DE19743302C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausstoßen und Zumessen von elektrisch leitfähigem, flüssigem Reduktionsmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausstoßen und Zumessen von elektrisch leitfähigem, flüssigem Reduktions­ mittel gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5.

Die Verminderung der Stickoxidemission einer mit Luftüber­ schuß arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer Die­ selbrennkraftmaschine kann mit einem ammoniakhaltigen Reduk­ tionsmittel an einem selektiv arbeitenden Katalysator (SCR-Ka­ talysator) zu N₂ und H₂O erfolgen (SCR Selectiv Catalytic Reduktion). Als Reduktionsmittel werden entweder gasförmiges Ammoniak (NH₃), Ammoniak in wäßriger Lösung oder Harnstoff in wäßriger Lösung eingesetzt. Der Harnstoff dient dabei als Ammoniakträger und wird mit Hilfe eines Dosiersystems vor ei­ nem Hydrolysekatalysator in das Auspuffsystem eingespritzt, dort mittels Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt, der dann wie­ derum in dem eigentlichen SCR-Katalysator die Stickoxide re­ duziert.

In bekannten Dosiersystemen erzeugen Pumpen den benötigten Einspritzdruck, der Druck wird von einem Druckregler konstant gehalten, und zur Dosierung der Harnstofflösung werden elek­ tromagnetisch betätigte Ventile, wie sie für die Kraftstoff­ einspritzung bekannt sind, eingesetzt. Dabei treten folgende Probleme auf:

• 1. Wässerige Harnstofflösung ist korrosiv und elektrisch lei­ tend, d. h. alle Komponenten im Harnstoffkreis müssen korrosi­ onsbeständig sein, was auf die bisher verfügbaren Kfz-taug­ lichen Komponenten nicht zutrifft. Dies führt zu einer hohen Ausfallrate und zu einer geringen Lebensdauer der Kom­ ponenten, insbesondere des Einspritzventiles.
• 2. Die Dosiermengen sind im Vergleich zu Kraftstoffdosiermen­ gen sehr klein. Typische Werte liegen im Bereich von 2%-4% der Kraftstoffdosiermenge.

Von Tintenstrahldruckeinrichtungen ist bekannt, daß durch Er­ zeugen von Dampfblasen Tintenflüssigkeit dosiert werden kann (Bubble Jet Printer). Dieses Verfahren läßt jedoch nur die Dosierung von sehr kleinen Mengen pro Puls zu, da hier die Dampfblasen auf der Oberfläche von Heizelementen gebildet werden.

Für eine Anwendung zur Reduktionsmitteldosierung in das Ab­ gassystem von Diesel-Brennkraftmaschinen müssen Mengen bis zu 0,15 ml/sec dosiert werden. Bei einer Pulsfrequenz von 20 Hz müssen somit pro Puls ca. 7 mm³ Harnstofflösung eingespritzt werden. Die zu bildende Dampfblase muß also ebenfalls ein Vo­ lumen von ca. 7 mm³ erreichen (Die Volumenreduzierung der flüssigen Phase bei der Dampfbildung kann unberücksichtigt bleiben, da selbst bei einem Druck von 10 bar eine Volumen­ einheit der flüssigen Phase ca. 2000 Volumeneinheiten der Dampfphase entspricht). Um dieses Dampfvolumen über Aufhei­ zung einer Oberfläche zu erzeugen, müßte eine große Oberflä­ che schnell aufgeheizt werden. Die Dicke der Dampfblase wird dabei von der Größe des Siedeverzuges in der Flüssigkeit be­ stimmt, da mit Beginn der Dampfblasenbildung auf der Oberflä­ che der Wärmefluß in die Flüssigkeit unterbrochen wird, d. h. selbst bei längerer Zufuhr von Heizleistung wird nicht we­ sentlich mehr Flüssigkeit verdampft. Da nur eine dünne Flüs­ sigkeitsschicht auf dem Heizelement zur Dampfblasenbildung beiträgt, wird dabei ein Großteil der Heizleistung nur zur Aufheizung des Heizelementes verbraucht. Nur wenn während der Heizphase sich Dampfblasen von der Heizoberfläche ablösen würden und durch Konvektion Flüssigkeit auf die Heizflächen gelangen könnte, wäre eine kontinuierliche Dampfbildung auf beheizten Oberflächen möglich. Dieser Vorgang läuft aber in den räumlichen und zeitlichen Dimensionen, wie sie für die beschriebene Anwendung zutreffen, nicht ab.

Aus der DE 195 04 175 A1 ist eine Vorrichtung zum Zumessen und Zerstäuben von Fluid, insbesondere von Kraftstoff be­ kannt, die eine mit Fluid befüllbare Kammer aufweist, in der ein planares Dünnschicht- oder Dickschicht-Heizelement zum Er­ hitzen und Verdampfen des Fluids angeordnet ist. Die Kammer weist einen verschließbaren Zulauf auf, der während des Heiz­ vorganges verschlossen ist und einen verschließbaren Ablauf zur Abgabe des Fluids. Steigt der Dampfdruck in der Kammer über einen definierten Schwellenwert, öffnet ein Abspritzven­ til die Kammer und das Fluid wird durch eine Einspritzdüse abgespritzt.

In der DE 40 20 303 A1 ist ein Tintentröpfchen-Aufzeich­ nungsgerät beschrieben, bei dem Tinte in Abhängigkeit von der Ausdehnung und Zusammenziehung einer thermisch erzeugten Dampfblase aus mindestens einer Düse ausgetragen wird. In we­ nigstens einer Düsenkammer zwischen einer flächenhaften Elek­ trode und wenigstens einem felderhöhenden Element wird ein elektrisches Feld erzeugt, das einen Energiefluß durch die Tinte bewirkt, diese aufheizt und dadurch eine Dampfblase er­ zeugt. Sämtliche Strukturen sind dabei vorzugsweise auf Halb­ leitersubstraten in Mikrostrukturtechnik ausgebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zumessen von elektrisch leitendem, flüssigem Reduktionsmittel anzugeben, mit deren Hilfe kleinste Mengen mit ho­ her Genauigkeit dosiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erzeugung des Einspritzdruckes direkt im Injektor mittels Dampfblasen, wobei Gehäuseteile des Injektors als Elektroden zur Zuführung einer Wechselspannung ausgebildet sind, ergibt sich eine sehr einfache und verlustarm arbeiten­ de Vorrichtung zum Zumessen von elektrisch leitfähiger Flüs­ sigkeit, insbesondere von wäßriger Harnstofflösung bei der Abgasnachbehandlung von Diesel-Brennkraftmaschinen.

Herkömmliche Komponenten eines Dosiersystems wie Hochdruck­ pumpe und Druckregler können somit entfallen. Da die Drucker­ zeugung ohne bewegliche Teile erfolgt, kann trotz reduzierter Kosten die Zuverlässigkeit des Systems wesentlich erhöht wer­ den.

Für die Druckerzeugung wird die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit genutzt. Durch Anlegen einer elektrischen Wech­ selspannung an Elektroden wird eine Dampfblase gebildet, wel­ che den notwendigen Druck erzeugt und die Flüssigkeit aus der Düse preßt.

Um Dampfblasen mit einer Größe von 7 mm³ zu bilden wird die Flüssigkeit direkt durch Anlegen von elektrischer Spannung aufgeheizt. Die Dampfblase bildet sich an der Stelle der höchsten Stromdichte und breitet sich dann den Pfaden der höchsten Stromdichte folgend aus. Durch eine geeignete Ge­ staltung der Elektroden kann sichergestellt werden, daß Dampfblasen in der erforderlichen Größe gebildet werden, ohne daß Dampf zur Düsenöffnung gelangt und daß diese auch wieder ausreichend schnell kondensieren. Die Bildungsgeschwindigkeit wird durch die zugeführte elektrische Leistung vorgegeben. Die Geschwindigkeit der Kondensation wird durch die Gestal­ tung des Elektrodenbereichs und die Temperatur der umgebenden Flüssigkeit und Wandungen bestimmt. Um den Druckaufbau und den Spritzvorgang effizient (bezogen auf den elektrischen Energieaufwand) zu gestalten, muß der Ansteuerimpuls kurz sein bezogen auf die Kondensationszeit. Durch geeignete Kon­ struktion des Injektors wird sichergestellt, daß keine we­ sentliche Eigenerwärmung auftritt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die zugeführte elektri­ sche Energie direkt in der Flüssigkeit in Wärme umgesetzt wird, d. h. es geht keine Energie zum Aufheizen des Heizele­ mentes selbst verloren und sowohl das Aufheizen als auch das Abkühlen beginnt unmittelbar mit Ein- bzw. Abschalten der elektrischen Spannung an den Elektroden. Die Wärmekapazität eines Heizelementes würde grundsätzlich die beschriebenen Ab­ läufe verzögern.

Zur Bildung einer Dampfblase wird die wässerige Lösung bis zur Siedetemperatur der Harnstofflösung erhitzt. Die Siede­ temperatur hängt wesentlich vom Druck im Injektor und gering­ fügig von der lokalen Harnstoffkonzentration ab. Bis zu einem Druck von 10 bar bleibt die Siedetemperatur deutlich unter 200°C, also unter der Thermolyse-Temperatur von Harnstoff von über 250°C.

Damit beim Anlegen von Spannung bei längeren Impulsen oder hoher Pulsfrequenz keine Elektrolyseprozesse ablaufen, muß Wechselspannung angelegt werden. So ist sichergestellt, daß die zugeführte elektrische Energie vollständig in Wärme umge­ setzt wird. Durch Elektrolyse würden sich der Elektrolyt und je nach Werkstoff auch die Elektroden chemisch verändern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert. Die in Schnittdarstellung gezeigte Vorrichtung und das beschriebene Verfahren dient zum Dosieren von Harnstoff in das Abgassystem einer Brennkraftmaschine.

Die Vorrichtung zum Zumessen und Zerstäuben, im folgenden vereinfacht als Injektor 1 bezeichnet, weist ein zweiteiliges Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil 2 und einem zweiten Ge­ häuseteil 3 aus jeweils einem harnstoffesten Material, z. B. Edelstahl auf. Die beiden Gehäuseteile 2, 3 sind über zwei elektrisch nichtleitende Kunststofformteile 11, 111 mit­ einander verbunden. Am ersten Gehäuseteil 2 ist ein Anschluß­ flansch 4 für den Vorlauf 5, am zweiten Gehäuseteil 3 ist ein Anschlußflansch 6 für den Rücklauf 7 der Harnstofflösung vor­ gesehen. Vor- und Rücklauf sind jeweils mit einem nicht dar­ gestellten Vorratsbehälter für die Harnstofflösung verbunden, wobei zur Förderung des Harnstoffes eine Niederdruckpumpe ausreicht. Diese Anordnung dient erstens zur zuverlässigen Entlüftung und zweitens zur Kühlung des Injektors.

In dem ersten Gehäuseteil 2 ist ferner eine im wesentlichen zylindrische Kammer 8 ausgebildet, in der sich ein Rück­ schlagventil 9 befindet, welches durch den Vorförderdruck der Niederdruckpumpe entgegen der Federkraft einer Feder 10 ge­ öffnet und durch den Druckaufbau im Injektor geschlossen wird. Ein Ende der Feder 10 stützt sich an einem Bund 12 am Kunststofformteil 11 ab, während das andere Ende eine Kugel 13 im Ruhezustand gegen einen, am Übergang von der Kammer 8 zum Anschlußflansch 4 ausgebildeten Ventilsitz 14 drückt.

In dem zweiten Gehäuseteil 3 ist eine Kammer 15 in Form eines Kegelstumpfes ausgeformt, wobei der Abstand der Innenwände ausgehend von dem Kunststofformteil 111 sich in Richtung des Vorlaufes der Harnstofflösung verjüngt. Die Spitze der Kammer 15 mündet in einen weiteren Hohlraum 16, in dem ein Kolben 17 mit einer Ventilnadel 18 angeordnet ist. Die Ventilnadel 18 ist in dem Hohlraum 16 derart angeordnet, daß ihre Längsachse in etwa senkrecht zur Mittelachse der kegelstumpfförmigen Kammer 15 liegt. Der Kolben 17 der Ventilnadel 18 weist an seinem freien Ende einen kegelstumpfförmigen Ansatz 19 auf, der zusammen mit entsprechend konisch geformten Wandungen des zweiten Gehäuseteils 3 einen Ventilsitz bildet, mit dem der Rücklauf entweder freigegeben oder verschlossen wird. Eine Feder 20, die einerseits an einem am Kolben 17 angeformten Bund 21 und anderseits an der dem Hohlraum 16 zugewandten Seite des Anschlußflansches 6 für den Rücklauf anliegt, hält im Ruhezustand der Vorrichtung den Rücklauf offen.

Zwischen der Außenwand des Kolbens 17 und der Innenwand der zugehörigen Flächen des Hohlraumes 16 ist ein Spalt 29 vorge­ sehen, der zur Drosselung dient. Alternativ hierzu kann auch der Kolben 17 ohne einen Spalt 29 und damit spiel frei längs­ verschieblich bewegbar sein, wenn der Kolben dafür mit Boh­ rungen versehen ist, durch den etwas Flüssigkeit zum Zwecke der Drosselung fließen kann.

Der Hohlraum 16 verjüngt sich in Richtung des freien Endes der Ventilnadel 18 und bildet ein Ventil 22 zum Ausstoßen des Harnstoffes. Am Ventil 22 ist eine Düsenplatte 23 fest ver­ bunden, an der entweder eine einzelne oder mehrere feine Dü­ senbohrungen 24 vorgesehen sind.

In der Kammer 15 ist ein Gehäuseteil in Form eines inneren Ko­ nus 25 angeordnet, dessen Grundfläche fest mit dem Kunststoff­ formteil 111 verbunden ist und der somit mit seinem freien Ende in die sich verjüngende Kammer 15 ragt. Der Konus 25 ist elektrisch mittels der Kunststofformteile 11, 111 von den Ge­ häuseteilen 2, 3 des Injektors isoliert. Die Kunststofform­ teile können bei geeigneter Formgebung gleichzeitig zur Ab­ dichtung des Injektors nach außen diesen.

Der innere Konus 25 und das zweite Gehäuseteil 3 bildet je­ weils eine Elektrode zur Dampfblasenbildung. Hierzu sind der Konus 25 und das zweite Gehäuseteil 3 über Anschlußleitungen 27 mit einer Wechselspannungsquelle 28 verbunden.

Da die Seitenwände des Konus 25 geringer geneigt sind als die Innenseiten der Kammer 15, ist an der Spitze des Konus 25 der kleinste Abstand zwischen diesen Elektroden, d. h. hier be­ ginnt bei Anlegen eines Spannungspulses die Dampfblasenbil­ dung aufgrund der höchsten Stromdichte und breitet sich dann in Richtung größere Konusdurchmesser aus. Dabei wird die Dampfblase durch die Öffnung 26 der Kammer 15 gedrückt und verdrängt Harnstofflösung aus dem Hohlraum 16. Dadurch baut sich ein Druck auf, welcher die Ventilnadel 18 anhebt und den Rücklauf 7 verschließt. Gleichzeitig wird das Ventil 22 geöffnet und Harnstofflösung wird durch die Düsenbohrung 24 gepreßt. Nach Beendigung des Spannungspulses kondensiert der gebildete Dampf und der Druck im Injektor bricht zusammen. Dadurch wird das Ventil 22 geschlossen und über das Rück­ schlagventil 9 fließt Harnstofflösung in den Injektor. Die dosierte Menge Harnstofflösung wird durch die Energie des An­ steuerpulses bestimmt. Durch den Durchfluß von Harnstofflö­ sung wird erreicht, daß die Temperatur im Injektor auch bei hohen Pulsfolgen nicht kontinuierlich ansteigt. Für das schnelle Kondensieren der Dampfblase muß sichergestellt wer­ den, daß über die Elektrodenoberfläche genügend Wärmeabfuhr erfolgen kann. Dies bedeutet auch, daß während des Ein­ spritzimpulses Energie durch Abkühlung an den Elektroden ver­ loren geht. Für einen guten Wirkungsgrad des Injektors sollte deshalb der Ansteuerpuls kurz gegenüber der Zeit für das Kon­ densieren der Dampfblase sein. Das kann durch entsprechende Dimensionierung des Injektors und des Ansteuerimpulses er­ reicht werden.

Wird ein Ansteuerimpuls von der Länge einer Millisekunde vor­ gegeben, wird eine mittlere Pulsleistung von 130 W benötigt, um in einer Millisekunde die oben erwähnten 7 mm³ an Harn­ stofflösung einzuspritzen. Der elektrische Widerstand zwi­ schen den Elektroden (Konus 25 und Gehäuseteil 3) liegt bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung in der Größenordnung von et­ wa 20 Ω. Für die benötigte Leistung von 130 W ergibt sich für die Wechselspannungsquelle 28 dadurch eine Effektivspan­ nung von ca. 50 V. Der Impuls besteht aus mindestens einer vollen Schwingung, d. h. aus einer positiven und negativen Halbwelle. Die Ansteuerfrequenz liegt also bei ca. 1 kHz oder einem ganzzahligen Vielfachen davon.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Spritzpausen auf ih­ re Funktionsfähigkeit überprüft werden. Werden die Elektroden nicht mit Impulsen zum Erhitzen der Flüssigkeit beaufschlagt, so kann in diesen Zeitspannen der elektrische Widerstand zwi­ schen den beiden Elektroden durch Anlegen einer Wechselspan­ nung gemessen werden. Ist die Kammer 15 mit leitender Flüs­ sigkeit gefüllt, so wird sich ein relativ geringer Widerstand zwischen den Elektroden, d. h. zwischen dem Konus 25 und dem Gehäuseteil 3 einstellen. Fehlt die Flüssigkeit in der Kammer 15, weil beispielsweise der Vorrat an Flüssigkeit zu Ende ist oder eine Unterbrechung der Zufuhrleitung vorliegt, so be­ findet sich Luft zwischen den beiden Elektroden und der ge­ messene Widerstand ist relativ hoch. Durch Vergleich mit ei­ nem vorgegebenen Schwellenwert läßt sich somit ein Defekt in der Versorgung mit der Flüssigkeit oder des Rückschlagventils (klemmt geschlossen) feststellen.

Die Erfindung wurde an einem Beispiel erläutert, bei dem als Flüssigkeit Harnstoff in wäßriger Lösung dem Abgassystem ei­ ner Brennkraftmaschine zugemessen wird. Die Vorrichtung ist aber auch zum Dosieren anderer, elektrisch leitfähiger Flüs­ sigkeiten geeignet, beispielsweise Ammoniak in wäßriger Lö­ sung. Je nach Art und Zusammensetzung der Flüssigkeit müssen lediglich die elektrischen Parameter für die Ansteuerung der der Elektroden angepaßt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ausstoßen und Zumessen von elektrisch leit­ fähigem, flüssigem Reduktionsmittel zur Abgasnachbehandlung bei einer Brennkraftmaschine,

• - wobei das Reduktionsmittel durch kurzzeitige Zufuhr von elektrischer Energie des zur Dampfblasenbildung erhitzt wird und
• - die Dampfblase eine bestimmte Reduktionsmittelmenge in ei­ nem mit dem Reduktionsmittel gefülltem Raum verdrängt, wo­ durch Reduktionsmittel aus einer diesem Raum zugeordneten Düsenöffnung ausgestoßen wird,
• - die elektrische Energie zur Dampfblasenbildung in dem Re­ duktionsmittel unmittelbar mit Hilfe von das Reduktionsmit­ tel zumindest teilweise umgebenden Elektroden (25, 3) zuge­ führt wird, wobei
• - der mit Reduktionsmittel gefüllte Raum in eine Kammer (15) und eine in Fließverbindung mit dieser Kammer (15) stehen­ dem Hohlraum (16) aufgeteilt ist und die Dampfblase in der Kammer (15) erzeugt wird und der Ausstoß des Reduktionsmit­ tels über den Hohlraum (16) und die Düsenöffnung (24) er­ folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als eine der Elektroden ein Teil des die Kammer (15) umgebenden Gehäuses (3) und als eine andere Elektrode ein in die Kammer (15) frei ragendes Gehäuseteil (25) verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zur Dampfblasenbildung benötigte elektri­ sche Energie von einer Wechselspannungsquelle (28) gelie­ fert wird, deren Leistungsabgabe über die Amplitude und Frequenz dem zuzumessenden Reduktionsmittel angepaßt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Zeit spannen, in denen keine elektrische Leistung zur Dampf­ blasenbildung zugeführt wird, der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden (25, 3) gemessen, mit einem vorgege­ benen Schwellenwert verglichen wird und in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleiches auf Vorhandensein oder Nicht­ vorhandensein von Reduktionsmittel geschlossen wird.

5. Vorrichtung zum Ausstoßen und Zumessen von elektrisch leitfähigem, flüssigem Reduktionsmittel zur Abgasnachbe­ handlung bei einer Brennkraftmaschine

• - mit einer elektrischen Einrichtung, mittels derer das Re­ duktionsmittel durch kurzzeitige Zufuhr von elektrischer Energie bis zur Dampfblasenbildung erhitzt wird und
• - die Dampfblase eine bestimmte Reduktionsmittelmenge in ei­ nem mit dem Reduktionsmittel gefülltem Raum verdrängt, wo­ durch Reduktionsmittel aus einer diesem Raum zugeordneten Düsenöffnung ausgestoßen wird,
• - die elektrische Einrichtung aus einer Spannungsquelle und Elektroden besteht, wobei die Elektroden zumindest teilwei­ se unmittelbar mit dem zuzumessenden Reduktionsmittel in Verbindung stehen und die zur Dampfblasenbildung in dem Re­ duktionsmittel benötigte elektrische Energie unmittelbar an diese abgeben, wobei
• - eine der Elektroden (25, 3) als Teil eines den Hohlraum (16) begrenzerden Gehäuses (3) ausgebildet ist und eine andere Elektrode als ein in eine mit dem Hohlraum (16) in Fließ­ verbindung stehende Kammer (15) frei ragender Gehäuseteil (25) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäuseteile (25, 3) mittels Kunststofformteile (11, 111) gegeneinander isoliert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die eine Elektrode (25) beinhaltende Kammer (15) eine weitere Kammer (8) vorgelagert ist, in der ein Vorlauf (5) an Reduktionsmittel angeschlossen ist und die ein Rück­ schlagventil (9) enthält, welches den Vorlauf bei der Dampfblasenbildung verschließt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (16) einen Rücklauf (7) für das Reduktionsmit­ tel aufweist und eine bewegliche Ventilnadel (18) in dem Hohlraum (16) derart angeordnet ist, daß bei Auftreten ei­ ner-Dampfblase die Ventilnadel (18) eine Düsenöffnung (24) freigibt und den Rücklauf (7) für das Reduktionsmittel schließt.