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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysator, und mit mindestens einer dem Katalysator vorgeschalteten Einspritzvorrichtung für ein flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel.
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Stand der Technik
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Abgasnachbehandlungssysteme der eingangs genannten Art sind bekannt. Insbesondere bei der Abgasnachbehandlung von Diesel-Brennkraftmaschinen werden vermehrt sogenannte SCR-Systeme (Selective Catalytic Regeneration/Reduction = selektive katalytische Reduktion) eingesetzt, die eine fast vollständige Konvertierung der im Abgas befindlichen Stickoxide erreichen. Dabei wird - in Strömungsrichtung des Abgases gesehen - vor dem Katalysator ein entsprechendes Abgasnachbehandlungsmittel in das Abgasrohr eingespritzt und somit dem Abgas beigemengt. In dem Katalysator findet dann eine entsprechende Reaktion des Abgases mit dem beigemengten Abgasnachbehandlungsmittel statt. Üblicherweise besteht die Einspritzvorrichtung dabei aus einer Pumpe, die das Abgasnachbehandlungsmittel aus einem Tank zu einem an dem Abgasrohr angeordneten Einspritzventil fördert und einen bestimmten Druck erzeugt, sodass durch Betätigen des Einspritzventils das Abgasnachbehandlungsmittel in den Abgastrakt eingespritzt wird.
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Neue Beschreibungsseite 1a
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Aus der
DE 10 2006 007 122 A1 sind Abgasnachbehandlungsverfahren zur NO
x- und Partikelverminderung bekannt. Aus der
DE 10 2007 035 983 A1 ist es bekannt, zur Charakterisierung der Temperatur einer Reduktionsmittelflüssigkeit einen Temperaturparameter zu erfassen.
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Die
DE 10 2004 062 208 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems unter Vorsehen einer Regeneriervorrichtung mit einer Heizkammer.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einspritzvorrichtung als elektromagnetisch betriebene Kolbenpumpenventileinheit ausgebildet ist. Anstelle von einer separaten Pumpe und dem Einspritzventil, die beide unabhängig voneinander betätigt beziehungsweise gesteuert oder geregelt werden müssen, ist nunmehr eine Kolbenpumpenventileinheit vorgesehen. Wie der Name bereits sagt, weist die Kolbenpumpenventileinheit in einer Einheit sowohl die Pumpe in Form einer Kolbenpumpe als auch das Einspritzventil auf. Vorzugsweise ist die Kolbenpumpe mittels eines elektromagnetischen Linearantriebs betätigbar beziehungsweise antreibbar. Insgesamt ergibt sich dadurch eine besonders kompakte und auch kostengünstige Einspritzvorrichtung für das Abgasnachbehandlungsmittel. Auch sind weniger Montageschritte erforderlich, da allein die Kolbenpumpenventileinheit an dem Abgastrakt beziehungsweise insbesondere an dem Abgasrohr des Abgastrakts angebracht werden muss. Darüber hinaus ist die Kolbenpumpenventileinheit sehr viel einfacher anzusteuern, da eine separate Ansteuerung des Einspritzventils entfallen kann. Die Dosierung des in den Abgastrakt einzuspritzenden Abgasnachbehandlungsmittels kann dabei allein durch die Pumpzyklen der Kolbenpumpe der Kolbenpumpenventileinheit bestimmt und dosiert werden. Zur Betätigung der Kolbenpumpe können einer oder mehrere Magnet-Aktoren vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise weist die Kolbenpumpenventileinheit dazu mindestens einen Pumpenkolben auf, der in einem Zylinder axial verlagerbar ist. Der Pumpenkolben verdrängt bei jeder Schubbewegung ein definiertes Volumen in dem Zylinder. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die einzuspritzende Menge dosiert werden.
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Zweckmäßigerweise weist der Zylinder zumindest eine Zulauföffnung und eine Spritzöffnung auf. Die Zulauföffnung dient dazu, das Abgasnachbehandlungsmittel aus einem Zulauf in den Zylinder einlaufen zu lassen. Bewegt sich in dem Zylinder der Pumpenkolben zurück, so entsteht unter anderem eine Saugkraft, die das Abgasnachbehandlungsmittel in den Zylinder fördert. Durch die Spritzöffnung wird bei einer Schubbewegung des Pumpenkolbens in Richtung seines oberen Totpunkts das Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Zylinder getrieben, wobei ein gewünschter Druck erzeugt wird.
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Vorteilhafterweise sind der Zulauföffnung und/oder der Spritzöffnung jeweils ein Rückschlagventil zugeordnet. Das dem Zulauf zugeordnete Rückschlagventil verhindert, dass beim Austreiben des im Zylinder befindlichen Volumens, also während der Schubbewegung des Pumpenkolbens, das Abgasnachbehandlungsmittel zurück in den Zulauf gefördert wird. Das der Spritzöffnung zugeordnete Rückschlagventil verhindert unter anderem, dass bei einer Zurückbewegung des Pumpenkolbens (Saugtakt) Luft beziehungsweise Abgas angesaugt wird.
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Bevorzugt ist die Spritzöffnung in einer Stirnseite des Zylinders ausgebildet, sodass ein besonders effektives und effizientes Austreiben des Abgasnachbehandlungsmittels gewährleistet ist.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Zylinder eine Rücklauföffnung aufweist, durch welche nicht genutztes Abgasnachbehandlungsmittel zurücklaufen kann. Vorteilhafterweise ist die Rücklauföffnung derart seitlich in dem Zylinder ausgebildet, dass sie durch den Pumpenkolben vor Erreichen seines oberen Totpunkts verschlossen wird. Das bedeutet, dass der Kolben im Arbeitstakt an der Rücklauföffnung vorbeibewegt wird und dabei die Rücklauföffnung verschließt. Bei der Schubbewegung (Arbeitstakt) kann somit zunächst auch Abgasnachbehandlungsmittel durch einen Kraftstoffrücklauf ausgetrieben werden, bis der Pumpenkolben die Rücklauf-öffnung verschließt. Erst dann ist das durch die Spritzöffnung auszutreibende Abgasnachbehandlungsmittel-Volumen erreicht. So kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise das auszutreibene Abgasnachbehandlungsmittel-Volumen durch die Wahl der Position der Rücklauföffnung an dem Zylinder bestimmt werden.
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Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kolbenpumpenventileinheit ein der Spritzöffnung zugeordnetes druckgesteuertes Einspritzventil zugeordnet ist. Das bedeutet, dass die Öffnungszeiten des Einspritzventils nicht manuell einstellbar sind, sondern durch den im Zylinder befindlichen Druck bestimmt werden. Das druckgesteuerte Einspritzventil öffnet erst, wenn ein bestimmter Druck überschritten wird. Durch das Vorsehen eines entsprechenden Federelements, welches das Einspritzventil entgegen der Einspritzrichtung beaufschlagt, kann die Drucksteuerung auf einfache Art und Weise realisiert werden.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Kolbenpumpenventileinheit einen schaltbaren Luft-, insbesondere Druckluft-Kanal aufweist. Die Luft beziehungsweise Druckluft kann beispielsweise zur besseren Zerstäubung des Abgasnachbehandlungsmittels verwendet werden. Durch die Integration des schaltbaren Luft- beziehungsweise Druckluftkanals in die Kolbenpumpenventileinheit ist es möglich, dosiert Luft beim Einspritzvorgang zuzustellen. Zum Schalten des Kanals kann entweder ein weiterer Aktor, insbesondere ein weiterer Magnet-Aktor vorgesehen sein, oder ein zum Schalten vorgesehenes Ventil kann derart mit dem den Pumpenkolben bewegenden Aktor wirkverbunden sein, dass dieser eine Aktor sowohl den Luft- beziehungsweise Druckluft-Kanal als auch den Pumpenkolben bedient.
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Vorteilhafterweise weist das Abgasnachbehandlungssystem einen Abgasnachbehandlungsmittel-Tank auf, der insbesondere oberhalb der Kolbenpumpenventileinheit angeordnet ist. Dadurch wird das Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Abgasnachbehandlungsmittel-Tank zumindest im Wesentlichen mittels Schwerkraft zu der Kolbenpumpenventileinheit gefördert.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Versorgungspumpe, insbesondere eine Membranpumpe vorgesehen sein, mittels derer das Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Abgasnachbehandlungsmittel-Tank zu der Kolbenpumpenventileinheit gefördert wird. In diesem Fall kann der Abgasnachbehandlungsmittel-Tank natürlich auch auf gleicher Höhe oder unterhalb der Kolbenpumpenventileinheit angeordnet sein.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kolbenpumpenventileinheit Mittel zum thermischen Isolieren der Kolbenpumpenventileinheit auf. Im Betrieb können hohe Temperaturen in dem Abgastrakt entstehen, die zu einer Zerstörung oder zumindest Beschädigung der Kolbenpumpenventileinheit führen könnten. Die Mittel zum thermischen Isolieren verhindern dies.
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Zweckmäßigerweise umfassen diese Mittel zumindest einen thermischen Isolator, ein Hitzeschild und/oder Kühlrippen. Der thermische Isolator und/oder der Hitzeschild sind dabei vorteilhafterweise in der Verbindung zwischen dem Abgasrohr des Abgastrakts und der Kolbenpumpenventileinheit angeordnet. Die Kühlrippen sind zweckmäßigerweise direkt an der Kolbenpumpenventileinheit beziehungsweise an deren Gehäuse angeordnet oder einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dazu zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Abgasnachbehandlungssystems in einer schematischen Darstellung,
- 2 eine vorteilhafte Kolbenpumpenventileinheit in einer schematischen Darstellung und
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kolbenpumpenventileinheit.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Abgasnachbehandlungssystems 1 einer Brennkraftmaschine. Das Abgasnachbehandlungssystem 1 weist ein der Brennkraftmaschine zugeordnetes, einen Abschnitt eines Abgastrakts 2 bildendes Abgasrohr 3 auf, durch welches die Abgase der Brennkraftmaschine in Richtung der Pfeile 4 geleitet werden. In dem Abgasrohr 3 befindet sich ein Katalysator 5, der als SCR-Katalysator ausgebildet ist. Stromabwärts des Katalysators 5 sind in dem Abgasrohr 3 ein Temperatursensor 7 sowie eine Lambdasonde 8 angeordnet. Stromaufwärts des Katalysators 5 ist ein weiterer Temperatursensor 7 vorgesehen. Ebenfalls stromaufwärts des Katalysators 5 ist eine Einspritzvorrichtung 9 angeordnet, welche zum Einspritzen von flüssigem Abgasnachbehandlungsmittel in das Abgas dient, bevor dieses durch den Katalysator 5 strömt. Die Einspritzvorrichtung 9 ist vorteilhafterweise als elektromagnetische Kolbenpumpenventileinheit 10 ausgebildet.
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Die Kolbenpumpenventileinheit 10 ist in einer schematischen Schnittdarstellung in der 2 gezeigt. Die Kolbenpumpenventileinheit 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in welchem eine Kolbenpumpe 12, ein Einspritzventil 13 sowie ein schaltbarer Druckluftkanal 14 vorgesehen sind.
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Die Kolbenpumpe 12 weist einen in einem Zylinder 15 axial verlagerbaren Pumpenkolben 16 auf, welcher mittels eines Magnet-Aktors 17 betätigbar ist. In den Zylinder 15 mündet durch eine Zulauföffnung 19 ein Zulaufkanal 18 für das Abgasnachbehandlungsmittel, wobei der Zulauföffnung 19 ein Rückschlagventil 20 zugeordnet ist. Das Rückschlagventil 20 ist derart ausgerichtet beziehungsweise ausgebildet, dass das Abgasnachbehandlungsmittel durch den Zulaufkanal 18 nur dann in Richtung eines Pfeils 21 in den Zylinder 15 einströmen kann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Zulaufkanal 18 und dem Zylinder 15 die Federkraft des Rückschlagventils 20 übersteigt.
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Weiterhin mündet ein Rücklaufkanal 22 in eine Rücklauföffnung 23 des Zylinders 15. Der Rücklauföffnung 23 ist dabei ebenfalls ein Rückschlagventil 24 zugeordnet. Dieses ist derart ausgerichtet beziehungsweise ausgebildet, dass nur dann Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Zylinder 15 durch den Rücklaufkanal 22 in Richtung eines Pfeils 25 zurücklaufen kann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Zylinder 15 und dem Rücklaufkanal 22 die Federkraft des Rückschlagventils 24 übersteigt. Die Rücklauföffnung 23 ist dabei seitlich, also in dem Mantel des Zylinders 15, ausgebildet. Auch die Zulassöffnung 19 ist in dem Mantel des Zylinders 15, also seitlich, ausgebildet. An seiner Stirnseite weist der Zylinder 15 eine Spritzöffnung 26 auf, die zu dem Einspritzventil 13 führt. Der Spritzöffnung 26 ist ein weiteres Rückschlagventil 27 zugeordnet. Dieses gibt die Spritzöffnung 26 nur dann frei, wenn ein bestimmter Druck in dem Zylinder 15 erreicht wird. Die Zulauföffnung 19 liegt dabei näher an der die Spritzöffnung 26 aufweisenden Stirnseite des Zylinders 15 als die Rücklauföffnung 23. Das Einspritzventil 13 weist ein durch das geförderte Abgasnachbehandlungsmittel gegen die Kraft einer Spiralfeder 28 verlagerbares Ventilelement 29 auf. Insgesamt ist das Einspritzventil 13 somit druckgesteuert.
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Der Betrieb der Kolbenpumpenventileinheit kann in zwei Phasen, in den Saugtakt und in den Arbeitstakt geteilt werden. Im Saugtakt wird der Pumpenkolben 16 in den Zylinder zurück - in Richtung eines Pfeils 30 - gezogen. Dadurch wird das Rückschlagventil 20 geöffnet und das Abgasnachbehandlungsmittel kann in Richtung des Pfeils 21 durch den Zulaufkanal 18 in den Zylinder 15 einströmen. Die Rückschlagventile 24 und 27 sind dabei geschlossen. Die Bewegung des Pumpenkolbens 16 erfolgt dabei mittels des Magnet-Aktors 17 und einer im Zylinder 15 angeordneten Rückstellfeder 31. In dem darauffolgenden Arbeitstakt verlagert der Magnet-Aktor 17 den Pumpenkolben 16 in dem Zylinder 15 entgegen der Richtung des Pfeils 30, sodass die Rückstellfeder 31 komprimiert wird. Dabei erhöht sich der Druck in dem Zylinder und das Rückschlagventil 20 wird geschlossen. Gleichzeitig öffnet sich das Rückschlagventil 24 solange der Druck in dem Zylinder 15 größer als die Kraft des Rückschlagventils 24 ist. Die Rücklauföffnung 23 ist dabei derart in dem Zylinder 15 angeordnet, dass der Kolben diese im Arbeitstakt noch bevor er seinen (oberen) Totpunkt erreicht, verschließt. Der Pumpenkolben 16 weist dazu vorteilhafterweise zumindest bereichsweise eine geschlossene Mantelfläche auf. Danach kann das Abgasnachbehandlungsmittel nicht mehr durch den Rücklaufkanal 22 entweichen. Stattdessen wird der Druck in dem Zylinder 15 erhöht, bis das Rückschlagventil 27 geöffnet und der Druck auf das Ventilelement 29 beziehungsweise das Einspritzventil 13 übertragen wird. Sobald das Einspritzventil 13 öffnet, strömt das Abgasnachbehandlungsmittel in den Abgastrakt 2 beziehungsweise in das Abgasrohr 3 gemäß Pfeil 32, bis der mittels des Pumpenkolbens 16 bewirkte Druck nicht mehr ausreicht, das Rückschlagventil 27 und/oder das Einspritzventil 13 zu öffnen.
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Insgesamt bietet die Pumpenkolbenventileinheit 10 somit eine besonders kompakte und einfach anzusteuernde Möglichkeit, das Abgasnachbehandlungsmittel vor dem Katalysator 5 in den Abgastrakt einzuspritzen beziehungsweise dem Abgas beizumengen.
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Optional weist die Kolbenpumpenventileinheit 10 den schaltbaren Druckluftkanal 14 auf. In dem Druckluftkanal 14 ist ein Ventilelement 33 angeordnet, welches gegen die Kraft einer Spiralfeder 34 mittels eines zweiten Magnet-Aktors 41 verlagerbar ist. So kann zu gewünschten Zeitpunkten dem durch das Abgasrohr 2 strömenden Abgas Luft beigemischt werden. insbesondere kann die Druckluft dazu genutzt werden, dass durch das Einspritzventil 13 in das Abgasrohr 2 eingespritzte Abgasnachbehandlungsmittel zu zerstäuben.
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Das Abgasnachbehandlungssystem 1 gemäß der 1 weist weiterhin eine Steuereinheit 35 auf, die die Daten der Temperatursensoren 7 und der Lamdasonde 8, sowie Daten betreffend die Brennkraftmaschine erfasst und die Kolbenpumpenventileinheit 10 ansteuert. Weiterhin weist das Abgasnachbehandlungssystem 1 einen Abgasnachbehandlungsmittel-Tank 36 auf, der vorteilhafterweise oberhalb der Kolbenpumpenventileinheit 10 angeordnet ist, sodass das darin befindliche Abgasnachbehandlungsmittel mittels Schwerkraft zu der Kolbenpumpenventileinheit 10 gefördert werden kann. Optional ist eine weitere Versorgungspumpe 37, die bevorzugt als Membranpumpe ausgebildet ist, vorgesehen, welche das Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Abgasnachbehandlungsmittel-Tank 36 zu der Kolbenpumpenventileinheit 10 fördert.
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Optional sind weiterhin in dem Abgasnachbehandlungsmittel-Tank 36, oder auch an den Leitungen zwischen dem Abgasnachbehandlungsmittel-Tank 36, der Pumpe 37 und/oder der Kolbenpumpenventileinheit 10 Heizelemente 38 vorgesehen, die insbesondere ein Einfrieren des Abgasnachbehandlungsmittels verhindern können.
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Die 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Weiterbildung der Kolbenpumpenventileinheit 10, wobei bereits bekannte Elemente aus den vorhergehenden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, sodass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hier der Kolbenpumpenventileinheit 10 Mittel zur thermischen Isolierung der Kolbenpumpenventileinheit 10 zugeordnet. Diese Mittel umfassen vorliegend einen Hitzeschild 39, der nahe zu dem Einspritzventil 13 angeordnet ist und den wesentlichen Teil der Kolbenpumpenventileinheit 10 vor der von dem Abgasrohr 2 ausgehenden Hitze schützt.
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Ferner ist das Gehäuse 11 der Kolbenpumpenventileinheit 10 optional mit Kühlrippen 40 versehen, die zur Luftkühlung dienen. Denkbar ist es auch, Kühlmittelkanäle vorzusehen, durch welche Kühlmittel zum Kühlen der Kolbenpumpenventileinheit 10 gefördert wird.
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Das Abgasnachbehandlungssystem 1 kann prinzipiell bei jeglicher Art von Brennkraftmaschinen, beispielsweise Diesel- oder Benzinbrennkraftmaschinen vorgesehen werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Abgasnachbehandlungssystemen ist das Abgasnachbehandlungssystem 1 kompakt, kostengünstig und einfach herstellbar.