CH716216A1 - System zum Einspritzen einer Flüssigkeit in eine Leitung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Einspritzen einer Flüssigkeit in eine Leitung, vorzugsweise zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, wobei das System eine Gaspumpe (11), eine Flüssigkeitspumpe (21), einen Injektor (50), eine von der Flüssigkeitspumpe zum Injektor führende Flüssigkeitsleitung (40) und eine von der Gaspumpe zum Injektor führende Gasleitung (10) aufweist, wobei in der Flüssigkeitsleitung oder innerhalb des Injektors ein steuerbares Sperrventil (25) angeordnet ist, um einen Flüssigkeitsstrom zum Injektor oder durch den Injektor hindurch im Takt freigeben und blockieren zu können, und/oder wobei der Injektor eine zentrale Flüssigkeitsaustrittsöffnung zur Abgabe eines Flüssigkeitsstrahls in die Leitung aufweist, die von einem durch eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen gebildeten Ring umgeben ist, wobei die eine oder die mehreren Gasaustrittsöffnungen ausgebildet sind, einen kegelförmig zur Achse des Flüssigkeitsstrahls hin zulaufenden Gasvorhang auszubilden.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein System zum funktionsgerechten Einspritzen einer Flüssigkeit in eine Leitung, vorzugsweise zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine.

[0002] Beim Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine besteht die technische Herausforderung in der Konditionierung der Flüssigkeit bzw. des Reduktionsmittels unter der Zielsetzung, dass dieses in der Leitung in möglichst geringer Tröpfchengrösse vorliegt und über eine möglichst kurze Laufstrecke über dem Strömungsquerschnitt homogen verteilt ist sowie das Ablagern von Tröpfchen idealerweise vollständig vermieden wird.

[0003] Zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Brennkraftmaschinen ist die Technik der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bekannt geworden, wobei eine flüssige Harnstofflösung als Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingespritzt wird. Diese Technologie ist bereits seit vielen Jahren weitverbreitet in Strassenfahrzeugen, insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen und auch im Non-Road Bereich z. B. bei Mobilen Arbeitsmaschinen im Einsatz.

[0004] Brennkraftmaschinen für nicht für den Strassenverkehr bestimmte Mobile Arbeitsmaschinen und Geräte, die seit dem 01.01.2019 produziert werden, müssen die Verordnung (EU) 2016/1628 des Europäischen Parlaments und des Rates in ihrem Geltungsbereich erfüllen. Das hat die Konsequenz, dass nunmehr auch für Off Road Dieselmotoren, deren mechanische Abgabeleistung grösser 560 kW ist, bestimmte Abgas¬grenz¬werte eingehalten werden müssen; u.a. für Stickoxide, besser als NOx bekannt. Deshalb besteht nunmehr ein Bedarf an Vorrichtungen mit denen höhere Reduktionsmittel-Mengen funktionsgerecht in die Abgasnachbehandlung zugeführt werden können. Mit gängigen Einspritzsystemen können die deutlich größeren Reduktionsmittel-Einspritzmengen von beispielsweise rund 30 kg Harnstofflösung pro Stunde, die für die nunmehr auch der Abgasgesetzgebung unterliegenden besonders großen - genauer ausgedrückt die besonders leistungsstarken Dieselmotoren vielfach benötigt werden, nicht bereitgestellt werden. Denn eine Skallierung der bestehenden Systeme führt zu keiner funktionsgerechten Reduktionsmittel-Einspritzung. Daher werden für die Abgasnachbehandlung eines entsprechend leistungsstarken Dieselmotors derzeit mehrere Einspritzsysteme mit separaten Reduktionsmittel-Injektoren im Parallelbetrieb eingesetzt. Dies ist aber nicht nur aus Kostengründen nachteilig, sondern führt auch zu nicht optimalen Platzierungen von Einspritzstellen zumindest für einen Injektor, erhöhtem Wartungsaufwand und einer erhöhten Fehleranfälligkeit.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein robustes gattungsgemäßes System bereitzustellen, welches geeignet ist, um die für die Abgasnachbehandlung von entsprechend hohen Reduktionsmittelmengen, wie das für heutige entsprechend leistungsstarke Dieselmotoren der Fall ist, funktionsgerecht einspritzen zu können.

[0006] Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein System zum funktionsgerechten Einspritzen einer Flüssigkeit in eine Leitung, vorzugsweise zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, wobei das System eine Gaspumpe, eine Flüssigkeitspumpe, einen Injektor, eine von der Flüssigkeitspumpe zum Injektor führende Flüssigkeitsleitung und eine von der Gaspumpe zum Injektor führende Gasleitung aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Flüssigkeitsleitung oder innerhalb des Injektors ein steuerbares Sperrventil angeordnet ist, um einen Flüssigkeitsstrom zum Injektor oder durch den Injektor hindurch im Takt freigeben und blockieren zu können, und/oder dass der Injektor eine zentrale Flüssigkeitsaustrittsöffnung zur Abgabe eines Flüssigkeitsstrahls in die Leitung aufweist, die von einem durch eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen gebildeten Ring umgeben ist, wobei die eine oder die mehreren Gasaustrittsöffnungen ausgebildet sind, einen kegelförmig zur Achse des Flüssigkeitsstrahls hin zulaufenden Gasvorhang auszubilden.

[0007] Der Gasvorhang ist vorzugsweise aus mehreren einzelnen Gasstrahlen gebildet, die aus einzelnen punktuellen Gasaustrittsöffnungen des Injektors austreten. Alternativ kann ein ringförmiger Austrittsschlitz vorgesehen sein. Es ist bevorzugt, dass alle Strahlen bzw. Segmente des Gasvorhangs an demselben Punkt an der Achse des Flüssigkeitsstrahls zusammenlaufen.

[0008] Das Sperrventil kann so ausgeführt sein, dass es beim Ausbleiben einer Ansteuerung geschlossen ist und nur durch eine Ansteuerung geöffnet wird bzw. geöffnet bleibt. Alternativ kann das Sperrventil so ausgeführt sein, dass es beim Ausbleiben einer Ansteuerung geöffnet ist und nur durch eine Ansteuerung geschlossen wird bzw. geschlossen bleibt. Bevorzugt kommt ein solches Sperrventil zum Einsatz, welches möglichst schnell zwischen den beiden Zuständen geöffnet und geschlossen ändert. In einer idealisierten Betrachtung, welche die Übergangszustände zwischen dem Schliessen und Öffnen des Sperrventils und die kurzzeitig vorliegenden transienten Reduktionsmittel-Volumenströme, welche durch das in Gang kommen und das Unterbrechen der Einspritzung entstehen, vernachlässigt, gleicht der Zeitverlauf des eingespritzten Reduktionsmittel-Volumenstroms einem sogenannten Pulsweiten Modulierten Signal, besser in seiner Abkürzung als PWM-Signal bekannt.

[0009] Wird beispielsweise die Hälfte der maximal möglichen Reduktionsmittel-Zuführung verlangt, ist - zur besseren Textverständlichkeit unter Vernachlässigung der Übergangszustände - zu 50 % eines Taktes das Sperrventil geöffnet und während der verbleibenden 50 % des Taktes ist das Sperrventil geschlossen. Pro Takt liegt ein Öffnungs- und ein Schliessvorgang des Sperrventils vor. Ausnahmen bestehen nur dann, wenn überhaupt kein Reduktionsmittel oder die maximale Reduktionsmittel-Zufuhr besteht. Solange der erstgenannte Fall vorliegt bleibt klarerweise das Sperrventil dauerhaft geschlossen; im zweiten Fall dauerhaft geöffnet.

[0010] Bei dem steuerbaren Sperrventil handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisch gesteuertes Hubankerventil, wobei vorzugsweise eine elektronische Steuerung oder Regelung zum Einsatz kommt. Eine solche Steuerung oder Regelung erfolgt unter Berücksichtigung bestimmter Betriebsgrössen z.B. der Abgastemperatur, dem Drehzahl-Drehmomenten-Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine etc. sowie weiterer Parameter, die beispielsweise als anwendungsspezifische Festgrössen vorliegen können.

[0011] In einer Ausführungsform weist das System eine Überdruckleitung auf, die zwischen der Flüssigkeitspumpe und dem Sperrventil von der Flüssigkeitsleitung abgezweigt ist, wobei in der Überdruckleitung ein Überdruckventil angeordnet ist, das ausgebildet ist, sich bei Erreichen eines Schwellendrucks in der Flüssigkeitsleitung zu öffnen und den Ablauf von Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsleitung durch die Überdruckleitung zu ermöglichen. Das System kann ein Flüssigkeitsreservoir aufweisen, das saugseitig mit der Flüssigkeitspumpe in Verbindung steht und in das die Überdruckleitung vorzugsweise führt.

[0012] Die Flüssigkeitspumpe und die Gaspumpe können von einem gemeinsamen Motor angetrieben werden. Die beiden Pumpen können beispielsweise an derselben Welle angeordnet sein. Bei dem Motor handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, beispielsweise um einen bürstenlosen Gleichstrommotor.

[0013] Der Einfallwinkel des kegelförmig zulaufenden Gasvorhangs kann zwischen 25-60°, vorzugsweise zwischen 30-50° und weiter vorzugsweise zwischen 35-45° betragen. Bei dem von der einen oder den mehreren Gasaustrittsöffnungen gebildeten Ring handelt es sich vorzugsweise um einen Kreisring. Der Einfallwinkel ist vorzugsweise an allen Winkelpositionen des Kreisrings identisch.

[0014] In einer Ausführungsform sind die Flüssigkeitsaustrittsöffnungen und die Gasaustrittsöffnungen einerseits und die Flüssigkeitspumpe und die Gaspumpe andererseits so relativ zueinander ausgelegt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubergases durch die Gastaustrittsöffnung oder die Gasaustrittsöffnungen größer als die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnung ist. Das Verhältnis beträgt 10:1 bis 25:1, weiter vorzugsweise 15:1 bis 22:1 und insbesondere 17:1 bis 20:1. Die Pumpen und ihre Antriebsmotoren sind dabei vorzugsweise auf ihren jeweiligen stationären Arbeitspunkt optimiert Besonders bevorzugt sind die beiden Pumpen derart aufeinander abgestimmt, dass sie gemeinsam durch denselben Motor angetrieben werden können. Wird Letzteres umgesetzt, ist der gemeinsam genutzte Motor auf seinen stationären Arbeitspunkt optimiert.

[0015] Beispielhafte Öffnungsdimensionen und Pumpenauslegungen und die schlussendlich fest gewählten Betriebspunkte der Pumpen können so sein, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnung zwischen 5-15 m/s, vorzugsweise 7-10 m/s und weiter vorzugsweise zwischen 8-9 m/s liegt und/oder dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch die Gastaustrittsöffnung oder die Gasaustrittsöffnungen zwischen 100-200 m/s, vorzugsweise 150-200 m/s und weiter vorzugsweise zwischen 160-180 m/s liegt. Die Werte beziehen sich jeweils auf den Mittelwert der Geschwindigkeitsverteilung.

[0016] Der Injektor kann wenigstens sechs und vorzugsweise wenigstens acht Gasaustrittsöffnungen aufweisen. Die Gasaustrittsöffnungen können in gleichem Abstand auf dem durch sie gebildeten Ring verteilt sein. Der Konvergenzpunkt des kegelförmig zulaufenden Gasvorhangs kann sich in einem Abstand von 0,5-10 mm, vorzugsweise 1-5 mm und weiter vorzugsweise 1,5-2,5 mm von der Flüssigkeitsaustrittsöffnung befinden.

[0017] Die beschriebenen Auslegungsparameter haben sich in Versuchen für eine wirkungsvolle Zerstäubung bei den genannten vergleichsweise grossen einzuspritzenden Flüssigkeitsmengen als optimal erwiesen. Im Kontext des erfindungsgemässen Systems sollte eine optimale Zerstäubung folgende Kriterien erfüllen. (1) Die eingebrachte Flüssigkeit darf nur in kleinen Tröpfchen vorliegen. Die Maximalgrösse dieser Tröpfchen sollte ca. 30 µm (SMD) nicht überschreiten. (2) Die eingebrachte Flüssigkeit muss nach einer kurzen Laufstrecke ein möglichst homogene Verteilung über dem Strömungsquerschnitt aufweisen. (3) Die Realität muss möglichst genau mit der Idealisierung übereinstimmen, dass sich nicht einmal kleinste Mengen der eingebrachten Flüssigkeit absetzen und Ablagerungen bilden dürfen.

[0018] In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Bohrtiefen der Gasaustrittsöffnungen im Bereich von zwischen 0,5-5 mm, vorzugsweise im Bereich von zwischen 0,5-3 mm und weiter vorzugsweise im Bereich von zwischen 1-2,5 mm liegen. Dies stellt insbesondere bei der beschriebenen Auslegung einen guten Kompromiss zwischen möglichst geringem Druckverlust einerseits und möglichst guter Strahlbildung andererseits dar.

[0019] Vor dem eingangs genannten Hintergrund betrifft die Erfindung ferner eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Brennkraftmaschine und einer von der Brennkraftmaschine abführenden Abgasleitung, wobei an der Abgasleitung ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem angeordnet ist, um ein flüssiges Reduktionsmittel, vorzugsweise eine Harnstofflösung aus einem entsprechend gefüllten Tank funktionsgereicht in die Abgasleitung einzuspritzen. Bei der Brennkraftmaschinen kann es sich um einen Dieselmotor mit einem Hubraum von beispielsweise größer 15, größer 20 oder gar größer 25 Litern handeln.

[0020] Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems oder einer erfindungsgemäßen Mobilen Arbeitsmaschine, wobei das System bei konstantem Betrieb beider Pumpen durch eine getaktete Ansteuerung des Sperrventils so betrieben wird, dass Flüssigkeit gepulst durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnung abgegeben wird.

[0021] Die Taktung ist vorzugsweise gleichbleibend. Die Taktungsfrequenz kann in einer Ausführungsform zwischen 0,5-5 Hz, vorzugsweise zwischen 2-4 Hz und weiter vorzugsweise zwischen 2,5-3,5 Hz liegen.

[0022] Bei der eingespritzten Flüssigkeit handelt es sich vorzugswiese um ein flüssiges Reduktionsmittel, beispielsweise eine Harnstofflösung. Bei dem Zerstäubergas handelt es sich vorzugswiese um Luft.

[0023] Der Betrieb der Pumpen und die Gestaltung der Verbindungen und Austrittsöffnungen werden vorzugsweise so miteinander abgestimmt, dass während einer Einspritzphase die oben im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Systems genannten Strömungsgeschwindigkeiten bzw. - geschwindigkeitsverhältnisse von Gas und Flüssigkeit erreicht werden.

[0024] Geeignete Absolutdrücke der Flüssigkeit vor dem Austritt aus dem Injektor können bei zwischen 1,2-3 bar, vorzugsweise zwischen 1,3-2 bar und weiter vorzugsweise zwischen 1,4-1,6 bar liegen. Die Förderrate der Flüssigkeit während einer Einspritzphase kann größer 20 kg/h sein, vorzugsweise größer 25 kg/h und weiter vorzugsweise etwa 30 kg/h oder mehr betragen. Förderraten für das Zerstäubergas können, insbesondere bei Zugrundelegung einer Flüssigkeitsförderrate von etwa 30 kg/h, bei 1-6 kg/h, vorzugsweise bei 2-5 kg/h und weiter vorzugsweise bei 2,5-4 kg/h liegen. Die resultierende durchschnittliche Tröpfchengröße sollte maximal 30 µm (SMD) betragen.

[0025] Wie erwähnt, besteht der grundlegend neue Ansatz des erfindungsgemässen Systems darin, dass - abgesehen von den Übergangszuständen, d.h. dem Einsetzen einer Einspritzung und dem Abbrechen einer Einspritzung - der Injektor immer in einem einzigen Betriebspunkt betrieben wird. Selbstverständlich wird bevorzugt ein auf diesen Betriebspunkt optimierter Injektor benutzt. Während der Übergangszustände liegt zwar eine jeweils transiente Phase einer Reduktionsmittel-Einspritzung vor. Allerdings sind diese transienten Vorgänge beim jeweiligen Öffnen des Sperrventils reproduzierbar. Das gleiche trifft beim Schliessen des Sperrventils zu. Wie zuvor ausführlich dargelegt wird die Anpassung auf den jeweils momentanen Reduktionsmittelbedarf über eine diskontinuierliche, gepulste Reduktionsmittel-Zuführung erreicht.

[0026] Bei den vorbekannten Systemen liegt hingegen eine Einspritzmenge vor, die kontinuierlich an die Anforderung angepasst wird. Folglich muss über die gesamte Bandbreite beginnend von kleinsten Einspritzmengen bis hin zu der Maximalmenge stets eine ausreichend gute Gemischbildung erzielt werden. Und genau dieser Nachteil wird durch das erfindungsgemässe System und das erfindungsgemässe Verfahren vermeiden.

[0027] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen: <tb><SEP>Figur 1: eine schematische Darstellung des Prinzips der selektiven katalytischen Reduktion; <tb><SEP>Figur 2: ein Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems; <tb><SEP>Figur 3: eine Schnittansicht durch den Injektor einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems; und <tb><SEP>Figur 4: eine schematische Darstellung der Flüssigkeitszerstäubung, welche durch das Einspritzen über einen wie in Figur 3 gezeigten Injektor eintritt.

[0028] In Figur 1 ist eine schematische Darstellung des Prinzips der selektiven katalytischen Reduktion gezeigt.

[0029] Von der Brennkraftmaschine 100 erstreckt sich eine Abgasleitung 101 hin zu einem Katalysator 102. Hierbei gelangen die Abgase der Brennkraftmaschine 100 mittels der Abgasleitung 101 in Richtung des Katalysators 102. Damit der Katalysator 102 die in dem Abgas enthaltenen Stickoxide wirkungsvoll reduzieren kann, wird dem Abgas ein Additiv in Form von fein zerstäubtem Reduktionsmittel 103 zugegeben. Hierzu befindet sich an der Abgasleitung 101 ein Einspritzsystem E, welches einen Injektor 50 umfasst, über den in die Abgasleitung 101 zwischen der Brennkraftmaschine 100 und dem Katalysator 102 in die Abgasleitung 101 ein Reduktionsmittelzugeführt werden kann. Der Injektor 50 ist anhand einer Reduktionsmittelzuführleitung 20 mit einem Tank 22 und anhand einer Zerstäuberluftleitung 10 mit einem luftansaugenden Kompressor 11 verbunden. Anhand der Einrichtung E kann Reduktionsmittel fein zerstäubt und in den Abgasstrom der Abgasleitung 101 eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 103 wird mit dem Abgasstrom durchmischt, sodass im Katalysator 102 die im Abgas befindlichen Stickoxide effektiv reduziert werden können.

[0030] Figur 2 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems E. Das System weist eine an einer Zerstäuberluftleitung 10 angeordnete Luftpumpe 11 (einen Kompressor) und eine an einer Reduktionsmittelleitung 20 angeordnete Reduktionsmittelpumpe 21 auf, die anhand eines gemeinsamen Motors 30 über die gemeinsame Achse 31 betrieben werden. Bei dem Motor 30 handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstrommotor.

[0031] Die Leitungen 10 und 20 führen von einer mit einem Luftfilter 13 versehenen Luftansaugöffnung 12 bzw. einem Reduktionstank 22 zu einem Injektor 50, die in weiterer Folge noch näher beschrieben werden wird. Der Injektor 50 mündet in die Abgasleitung 101 einer Brennkraftmaschine.

[0032] In Bezug auf das Schaltbild ist in der Reduktionsmittelleitung 20 zwischen der Reduktionsmittelpumpe 21 und dem Injektor 50 ein als steuerbares Sperrventil 25 in Form eines Hubankerventils angeordnet. In einer realen Umsetzung befindet sich das Sperrventil in Bezug auf die Strömungspfadlänge deutlich näher an der Reduktionsmittel-Austrittsöffnung 52. Je nach Systemausführung kann sich das Sperrventil 25 im Injektor 50 befinden. Ein gewisser Abstand oder andere Massnahmen sind jedoch erforderlich, damit das Sperrventil 25 durch das heisse Abgas nicht überhitzt wird. Zwischen Reduktionsmittelpumpe 21 und Sperrventil 25 befinden sich an der Reduktionsmittelleitung 20 ferner ein Druckspeicher 26 für Reduktionsmittel und ein Drucksensor 27, was aber lediglich optional und nicht notwendig ist. Der allgemeinen Konvention eines Schaltbilds entsprechend bildet die gezeigte Anordnung, die Verzweigung des Druckspeichers 26, die Verzweigung des Drucksensors 27 und das Sperrventil in Bezug die Zuführungsrichtung des Reduktionsmittels von der Reduktionsmittelpumpe 21 zum Injektor 50 lediglich die Reihenfolge ab.

[0033] Zwischen Reduktionsmittelpumpe 21 und Sperrventil 25 zweigt von der Reduktionsmittelleitung 20 eine Überdruckleitung 40 ab, die in das Reduktionsmittelreservoir 22 bzw. in den Ansaugbereich der Reduktionsmittelpumpe 21 mündet. In der Überdruckleitung 40 ist ein Überdruckventil 41 angeordnet, das ausgebildet ist, die Überdruckleitung 40 freizugeben, sobald im Leitungspfad zwischen Reduktionsmittelpumpe 21, Sperrventil 25 und Überdruckventil 41 das Reduktionsmittel ein Druckniveau erreicht, welches einen Schwellenwert übersteigt. Dies ist typischerweise der Fall, wenn im Betrieb das Sperrventil 25 für einen bestimmten Zeitraum geschlossen bleibt und die Reduktionsmittelpumpe 21 bestimmungsgemäß weiter betrieben wird. Ein deratiges Verhalten liegt wunschgemäss vor, wenn die SCR-Einrichtung E lediglich eine geringe Reduktionsmittel-Zuführungsrate benötigt. In einer solchen Situation befindet sich das Sperrventil 25 während eines Taktes über einen weitaus längeren Zeitraum im Sperrbetrieb und nur während eines sehr kurzen Zeitraums im geöffneten Zustand, wohingegen die Reduktionsmittelpumpe 21 bei gleicher Förderrate, wie im Fall des maximalen Reduktionsmittel-Bedarfs arbeitet.

[0034] In der Zerstäuberluftleitung 10 ist ein Speicher 16 für Druckluft vorgesehen, was ebenfalls lediglich optional ist und nicht notwendig wäre.

[0035] Figur 3 zeigt Schnittansichten durch den Injektor 50 des in Figur 2 gezeigten Systems, einmal als Übersichtsdarstellung (links) und einmal vergrößert (rechts).

[0036] Der Injektor 50 weist zum einen eine zentrale Austrittsöffnung 52 zur Abgabe eines Reduktionsmittelstrahls auf, die mit der Reduktionsmittelleitung 20 in Verbindung steht. Ferner weist der Injektor 50 einen um die Reduktionsmittelleitung 20 bzw. die Reduktionsmittelaustrittsöffnung 52 herum angeordneten Ringraum 53 auf, der mit der Zerstäuberluftleitung 10 in Verbindung steht und an einer kegelmantelförmigen Blende 54 mit einer Reihe an kreisförmig um die Reduktionsmittelaustrittsöffnung 52 herum verteilten Luftaustrittsöffnungen 51 endet. Die Blende 54 ist derart geformt, dass die Achsen der Luftaustrittsöffnungen 51 in einem bestimmten Einfallwinkel α zur Achse der Reduktionsmittelaustrittsöffnung 52 stehen, wie in der nachstehenden Diskussion der Figur 4 näher erläutert werden wird.

[0037] Figur 4 zeigt letztlich eine schematische Darstellung der Flüssigkeitszerstäubung durch einen wie in der Figur 3 gezeigten Injektor 50. Bei dem runden Sichtfenster handelt es sich nicht um eine Querschnittsdarstellung durch die Abgasleitung 101, sondern die Darstellung ist ein Längsschnitt bezogen auf die Austrittsrichtung des Reduktionsmittels aus dem Injektor 50, also letztlich eine Ansicht von derselben Perspektive wie in Figur 3.

[0038] In dieser Darstellung ist gut erkennbar, wie die aus den Luftaustrittsöffnungen austretenden Druckluftstrahle 151 mit dem Einfallswinkel α von beispielsweise 40° kegelförmig auf den aus der Reduktionsmittelaustrittsöffnung 51 austretenden Reduktionsmittelstrahl 152 zulaufen und an einem Zerstäubungspunkt Z auf diesen auftreffen. Der Reduktionsmittelstrahl 152 wird so in kleine Tröpfchen, die eine Maximalgrösse von 30 µm (SMD) aufweisen, zerstäubt und das fein zerstäubte Reduktionsmittel 103 verteilt sich homogen über dem Strömungsquerschnitt nach einer kurzen Laufstrecke der Abgasleitung 101. Darüber hinaus wird das Anlagern von Reduktionsmittel im Abgaspfad, d.h. in der Abgasleitung 101 sowie den Bestandteilen des Abgasnachbehandlungssystems weitestgehend vermieden. Der Abstand L zwischen dem Zerstäubungspunkt Z, entsprechend dem Konvergenzpunkt der kegelförmig zulaufenden Reduktionsmittelstrahlen 152 und der Reduktionsmittelaustrittsöffnung 52 kann beispielsweise 2 mm betragen.

[0039] Anhand des erfindungsgemäßen Systems kann bei großen Systemen in robuster Weise eine ausreichende Menge an Harnstofflösung funktionsgereicht in die Abgasleitung eingespritzt werden. Aufgrund der guten Gemischbildung samt dem kleinen Tröpfchendurchmesser darf und kann das System auch bereits bei niedrigen Abgastemperaturen von beispielsweise etwa 160°C eingesetzt werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Reduktionsmittel-Einspritzung bei zu niedrigen Temperaturen zu Ablagerungen, sogenannten Deposits, des Reduktionsmittels frührt, was unbedingt vermieden werden muss. Auf einen teuren Sensor zur Messung des Reduktionsmitteldrucks kann verzichtet werden. Wie dem Fachmann bekannt, ist hierfür ein geeigneter Sensor besonders teuer, weil dieser so ausgeführt sein muss, dass der Sensor durch das Einfrieren des Reduktionsmittels nicht zerstört wird, denn als Reduktionsmittel dient typischerweise eine wässrige Harnstofflösung, die bereits bei -11° C gefriert. Die Auslegung der Pumpen und vor allem die Beschaffenheit des Injektors kann auf einen Stationärwert optimiert werden und das System kann sehr schnell auf Sollwertänderungen in der Reduktionsmitteldosierung reagieren.

Claims (13)

1. System zum Einspritzen einer Flüssigkeit in eine Leitung, vorzugsweise zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, wobei das System eine Gaspumpe, eine Flüssigkeitspumpe, einen Injektor, eine von der Flüssigkeitspumpe zum Injektor führende Flüssigkeitsleitung und eine von der Gaspumpe zum Injektor führende Gasleitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeitsleitung oder innerhalb des Injektors ein steuerbares Sperrventil angeordnet ist, um einen Flüssigkeitsstrom zum Injektor oder durch den Injektor hindurch im Takt freigeben und blockieren zu können, und/oder dass der Injektor eine zentrale Flüssigkeitsaustrittsöffnung zur Abgabe eines Flüssigkeitsstrahls in die Leitung aufweist, die von einem durch eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen gebildeten Ring umgeben ist, wobei die eine oder die mehreren Gasaustrittsöffnungen ausgebildet sind, einen kegelförmig zur Achse des Flüssigkeitsstrahls hin zulaufenden Gasvorhang auszubilden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Überdruckleitung aufweist, die zwischen der Flüssigkeitspumpe und dem Sperrventil von der Flüssigkeitsleitung abgeht, wobei in der Überdruckleitung ein Überdruckventil angeordnet ist, das ausgebildet ist, sich bei Erreichen eines Schwellendrucks in der Flüssigkeitsleitung zu öffnen und den Ablauf von Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsleitung durch die Überdruckleitung zu ermöglichen.

3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitspumpe und die Gaspumpe von einem gemeinsamen Motor angetrieben werden.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallwinkel des kegelförmig zulaufenden Gasvorhangs zwischen 25-60°, vorzugsweise zwischen 30-50° und weiter vorzugsweise zwischen 35-45° beträgt.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsaustrittsöffnungen und die Gasaustrittsöffnungen einerseits und die Flüssigkeitspumpe und die Gaspumpe andererseits so relativ zueinander ausgelegt sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubergases durch die Gastaustrittsöffnung oder die Gasaustrittsöffnungen größer als die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnung ist, vorzugsweise 10 bis 25 mal so groß, weiter vorzugsweise 15 bis 22 mal so groß und insbesondere 17 bis 20 mal so groß.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor wenigstens sechs und vorzugsweise wenigstens acht Gasaustrittsöffnungen aufweist und/oder dass die Gasaustrittsöffnungen in gleichem Abstand auf dem durch sie gebildeten Ring verteilt sind.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Konvergenzpunkt des kegelförmig zulaufenden Gasvorhangs in einem Abstand von 0,5-10 mm, vorzugsweise 1-5 mm und weiter vorzugsweise 1,5-2,5 mm von der Flüssigkeitsaustrittsöffnung befindet.

8. Mobile Arbeitsmaschine mit einer Brennkraftmaschine und einer von der Brennkraftmaschine abführenden Abgasleitung, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abgasleitung ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist, um ein flüssiges Reduktionsmittel, vorzugsweise eine Harnstofflösung aus einem entsprechend gefüllten Tank in die Abgasleitung einzuspritzen.

9. Verfahren zum Betrieb eines Systems nach einem der Ansprüche 1-7 oder einer mobilen Arbeitsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System bei konstantem Betrieb beider Pumpen durch eine getaktete Ansteuerung des Sperrventils so betrieben wird, dass Flüssigkeit gepulst durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnung abgegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweiten durch eine entsprechende Ansteuerung des Sperrventils verändert werden können, bevorzugt durch eine elektrische Ansteuerung des Sperrventils.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweiten durch eine Regelung oder Steuerung festgelegt werden können, wobei die Festlegung unter Berücksichtigung bestimmter Betriebsgrössen z.B. der Abgastemperatur, dem Drehzahl-Drehmomenten-Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine etc. sowie weiterer Parameter, die beispielsweise als anwendungsspezifische Festgrössen vorliegen können, abhängig sind.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Taktes die Pulsweite, d.h. die Zeitdauer in der ein flüssiges Reduktionsmittel über die Flüssigkeitsaustrittsöffnung abgegeben wird bzw. die Zeitdauer in der das Sperrventil geöffnet ist, umso grösser ist, je höher die Soll-Förderrate des flüssigen Reduktionsmittels ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der eingespritzten Flüssigkeit um ein flüssiges Reduktionsmittel, vorzugsweise eine Harnstofflösung handelt und/oder dass es sich bei dem Zerstäubergas um Luft handelt.