DE102011075446A1

DE102011075446A1 - Druckbetätigtes Schaltventil für Abgassystem

Info

Publication number: DE102011075446A1
Application number: DE102011075446A
Authority: DE
Inventors: Rainer Gansel; Max Leonhard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-08
Also published as: CN102767412B; CN102767412A; FR2974846A1; IN2012DE01068A; FR2974846B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Reduktion von NOx im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgassystem (28). In dieses wird ein Reduktionsmittel (50), insbesondere in Form eines Sprühnebels (30) aufbereitet, eingebracht. In einer mit Druckluft (52) und mit dem Reduktionsmittel (50) beaufschlagten Zumesseinheit (24) ist ein durch den Druck des Reduktionsmittels (50) betätigbares Mischventil (40) angeordnet.

Description

Stand der Technik
WO 02/079616 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine. Dazu wird ein in die Abgase einzubringendes Reduktionsmittel verwendet, insbesondere ein Harnstoff bzw. eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Die Vorrichtung umfasst eine Mischkammer, in welcher das Reduktionsmittel über eine Reduktionsmittelleitung und Druckluft über eine Druckluftleitung zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luft-Gemisches einbringbar sind, und zur Verhinderung eines Rückstromes von Reduktionsmittel oder Reduktionsmittel-Luft-Gemisch aus der Mischkammer in die Druckluftleitung dort ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Das Rückschlagventil weist einen elastischen Dichtschlauch auf, wobei der Dichtschlauch bei Druckbeaufschlagung der Druckluftleitung ein Durchtreten von Druckluft von der Druckluftleitung in einen Mischraum der Mischkammer gestattet und bei entgegengesetzter Druckbeaufschlagung ein Durchtreten von Reduktionsmittel oder Reduktionsmittel-Luft-Gemisch von dem Druckraum in die Druckluftleitung verhindert. Der Dichtschlauch ist federbelastet ausgebildet. In den Dichtschlauch ist ein Körper eines Ventils zur Dosierung des Reduktionsmittels eingesteckt. Ferner ist der Dichtschlauch in einer Bohrung eines Grundkörpers der Mischkammer eingebracht. Die Federbelastung erfolgt an dem dem Ventilkörper abgewandten Enden des Dichtschlauchs.
Um Stickoxide (NO_x) im Abgasstrom eines Dieselmotors reduzieren zu können, wird flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung (AdBlue oder ein anderes Reduktionsmittel) mit Druck über eine Zumesseinheit in den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt. Die Zumesseinheit wird dazu direkt an dem Abgasrohr angebracht. Um robuste Systeme mit hohen Umsatzraten von Stickoxiden zu erzielen, ist eine gute Durchmischung der Harnstoff-Wasser-Lösung mit dem Abgas erforderlich. Bei Anwendungen, wo Druckluft zur Verfügung steht, kann die Luft zur Unterstützung der Zerstäubung des Reduktionsmittels eingesetzt werden, wodurch ein feineres Spray im Vergleich zu Anwendungen ohne Druckluft erzeugt werden kann. Für die Zuschaltung der Druckluft wird in der Regel ein elektrisch geschaltetes Ventil benötigt, um den Luftstrom abstellen zu können, um zum Beispiel ein Leerlaufen des Tanks im Abstellfall zu verhindern.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Druck, der durch ein Förderaggregat für das Reduktionsmittel erzeugt wird, um dieses zur Zumesseinheit zu fördern, zur Betätigung eines Schaltventiles für die Druckluftan- bzw. zuschaltung genutzt wird. Dadurch kann die teure Komponente eines elektrisch betätigten Abschaltventiles eingespart werden, ferner besteht die Möglichkeit, die Zumesseinheit kompakter zu bauen, so dass deren Platzbedarf reduziert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens kann innerhalb oder außerhalb der Zumesseinheit an der Reduktionsmittelzuführung ein auslenkbares Element, so zum Beispiel eine Membran angeordnet sein, die einerseits ein Ventilelement eines Mischventils betätigt und die andererseits dem in der Reduktionsmittelzuführung herrschenden Druck des Reduktionsmittels ausgesetzt ist. Durch das auslenkbare Element, beispielsweise in Gestalt einer Membran, kann über einen Schaft oder einen Stößel oder ein anders gestaltetes Übertragungselement, ein Ventilglied aus seinem Ventilsitz gestellt werden, so dass durch das Vorhandensein eines Druckes in der Reduktionsmittelzuführleitung die Druckluftleitung durch das Auslenken eben dieser Membran mehr oder weniger freigegeben wird. Abhängig von der Höhe des Druckes ist der durch das aus dem Ventilsitz gestellte Ventilelement freigegebene Strömungsquerschnitt für die Druckluft größer oder kleiner. Das Mischventil, welches durch die vom Reduktionsmittel druckbeaufschlagte Membran betätigt wird, umfasst ein beispielsweise als Zugfeder ausgebildetes Federelement, so dass im Falle eines nicht vorhandenen Druckes in der Reduktionsmittelzuführung bzw. bei nicht vorhandenem Reduktionsmittel, der Druck in der Reduktionsmittelzuführleitung sichergestellt ist, dass das Ventilglied des Mischventils in seinen Ventilsitz gestellt ist und die Druckluftzuleitung verschlossen ist.
Im Falle der Betätigung des Mischventiles durch den Reduktionsmitteldruck wird in Abhängigkeit von der Höhe des Reduktionsmitteldruckes der Ventilsitz des Mischventiles freigegeben, so dass einerseits über die nunmehr geöffnete Druckluftzuleitung Druckluft aus einem Druckluftreservoir einer Mischkammer zuströmt, die darüber hinaus durch ein Dosierventil mit Reduktionsmittel beaufschlagt ist. In der Mischkammer treffen demnach das Reduktionsmittel und die Druckluft zusammen und strömen einer Zerstäubungseinrichtung zu. Durch die Zerstäubungseinrichtung wird das in der Mischkammer vorgemischte Gemisch aus Druckluft und Reduktionsmittel in einen Sprühnebel bzw. ein Spray verwandelt, so dass ein feinverteiltes, d.h. zerstäubtes Reduktionsmittel-Luftgemisch durch ein Dosierventil in den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung des durch den Druck des Reduktionsmittel betätigten Mischventiles wird nur dann Druckluft aus dem Druckluftreservoir in die Mischkammer geleitet, wenn Reduktionsmitteldruck von einer Zuführung eines vorzugsweise als Pumpe ausgebildeten Förderaggregates der Mischkammer anliegt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann daher ein separates elektrisch schaltendes Ventil vermieden werden. Da zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Reduktionsmitteltank ein Förderaggregat ohnehin eingesetzt werden muss, wird der durch dieses auf der Druckseite erzeugte Druck zur Ansteuerung des die Druckluft beimischenden Mischventiles herbeigeführt. Dadurch ist die erfindungsgemäße Lösung kostengünstig und bauraumsparend.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 ein Abgasnachbehandlungssystem mit seinen wesentlichen Komponenten in einer schematischen Darstellung und
2 eine Zumesseinheit zur Bildung eines Reduktionsmittel-Luft-Gemisches mit dem erfindungsgemäßen Mischventil, das durch den Druck des Reduktionsmittels betätigt wird.
Ausführungsvarianten
1 zeigt in schematischer Darstellung die Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere zur NO_x-Reduktion im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen.
Ein Abgasnachbehandlungssystem 10, insbesondere zur Reduktion von NO_x im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, umfasst einen Reduktionsmitteltank 12, in dem ein Vorrat von Reduktionsmittel bevorratet wird. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich beispielsweise um Harnstoff oder um eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL). Aus dem Reduktionsmitteltank 12 verläuft eine Förderleitung 14 zu einem Förderaggregat 16, welches insbesondere als eine Pumpe ausgestaltet ist. Eine Saugseite des Förderaggregates 16 ist durch Bezugszeichen 18 kenntlich gemacht, eine Druckseite des Förderaggregates 16 durch Bezugszeichen 20 identifiziert.
Durch das Förderaggregat 16 wird Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank 12 durch die Förderleitung 14 zu einer in 1 schematisch dargestellten Zumesseinheit 24 gefördert.
In einen Druckluftreservoir 22 wird Druckluft bevorratet, die im Bedarfsfall über eine Druckluftleitung 26 ebenfalls zur Zumesseinheit 24 geleitet werden kann. Die Zumesseinheit 24 ist beispielsweise direkt am Abgassystem 28 angeordnet. Über die Zumesseinheit 24 wird ein feine Tröpfchen enthaltender Reduktionsmittelsprühnebel 30 in den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine eingebracht, wo der Reduktionsmittelsprühnebel 30 sich mit dem im Abgassystem 28 strömenden Abgas vermischt und die NO_x-Bestandteile desselben reduziert und in N₂ und H₂O aufspaltet.
Der Darstellung gemäß 2 ist ein Schnitt durch eine Zumesseinheit zu entnehmen, welche einerseits mit Reduktionsmittel und andererseits mit Druckluft beaufschlagt ist.
Wie aus der schematisch wiedergegebenen Schnittdarstellung gemäß 2 hervorgeht, strömt der Zumesseinheit 24 über eine Reduktionsmittelzufuhr 32 Reduktionsmittel 50 zu. Das der Zumesseinheit 24 zuströmende Reduktionsmittel 50 steht unter dem Druck, der im Wesentlichen an der Druckseite 20 des Förderaggregates 16 herrscht. Dieser Druck liegt in der Reduktionsmittelzufuhr 32 – üblicherweise ausgebildet als Leitung – im Körper der Zumesseinheit 24 an. Des Weiteren steht über eine Druckluftzufuhr 36 Druckluft 52 ebenfalls an der Zumesseinheit 24 an.
Der Schnittdarstellung gemäß 2 lässt sich entnehmen, dass Druckluft 50 an einem beispielsweise konisch ausgebildeten Ventilglied 54 eines Mischventiles 40 ansteht, welches in der Darstellung gemäß 2 in seinen Ventilsitz 58 gestellt ist. Selbstverständlich kann die Geometrie des Ventilelementes 54 auch eine andere als ein Konus sein. Das Mischventil 40, welches in das Gehäuse der Zumesseinheit 24 integriert ist, umfasst ein Auslenkelement 24, beispielsweise in Form einer auslenkbaren Membran. Das Auslenkelement 34 wird einerseits durch den in der Reduktionsmittelzufuhr 32 herrschenden Druck des Reduktionsmittels 50 beaufschlagt und betätigt andererseits durch einen sich durch einen Hohlraum 42 erstreckenden Stößel, oder einen Ventilschaft 56 oder dergleichen, das in der Darstellung gemäß 2 konisch ausgebildete Ventilelement 54. Der Ventilschaft 56 des Mischventiles 40 ist von einem Rückstellelement umgeben, vergleiche Position 38. Das Rückstellelement 38 wird vorzugsweise als Feder, insbesondere als Zugfeder ausgebildet und ist derart ausgelegt, dass bei fehlendem Druck in der Reduktionsmittelzufuhr 32 sichergestellt ist, dass das Ventilelement 54 in seinem Ventilsitz 58 geschlossen ist, d.h. das Überströmen von Druckluft 50 über die Druckluftzufuhr 36 in eine Mischkammer 46 unterbunden ist.
Stromab des Ventilsitzes 58 erstreckt sich eine Leitung durch das Gehäuse der Zumesseinheit 24, die in eine Mischkammer 46 mündet. Andererseits ist die Mischkammer 46 durch die Mündung eines Dosierventiles 44 mit der Reduktionsmittelzufuhr 32 verbunden, so dass in die Mischkammer 46 bei Anwesenheit von Reduktionsmittel in der Reduktionsmittelzufuhr 32 und ein dadurch bewirktes Öffnen des Mischventiles 40, Druckluft 52 einströmt.
Sobald das Förderaggregat 16 die Förderung von Reduktionsmittel 50 aufgenommen hat, steigt in der Förderleitung 14 stromab der Druckseite 20 des Förderaggregates 16 demzufolge auch in der Reduktionsmittelzufuhr 32 innerhalb der Zumesseinheit 24 der Druck an. Durch den Druckanstieg wird das Auslenkelement 34, bei dem es sich bevorzugt um eine Membran handelt, in den Hohlraum 42 ausgelenkt, so dass der Ventilschaft 56 oder ein anderes Übertragungselement zum Ventilelement 54 im Wesentlichen in horizontale Richtung ausgelenkt wird und den Ventilsitz 58 öffnet. Sobald dieser öffnet, strömt Druckluft 52 von der Druckluftzufuhr 56 in die Mischkammer 46, in die über das Dosierventil 44, welches in der Dosierzumesseinheit 24 angeordnet ist, ebenfalls Reduktionsmittel 50 gelangt.
Von der Mischkammer 46 strömt ein Reduktionsmittel-Druckluft-Gemisch über einen Anschluss 48 zu einem in 2 nicht dargestellten Zerstäuber, so dass ein Reduktionsmitteldruckluftsprühnebel 30 erzeugt werden kann, der schlussendlich in das Abgassystem 28, der hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine (vergleiche 1) eingebracht werden kann.
Je feinere Tröpfchen innerhalb des Reduktionsmittelsprühnebels 30 erzeugt werden können, eine desto wirksamere NO_x-Reduktion lässt sich erreichen.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird erreicht, dass innerhalb der Zumesseinheit 24 auf ein separat vorzusehendes elektrisch schaltendes Ventil verzichtet werden kann; andererseits ist das Mischventil 40, welches sich in der Regel im geschlossenen Zustand befindet, erst dann aktiviert, wenn sich nach Einschalten des Förderaggregates 16 in der Förderleitung 14 ein Reduktionsmittelstrom einstellt und demzufolge auch in der Reduktionsmittelzufuhr 32 innerhalb der Zumesseinheit 24 ein Druck eingestellt wird. Da die Druckluft 52 nur zur Zerstäubung benötigt wird, eben dann wenn Reduktionsmittel 50 zugemessen wird, ist eine Kopplung des Druckluftflusses mit dem Reduktionsmittelfluss durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung möglich.
Der Darstellung gemäß 2 ist darüber hinaus zu entnehmen, dass bei Auslenkung des Auslenkelementes 34 durch den Druck in der Reduktionsmittelzufuhr 32 eine Auslenkung des Ventilelementes 54 in Öffnungsrichtung 60 erfolgt, so dass der Ventilsitz 58 freigegeben wird, während bei einem Sinken des Druckes in der Förderleitung 14 und damit in der Reduktionsmittelzufuhr 32 nach Abschalten des Förderaggregates 16 durch das als Federelement 38 beispielsweise ausgebildete Rückstellelement das Ventilelement 54 wieder in den Ventilsitz 58 zurückbewegt wird, d.h. in Schließrichtung 62 bewegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/079616 A1 [0001]

Claims

Vorrichtung zur Reduktion von NO_x im Abgas von Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgassystem (28), in welches ein Reduktionsmittel (50), insbesondere in Form eines Sprühnebels (30) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer mit Druckluft (52) und mit Reduktionsmittel (50) beaufschlagten Zumesseinheit (24), ein durch einen Druck des Reduktionsmittels (50) betätigtes Mischventil (40) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischventil (40) ein auslenkbares Element (34), insbesondere eine auslenkbare Membran umfasst, die durch eine Reduktionsmittelzufuhr (32) beaufschlagt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element (34) ein Ventilelement (54) betätigt, das durch ein Federelement (38) in Schließrichtung (62) beaufschlagt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reduktionsmittelzufuhr (32) stromab des auslenkbaren Elementes (34) ein Dosierventil (44) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (44) Reduktionsmittel (50) in eine Mischkammer (58) einspritzt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (46) mit Druckluft (52) beaufschlagt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftbeaufschlagung der Mischkammer (46) entsprechend des Öffnungsgrades des Mischventiles (40) erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischventil (40) Druckluft (52) nur dann in die Mischkammer (46) leitet, wenn Reduktionsmittel (50) in das Dosierventil (44) gefördert wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (46) einen Anschluss (48) für eine Zerstäubungseinrichtung aufweist.