezügliche Gefahr in einer Stillstandsphase des Dosiersystems 1. Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn vor einer Inbetriebnahme des Dosiersystems 1 oder in regelmäßigen Abständen die oben beschriebene Prozedur durchgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es, die Durchführung einer Beiheizungsphase an den Startvorgang des entsprechenden Kraftfahrzeugs zu koppeln. Dabei kann die Luftzufuhr abgeschaltet sein oder es kann eine gepulste Luftzufuhr erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann der beschriebene Vorgang auch im Anschluss an ein Abstellen des Dosiersystems 1 bzw. des Fahrzeugs vorgenommen werden. Dadurch wird Ablagerungen wirksam vorgebeugt und/oder Ablagerungen beseitigt, bevor diese mit unerwünschten Wirkungen in Erscheinung treten. Auf diese Weise sind ein störungsfreier und sicherer Betrieb des Dosiersystems 1 ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen eines Dosiersystems mit Aufheizung eines Abschnitts der Luftzufuhrleitung stromauf des Mischbereichs zur Erzeugung einer aerosolartigen Mischung sind in 2 und 3 dargestellt, wobei in Bezug auf 1 gleichwirkende bzw. gleichartige Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Nachfolgend wird lediglich auf die wesentlichen Unterschiede im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform eingegangen.
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In 2 ist eine zweite vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dosiersystems 1 dargestellt, bei welcher anstelle einer Aufheizung mittels eines Heizelements im Bereich des Trennelements 15 eine Aufheizung weiter stromauf 11 erfolgt. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierfür in der Luftzufuhrleitung 3 stromauf des Mischbereichs 11 ein Heizelement 16 angeordnet, welches beispielsweise als Glühkerze ausgebildet sein kann. Diese Ausführungsform kann Einbauvorteile mit sich bringen und ist auf einfache Weise realisierbar. Auch in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise vorgesehen, das Heizelement bedarfsweise, d.h. bei einem unerwünschten Absinken des Luftdurchsatzes zu aktivieren. Analog kann auch vorgesehen sein, das Heizelement 16 bei eingeschalteter Luftzufuhr zu aktivieren, gegebenenfalls auch dauernd oder wiederkehrend in vorgebbaren Zeitabständen. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich damit der Vorteil, dass dem Mischbereich 11 aufgeheizte Luft zugeführt wird, was die Aufbereitung der zugeführten Flüssigkeit verbessern kann.
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Eine hinsichtlich der Wirksamkeit weiter verbesserte Möglichkeit einer Aufheizung ist in 3 schematisch dargestellt. In dieser Ausführungsform ist vorgesehen, der Luftzufuhrleitung 3 stromauf des Heizelements 16 über eine Brennstoffleitung 17 einen Brennstoff zuzuführen.
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Der zugeführte Brennstoff kann sich am aktivierten Heizelement 16 entzünden, wodurch die dem Mischbereich 11 zugeführte Luft und die entsprechenden Leitungsteile sowie der Mischbereich 11 selbst aufgeheizt werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei einem vergleichsweise hohen Luftdurchsatz vorteilhaft, da mit geringen Brennstoffmengen eine große Wärmemenge freigesetzt werden kann. Eine Aufheizung des elektrischen Heizelements 16 auf eine zur Entzündung des Brennstoffs notwendige Temperatur ist mit vergleichsweise geringer elektrischer Leistung möglich. Der Aufwand zur Bereitstellung von elektrischer Energie ist dadurch vermindert, was entsprechende Vorteile bei der Dimensionierung des elektrischen Heizelements und der Stromversorgung mit sich bringt. Diese Art der Beheizung kann jedoch selbstverständlich ebenfalls lediglich bedarfsweise, d.h. bei Auftreten eines verringerten Luftdurchsatzes oder von Zeit zu Zeit vorgenommen werden.
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Die anhand der 1 bis 3 und 2 erläuterten Möglichkeiten für eine Aufheizung eines stromauf des Mischbereichs 11 liegenden Leitungsabschnitts können natürlich auch kombiniert angewendet werden.