DE10034880A1

DE10034880A1 - Dosiersystem

Info

Publication number: DE10034880A1
Application number: DE10034880A
Authority: DE
Inventors: Ronald Neufert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2002-02-07
Also published as: WO2002006644A1

Abstract

Ein Dosiersystem (10), das zur Einbringung eines Reaktionsmittels (R) in einen Abgasraum (4) einer Verbrennungsanlage (2) dient, soll mit geringem technischen Aufwand erstellbar sein. Dazu weist das Dosiersystem (10) eine Ausstoßeinrichtung (12) auf, welche einen piezoelektrischen Aktor (46) umfasst, welcher beim Anliegen einer elektrischen Erregung elektrische Energie in mechanische Verformungsenergie umwandelt und durch den dabei entstehenden Druckimpuls das Reaktionsmittel (R) in den Abgasraum (4) durckluftlos ausstößt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dosiersystem zur Einbrin gung eines Reaktionsmittels in einen Abgasraum einer Verbren nungsanlage, insbesondere eines Dieselmotors.

Zur Entfernung von Schadstoffen aus einem Abgas einer Ver brennungsanlage können katalytische Reinigungsverfahren vor gesehen sein. Hierbei kann es erforderlich sein, zusätzlich in das Abgas ein Medium (Reaktionsmittel) einzubringen, wel ches dann mit dem Schadstoff an einem Katalysator reagiert.

Bei einer sogenannten reduktionsmittelbetriebenen Abgasreini gungsanlage handelt es sich bei dem in das Abgas oder den Ab gasraum einzubringenden Medium um ein Reduktionsmittel oder um eine Substanz, die im Abgas zu dem Reduktionsmittel umge setzt wird, das am Katalysator einen oder mehrere Schadstoffe des Abgases reduziert. Sowohl die Vorläufersubstanz als auch das Reduktionsmittel selbst werden im Weiteren gemeinsam als "Reduktionsmittel" bezeichnet.

Die in den Abgasraum einzubringende Menge des Reduktionsmit tels richtet sich nach der jeweiligen Schadstoffmenge im Ab gas. Diese kann zu verschiedenen Zeiten abhängig vom Be triebszustand der Verbrennungsanlage unterschiedlich groß sein. Die jeweils einzubringende Menge an Reduktionsmittel wird üblicherweise über eine elektrische Regel- oder Steuer einheit ausgehend vom Betriebszustand vorgegeben.

Die Eindüsung des Reduktionsmittels in den Abgasraum der Verbrennungsanlage geschieht üblicherweise mittels Druckluft. Hierzu ist aus der EP 0 558 452 B1 bekannt, die Eindüsung mittels einer sogenannten Zweistoffdüse vorzunehmen und dabei die notwendige Druckluft als ein Kühlmittel entlang der Zu führungsleitung zu führen.

Die Druckluftunterstützung bei der dosierten Einbringung von Reduktionsmittel in einen Abgasraum einer Verbrennungsanlage erfordert jedoch einen erheblichen technischen Aufwand. Au ßerdem ist beim Betrieb einer derartigen Verbrennungsanlage neben einer Kontrolle der dosierten Einbringung des Redukti onsmittels in den Abgasraum zusätzlich eine ständige Überwa chung eines technisch aufwendigen Druckluftsystems erforder lich.

Im Compendium zur Europäischen Eignungsprüfung, Prüfungsauf gabe A, Elektrotechnik/Mechanik, 1995 ist auf der Seite 24 und 25 ein Dokument I zum Stand der Technik bezüglich der ge stellten Prüfungsaufgabe beigefügt. Es handelt sich dabei um die Beschreibung eines Düsenkopfes für einen Tintenstrahldru cker, welcher ein piezoelektrisches Element enthält. Ein an diesem Element angelegter Spannungsimpuls führt zu einer Ver formung des Elements, die auf eine flexible Abdeckplatte ü bertragen wird, wobei auf die Tinte in einer Pumpkammer ein Druckimpuls ausgeübt und die Tinte ausgestoßen wird.

Der Düsenkopf ist so ausgestaltet, dass er die in der Druck technik notwendigen Anforderungen wie z. B. hohe Druckauflö sung und exakte Dosierbarkeit der Tintentröpfchen gewährleis tet. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der miniaturischen Ausführung des Düsenkopfes. Der Düsenkopf stößt die Tinte mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktors aus, jedoch lehrt die Offenbarung des Düsenkopfes für einen Tintenstrahldrucker le diglich den Einsatz in der Druckertechnik, bei der - wie be reits erwähnt - spezielle Anforderungen gelten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dosier system zur Einbringung eines Reduktionsmittels in einen Ab gasraum einer Verbrennungsanlage anzugeben, das einen beson ders geringen technischen Aufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein piezoelektrischer Aktor zur Dosierung des Reduktionsmittels in den Abgasraum einer Verbrennungsanlage verwendet wird. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Bereit stellung eines Dosiersystems mit geringem technischen Aufwand möglich ist, wenn ein Druckluftsystem entfallen kann. Ein Druckluftsystem kann dann entfallen, wenn der Ausstoß des Re duktionsmittels in den Abgasraum der Verbrennungsanlage druckluftlos erfolgt. Die Verwendung des piezoelektrischen Aktors macht die Verwendung von Druckluft zum Ausstoß des Re duktionsmittels überflüssig, da die mechanische Verformungs energie, welche der piezoelektrische Aktor bei Anlegen einer elektrischen Erregung erfährt, direkt zum Ausstoß des Reduk tionsmittels verwendet wird.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der piezoelektrische Aktor zur Dosierung des Reduktions mittels in den Abgasraum einer Verbrennungsanlage verwendet, wobei der piezoelektrische Aktor Bestandteil einer Ausstoß einrichtung ist. Die mechanische Ausstoßenergie des piezo elektrischen Aktors kann so am besten genutzt werden, da bei der konstruktiven Auslegung der Ausstoßeinrichtung die elekt rischen und mechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors miteinbezogen werden können und die Ausstoßeinrichtung dadurch optimiert werden kann.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der piezoelektrische Aktor als Bestandteil einer Aus stoßeinrichtung verwendet, wobei die Ausstoßeinrichtung einen Arbeitsraum, einen Aktorraum und eine flexible Membran zur Trennung von Arbeits- und Aktorraum umfasst. Die Trennung in Aktor- und Arbeitsraum gewährleistet, dass der piezoelektri sche Aktor durch das auszustoßende Medium nicht direkt beein flusst oder sogar bespielsweise materialgefährdend angegrif fen wird.

Vorteilhaft ist dabei ein Reduktionsmittelreservoir an den Arbeitsraum der Ausstoßeinrichtung angeschlossen.

Das Volumen des Arbeitsraums der Ausstoßeinrichtung zur Auf nahme des Reduktionsmittels ist bauartbedingt beschränkt. Deshalb ist es insbesondere für einen länger andauernden Be trieb der Verbrennungsanlage notwendig, ein Reduktionsmittel reservoir vorzuhalten. Während des Betriebs der Verbrennungs anlage wird die zur Dosierung des Reduktionsmittels notwendi ge Menge an Reduktionsmittel dem Reduktionsmittelreservoir entnommen und über die Verbindung zwischen Reduktionsmittel reservoir und Arbeitsraum der Ausstoßeinrichtung dem Arbeits raum bedarfsgerecht zugeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Aktor im Aktorraum der Ausstoßeinrichtung derart an geordnet, dass er bei elektrischer Erregung die flexible Membran in Richtung des Arbeitsraums verformt. Die Verwendung einer flexiblen Membran stellt eine konstruktiv einfache und kostengünstige Lösung des Problems der Impulsübertragung vom piezolektrischen Aktor auf das auszustoßende Medium dar. Zur Ausstoßung des Reduktionsmittels wird der sogenannte in verse piezoelektrische Effekt des piezoelektrischen Aktors ausgenutzt, wobei eine anliegende elektrische Erregung durch den piezoelektrischen Aktor umgewandelt wird in mechanische Verformungsenergie, welche direkt auf die flexible Membran einwirkt und dadurch den Ausstoß von mindestens einem Teil des im Arbeitsraum vorhandenen Reduktionsmittels durch min destens eine Öffnung des Arbeitsraums verursacht.

Vorteilhaft wird der piezoelektrische Aktor zur Dosierung ei nes Reduktionsmittels in einem Abgasraum einer Verbrennungs anlage zur Entfernung von Stickoxiden mittels eines DeNOx- Katalysators verwendet, welcher nach dem sogenannten SCR- Verfahren (Selektive Katalytische Reduktion) arbeitet. In der Regel wird dabei eine wässrige Harnstofflösung als Redukti onsmittel in den Abgasraum der Verbrennungsanlage einge bracht, die im Abgas thermisch in das nicht geruchsneutrale Ammoniak (NH₃) umgesetzt wird. Beim SCR-Verfahren werden üb licherweise Stickoxide (NO_x) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) mit Hilfe von Ammoniak (NH₃) und eines Katalysators um gesetzt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde re darin, dass durch den Verzicht auf ein Druckluftsystem das Dosiersystem besonders einfach ausgeführt und betrieben wer den kann; außerdem zeichnet sich die Verwendung eines piezo elektrischen Aktors zum Ausstoß einer Flüssigkeit dadurch aus, dass eine hohe Dosiergenauigkeit - wie aus der Drucker technik bekannt - erzielbar ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen vorgestellt. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Verbrennungsanlage mit einem Abgasraum, an den ein Dosiersystem zur Einbringung eines Reduktionsmittels angeschlossen ist,

Fig. 2 eine Ausstoßeinrichtung für das Reduktionsmittel.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den selben Bezugszei chen versehen.

Die Verbrennungsanlage 2 gemäß Fig. 1 ist als Dieselmotor aus gebildet. Das bei einer Kraftstoffverbrennung im Dieselmotor entstehende Abgas A, das Schadstoffe enthält, gelangt über einen als Abgaskanal ausgebildeten Abgasraum 4 in die Umwelt. Um die Schadstoffbelastung der Umwelt möglichst gering zu halten, ist an den Abgasraum 4 ein Abgasreinigungssystem 6 angeschlossen.

Das Abgasreinigungssystem 6 weist einen im Abgasraum 4 ange ordneten Katalysator 8 auf, der als ein sogenannter DeNox- Katalysator ausgebildet ist. Dieser zersetzt nach dem bekann ten SCR-Verfahren der sogenannten Selektiven Katalytischen Reduktion Stickoxide (NO_x) mit Hilfe eines zusätzlich in den Abgasraum 4 einzubringenden Reduktionsmittels R zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O). Als Reduktionsmittel R ist im Ausführungsbeispiel Harnstofflösung H vorgesehen, die im Abgasraum 4 Ammoniak (NH₃) freisetzt, der wiederum eine Reduktion der Stickoxide (NO_x) bewirkt.

Zur Einbringung von Harnstofflösung H in den Abgasraum 4 um fasst das Abgasreinigungssystem 6 ein Dosiersystem 10. Das Dosiersystem 10 weist zur Einbringung der Harnstofflösung H eine Ausstoßeinrichtung 12 auf. Durch mindestens eine Öffnung 13 der Ausstoßeinrichtung 12 wird das Reduktionsmittel ausge stoßen und gelangt in den Abgasraum 4. Das Dosiersystem 10 umfasst weiterhin eine im Abgasraum 4 angeordnete Prallvor richtung 28. Diese verursacht eine Richtungsänderung der in den Abgasraum 4 eingebrachten Harnstofflösung H. Dies bewirkt eine besonders homogene Verteilung der Harnstofflösung H in dem Abgasraum 4 der Verbrennungsanlage 2. Dadurch ist eine besonders vollständige Reaktion der Harnstofflösung H mit den Stickoxiden (NO_x) des Abgases A gewährleistet.

Das Reduktionsmittelreservoir 18, welches Harnstoff H als Re duktionsmittel R bevorratet, ist durch eine Leitung 20 mit der Ausstoßeinrichtung 12 verbunden. Über eine weitere Lei tung 21 ist die Ausstoßeinrichtung 10 mit einem Reinigungs mittelvorrat W verbunden. Als Reinigungsmittelvorrat W kann beispielsweise der oftmals ohnehin vorhandene Vorrat an Rei nigungsmittel für eine Scheibenwaschanlage verwendet werden. Zur Vermeidung der Ablagerung von Reduktionsmittel in der Ausstoßeinrichtung 12 wird diese bedarfsweise oder periodisch gespült mittels des in dem Reinigungsvorrat W enthaltenen Reinigungsmittels.

Das Dosiersystem 10 ist für eine elektrisch steuerbare Dosie rung der Harnstofflösung H in den Abgasraum 4 der Verbren nungsanlage 2 in Abhängigkeit vom Massenstrom der Stickoxide (NO_x) ausgelegt. Hierfür sind die Ausstoßeinrichtung 12 und eine Kontrolleinheit 30 des Abgasreinigungssystems 6 über ei nen elektrischen Anschluss 32 miteinander verbunden.

Der elektrische Anschluss 32 ist dabei im Ausführungsbeispiel mit einem ohnehin vorhandenen, nicht anderweitig belegten Kontakt der Kontrolleinheit 30 verbunden. Ein derartiger, nicht anderweitig belegter Kontakt der Kontrolleinheit 30 ist üblicherweise bei einem Dieselmotor eines Personenkraftwagens vorhanden.

Für eine Regelung des Massenstroms der Stickoxide (NOX) ist die Kontrolleinheit 30 über einen elektrischen Anschluss 34 mit einer im Abgasraum 4 angeordneten Messeinrichtung 36 und über einen elektrischen Anschluss 38 mit einer elektrischen Einspritzausrüstung 40 für Kraftstoff für die Verbrennungsan lage 2 verbunden.

Das Abgasreinigungssystem 6 der Verbrennungsanlage 2 redu ziert Stickoxide (NO_x) mit Hilfe von Ammoniak (NH₃) und des DeNOx-Katalysators 8 zu Stickstoff (NO_x) und Wasser (H₂O). Als Vorstufe des nicht geruchsneutralen Ammoniaks (NH₃) er folgt beim Betrieb des Abgasreinigungssystems 6 die Einbrin gung von Harnstofflösung H in den Abgasraum 4 durch das Do siersystem 10. Die Harnstofflösung H wird dabei in Abhängig keit vom geregelten Massenstrom der Stickoxide (NO_x) zudo siert.

Das Einbringen der Harnstofflösung H erfolgt getaktet. Dazu wird einem piezoelektrischen Aktor, welcher in einem Aktor raum der Ausstoßeinrichtung 12 angeordnet ist, über den e lektrischen Anschluss 32 Strom zugeführt, so dass dieser ei nen Druckimpuls auf eine flexible Membran ausübt, welche da durch den Ausstoß des Reduktionsmittels durch mindestens eine Öffnung 13 des Arbeitsraums der Ausstoßeinrichtung 12 verur sacht.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Austoßeinrichtung 12. Die Ausstoßeinrichtung umfasst dabei einen Arbeitsraum 44, welcher durch eine flexible Membran 50 von einem Aktorraum 42 getrennt ist. Ein piezoelektrischer Aktor 46 ist dabei im Aktorraum 42 derart angeordnet, dass er bei elektrischer Erre gung, welche über den elektrischen Anschluss 32 von einer Kontrolleinheit an den piezoelektrischen Aktor 46 übermittelt wird, die flexible Membran in Richtung V des Arbeitsraums verformt. Das sich im Arbeitsraum 44 befindende Reduktions mittel R wird dabei durch den vom piezoelektrischen Aktor 46 erzeugten Druckimpuls durch die mindestens eine Öffnung 60 in den Abgasraum ausgestoßen. Während des Betriebs wird die aus gestoßene Menge an Reduktionsmittel R im Arbeitsraum ersetzt durch eine entsprechende Menge an Reduktionsmittel, welches durch die Leitung 20 dem Reduktionsmittelreservoir 18 entnom men wird.

Claims

1. Verwendung eines piezoelektrischen Aktors (46) zur Dosie rung eines Reaktionsmittels (R) in einen Abgasraum (4) ei ner Verbrennungsanlage (2), insbesondere eines Dieselmo tors.

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Ak tor (46) Bestandteil einer Ausstoßeinrichtung (12) ist.

3. Verwendung nach Anspruch 2, wobei die Ausstoßeinrichtung (12)
einen Arbeitsraum (44),
einen Aktorraum (42) und
eine flexible Membran (50) zur Trennung von Arbeits- (44) und Aktorraum (42)
umfasst.

4. Verwendung nach Anspruch 3, wobei ein Reaktionsmittelre servoir (18) an den Arbeitsraum (44) der Ausstoßeinrich tung (12) angeschlossen ist.

5. Verwendung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der piezoelektri sche Aktor (46) im Aktorraum (42) der Ausstoßeinrichtung (12) derart angeordnet ist, dass er bei elektrischer Erre gung die flexible Membran (50) in Richtung (V) des Ar beitsraums (44) verformt.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Entfernung von Stickoxiden mittels eines DeNOx-Katalysators.