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Stand der Technik:
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors.
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Es ist bekannt, wässrige Harnstofflösung (AdBlue®) in den Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, einzuspritzen, um die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide zu reduzieren. Weist ein zum Einspritzen der wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrang vorgesehenes Fördermodul eine nicht volumetrisch fördernde Pumpe auf, so ist ein Rücklauf erforderlich, um überschüssige, von der Pumpe geförderte Menge Harnstofflösung von der Druckseite der Pumpe zurück auf die Saugseite bzw. in den Tank zu befördern und so den Einspritzdruck konstant zu halten. In der Rücklaufleitung ist vorzugsweise eine variable Drossel vorgesehen, damit der Einspritzdruck durch Verändern der Förderleistung der Pumpe auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann.
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Um Luft(blasen) aus dem Fördermodul zu entfernen, ist es notwendig, die Rücklaufleitung im Fall einer schaltbaren Drossel geöffnet zu halten. Bei einer fixen Drossel kann die Luft durch den Drosselquerschnitt entweichen.
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Wässrige Harnstofflösung dehnt sich beim Gefrieren aus, und es besteht die Gefahr, dass das Fördermodul durch die Volumenzunahme gefrierenden Fluid beschädigt wird. Der Gefrierpunkt der Harnstofflösung kann durch chemische Zusätze (Frostschutz) nur in einen begrenzten Bereich abgesenkt werden, ohne die Funktion bei der Schadstoffreduktion negativ zu beeinflussen.
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Es ist bekannt, durch die Einspritzöffnung impulsartig eine kleine Luftmenge einzusaugen und so in dem Dosiermodul ein mit Luft gefülltes Ausgleichsvolumen zu schaffen, welches das zusätzliche Volumen sich ausdehnender wässriger Harnstofflösung aufnehmen kann, um das Dosiermodul eisdruckfest zu machen. Um solch ein impulsartige Einsaugen auszulösen, wird der Querschnitt der regelbaren Drossel (Einspritzventil), die in der Dosiereinheit angeordnet ist, komplett freigegeben.
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Zusätzlich zu den genannten drei Funktionen besteht der Bedarf, das Einspritzsystem teilweise oder vollständig zu entleeren. Dafür wird beispielsweise die im Normalbetrieb zum Fördern des Fluids vorgesehene Pumpe verwendet. Die Pumpe wird dazu über ein zusätzliches 4/2-Wege-Ventil so geschaltet, dass ihr Eingang und Ausgang gegenüber dem normalen Betrieb vertauscht sind, so dass die Harnstofflösung durch Betreiben der Pumpe aus dem Fördermodul absaugt und zurück in den Tank gefördert werden kann.
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In derartigen Einspritzsystemen sind zwei umschaltbare Ventile oder eine Luftunterstützung notwendig, um alle gewünschten Funktionen zu realisieren.
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Offenbarung der Erfindung:
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes Einspritzsystem bereitzustellen, mit dem die genannten Funktionen einschließlich einer kompletten Entleerung des Systems realisierbar sind.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, weist ein Dosier- und Einspritzmodul eine Pumpe, die ausgebildet ist, um im Betrieb Fluid aus einem Reservoir zum Dosier- und Einspritzmodul zu fördern, und einen gedrosselten Überstromkanal auf, der den Ausgang der Pumpe mit ihrem Eingang verbindet. Die Fördervorrichtung hat eine Rücklaufleitung, die es ermöglicht, dass Fluid aus dem Dosier- und Einspritzmodul abfließt. In der Rücklaufleitung ist ein schaltbares Ventil angeordnet, das wenigstens zwischen den Zuständen „vollständig geschlossen“ und „vollständig geöffnet“ umschaltbar ist, um die Rücklaufleitung zu öffnen und zu verschließen.
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Im stromlosen Zustand (Zündung aus) ist das schaltbare Ventil offen. Beim Aktivieren der Vorrichtung (Zündung ein) wird das Ventil durch Bestromen geschlossen. Das Schließen des Ventils geschieht, bevor die Pumpe in Betrieb geht und mit dem Druckaufbau beginnt. Zu Beginn des Druckaufbaus wird die Luft, die in den Verbindungsleitungen bzw. -schläuchen vorhanden ist, in Richtung des Dosiermoduls komprimiert. Wird ein festgelegter Druckwert überschritten, öffnet das Ein-Wege-Ventil und gibt den gedrosselten Überstromkanal in Richtung von der Druckseite zur Ansaugseite der Pumpe frei.
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Die gedrosselte Überströmmenge wird so gewählt, dass die minimale erforderliche Drehzahl der Pumpe nicht unterschritten wird.
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Ist keine Flüssigkeit im Modul, kann das Dosierventil während der ersten Sekunden des Druckaufbaus geöffnet sein. Dies ermöglicht es der Luft, aus der Einspritzvorrichtung in den Abgastrakt zu entweichen.
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In einer Ausführungsform ist das schaltbare Ventil zusätzlich in einen Zustand schaltbar, in dem es Fluid aus dem Dosier- und Einspritzmodul abpumpt und vorzugsweise zurück in das Reservoir fördert. Durch die Verwendung eines derartigen schaltbaren Ventils kann das Dosiermodul bei Bedarf vollständig und das Einspritzmodul teilweise entleert werden, ohne dass dazu eine weitere Pumpe oder ein zusätzliches schaltbares Ventil erforderlich ist.
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In einer Ausführungsform ist im Zulauf und im Ablauf des schaltbaren Ventils jeweils ein Rückschlagventil angeordnet. Durch derartige Rückschlagventile lässt sich ein Betriebszustand des schaltbaren Ventils, in dem es Fluid aus dem Dosier- und Einspritzmodul abpumpt, besonders einfach realisieren.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich wenigstens einen Drucksensor auf, der ausgebildet ist, um den von der Pumpe erzeugten Einspritzdruck im Dosier- und Einspritzmodul zu messen. Das Messergebnis des Drucksensors wird vorzugsweise verwendet, um die Pumpe und/oder das Ein-Wege-Ventil anzusteuern und so zu regeln, dass im Dosier- und Einspritzmodul der gewünschte Einspritzdruck herrscht.
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In einer Ausführungsform ist der Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils einstellbar. Durch Einstellen des Öffnungsdrucks des Ein-Wege-Ventils kann der Druck im Dosier- und Einspritzmodul zuverlässig auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Dabei wird der Druck vorzugsweise so eingestellt, dass ein Anlaufen der Pumpe gegen diesen Druck weiterhin möglich ist.
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Das Ein-Wege-Ventil kann als Federventil mit einer einstellbaren Ventilfeder ausgebildet sein.
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Die Erfindung erfasst auch ein Verfahren des Betreibens einer erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung, wobei das Verfahren einschließt, das schaltbare Ventil vor dem Einschalten der Pumpe zu schließen. Durch Schließen des schaltbaren Ventils vor dem Einschalten der Pumpe wird die Luft, die im Einspritzsystem vorhanden ist, in Richtung des Dosier- und Einspritzmoduls komprimiert.
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In einer Ausführungsform schließt ein erfindungsgemäßes Verfahren ein, das schaltbare Ventil nach dem Abschalten der Pumpe zu öffnen. Dabei wird das Ventil vorzugsweise schlagartig so geöffnet, dass es einen möglichst großen Querschnitt freigibt und der Druck im Einspritzsystem schnell abfällt. Dadurch wird Luft in das Einspritzsystem, insbesondere in das Einspritz- und Dosiermodul, angesaugt. Die Luft drückt das Fluid aus dem Einspritzsystem zurück in das Reservoir. Durch Luft im Einspritzsystem, insbesondere im Einspritz- und Dosiermodul, wird die Eisdruckfestigkeit des Systems verbessert, da das komprimierbare Luftvolumen einen Puffer bildet, der geeignet ist, das zusätzliche Volumen von Fluid, das sich beim Gefrieren ausdehnt, aufzunehmen.
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In einer Ausführungsform schließt ein erfindungsgemäßes Verfahren ein, durch geeignetes Ansteuern des schaltbaren Ventils, Fluid aus dem Dosier- und Einspritzmodul abzupumpen. Das Dosier- und Einspritzmodul kann so ohne den Einsatz einer zusätzlichen Pumpe und/oder eines zusätzlichen Ventils vollständig entleert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems; und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems.
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Ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem gemäß dem in der 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel weist ein Reservoir 4 zur Aufnahme und Speicherung des einzuspritzenden Fluids 2 und ein Dosier- und Einspritzmodul 10 auf, das an einem in der 1 nicht gezeigten Abgasstrang montiert und geeignet ist, das ihm zugeführte Fluid dosiert in den Abgasstrang einzuspritzen.
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Ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem weist zusätzlich eine Fluidförderpumpe 8 auf, die eingangsseitig mit dem Reservoir 4 und ausgangsseitig mit dem Dosier- und Einspritzmodul 10 verbunden ist, um im Betrieb Fluid 2 aus dem Reservoir 4 anzusaugen und unter einem erhöhten Druck dem Dosier- und Einspritzmodul 10 zuzuführen.
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An der Druckleitung 13, die den Ausgang der Fluidförderpumpe 8 mit dem Dosier- und Einspritzfördermodul 10 verbindet, ist ein Drucksensor 18 angebracht, der es ermöglicht, den von der Fluidförderpumpe 8 erzeugten Einspritzdruck zu messen und anzuzeigen und/oder eine in der 1 nicht gezeigte Steuervorrichtung weiterzugeben.
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Parallel zur Fluidförderpumpe 8 ist ein gedrosselter Überstromkanal 9 (Bypasskanal) vorgesehen, in dem in Reihe eine Drossel 12 und ein Ein-Wege-Ventil 15 ausgebildet sind. Das Ein-Wege-Ventil 15 öffnet und ermöglicht einen Fluidfluss von der mit der Ausgangsseite der Pumpe verbundenen Druckleitung 13 zur Eingangsseite der Fluidförderpumpe 8, die in Fluidverbindung mit dem Reservoir 4 steht, wenn ein vorgegebener, vorzugsweise einstellbarer Druckunterschied zwischen der Ausgangsseite der Fluidförderpumpe 8 und der Eingangsseite der Fluidförderpumpe 8 überschritten wird.
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Die Drossel 12, die in dem Überstromkanal 9 ausgebildet ist, verhindert einen übermäßigen plötzlichen Abfluss von Fluid aus der Druckleitung 13 durch das geöffnete Ein-Wege-Ventil 15.
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Ebenfalls parallel zur Fluidförderpumpe 8 und zum gedrosselten Überstromkanal 9 ist ein schaltbares Ventil 14 angeordnet, welches in dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Zuständen vollständig geöffnet 14a und vollständig geschlossen 14b einstellbar ist.
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Das schaltbare Ventil 14 wird durch ein elastisches Federelement 17 im deaktivierten Zustand (Strom aus) in den geöffneten Zustand 14a gebracht. Vor dem Aktivieren des Einspritzsystems und Einschalten der Fluidförderpumpe 8 wird das schaltbare Ventil 14 durch Bestromen eines Elektromagneten 19 in einen geschlossenen Zustand 14b umgeschaltet.
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Wenn das schaltbare Ventil 14 geschlossen ist, baut die Fluidförderpumpe 8 im Betrieb einen erhöhten Druck in der Druckleitung 13 auf, bis der Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils 15 im gedrosselten Überstromkanal 9 erreicht wird und das Ein-Wege-Ventil 15 öffnet, wodurch der Druck in der Druckleitung 13 im Wesentlichen auf den vorzugsweise einstellbaren Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils 15 begrenzt wird. Die Einstellung des gewünschten Drucks erfolgt durch Regelung der Fluidförderpumpe 8.
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Durch gezieltes Ansteuern des Dosier- und Einspritzmoduls 10 mithilfe einer in der 1 nicht gezeigten Steuervorrichtung kann das Fluid mit dem durch die Fluidförderpumpe 8 erzeugten Einspritzdruck in den nicht gezeigten Abgasstrang eingespritzt werden.
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Beim Deaktivieren des Einspritzsystems und Abstellen der Fluidförderpumpe 8 wird der Elektromagnet 19 deaktiviert, und das schaltbare Ventil 14 wird durch die Kraft des Federelements 17 in den vollständig geöffneten Zustand 14a gebracht. Durch vollständiges Öffnen des schaltbaren Ventils 14 wird die Druckleitung 13 in unmittelbare Fluidverbindung mit der Ansaugseite der Pumpe bzw. dem Fluidreservoir 4 gebracht und der Druck in der Druckleitung 13 und im Dosier- und Einspritzmodul 10 fällt schlagartig ab. Der Druckabfall im Dosier- und Einspritzmodul 10 bewirkt, dass Luft aus dem in der Figur nicht gezeigten Abgasstrang in das Dosier- und Einspritzmodul 10 eingesaugt wird und dort ein Luftpolster bildet, das geeignet ist, die Volumenzunahme gefrierenden Fluids aufzunehmen. Das Dosier- und Einspritzmodul befindet sich dann in einem eisdruckfesten Zustand, in dem es durch die Volumenzunahme gefrierenden Fluids nicht beschädigt wird, da das zusätzliche Volumen vom dem Luftpolster aufgenommen wird.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems. Dabei sind diejenigen Merkmale, die identisch mit den in der 1 gezeigten Merkmalen sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut im Detail erläutert. Stattdessen wird auf die entsprechende Beschreibung der 1 verwiesen.
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Das schaltbare Ventil 14 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zum vollständig geöffneten und zum vollständig geschlossenen Zustand, wie sie zuvor beschrieben worden sind, in einen dritten Zustand 14c schaltbar, in dem es Fluid aus der Druckleitung 13 bzw. dem Dosier- und Einspritzmodul 10 abpumpt und durch die Rücklaufleitung 16 zurück in den Fluidtank 4 fördert.
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Eine derartige Absaug- und Pumpfunktion des schaltbaren Ventils 14 lässt sich vorzugsweise dadurch realisieren, dass im Zulauf und im Ablauf des schaltbaren Ventils 14 jeweils ein Rückschlagventil 20, 22 angeordnet ist. Die Rückschlagventile 20, 22 sind so angeordnet, dass sie jeweils einen Fluidfluss von der Druckleitung bzw. dem Dosier- und Fördermodul 10 in Richtung des Fluidreservoirs 4 ermöglichen und einen Fluidfluss in der entgegengesetzten Richtung sperren. Durch wiederholtes Öffnen und Schließen des schaltbaren Ventils 14, wobei ein Volumen innerhalb des schaltbaren Ventils 14 variiert wird, lässt sich so auf einfache Weise eine Pumpfunktion des schaltbaren Ventils 14 realisieren, die es ermöglicht, aktiv Fluid aus der Druckleitung 13 zurück in das Fluidreservoir 4 zu fördern und so die Druckleitung 13 und das Dosier- und Fördermodul 10 zu entleeren.
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Ein Einspritzsystem gemäß dem in der 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ermöglicht es, die Druckseite des Einspritzsystems mit der Druckleitung 13 und dem Dosier- und Fördermodul 10 vollständig zu entleeren und das Fluid aus diesem Bereich zurück in das Fluidreservoir 4 zu fördern. Ein vollständig entleertes Dosier- und Einspritzmodul 10 weist eine besonders hohe Eisdruckfestigkeit auf und kann einfach ausgetauscht werden, ohne dass es dabei zu einem unerwünschten Austreten von Fluid aus dem Einspritzsystem kommt.
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Die Erfindung stellt somit ein verbessertes eisdruckfestes Einspritzsystem zur Verfügung, das insbesondere einfach und kostengünstig aufbaubar ist.