DE102004050022A1

DE102004050022A1 - Einrichtung zur Kühlung einer Düse für die dosierte Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004050022A1
Application number: DE102004050022A
Authority: DE
Inventors: Leo Dr. Bakaj; Wilhelm Malitsky
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: LOrange GmbH
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: DE102004050022B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung einer Düse für die dosierte Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Die Förderstöße einer periodisch pulsweise fördernden Pumpe werden durch eine Steuereinrichtung aufgeteilt in getaktete Massenströme zur Kühlung und zur Einspritzung. Eine Einspritzung wird dadurch realisiert, dass der Abfluss von Reduktionsmittel, das als Kühlmittel dient, aus dem Kühlkreis, in dem die Düse liegt, und der mit einer zur Düse führenden Einspritzleitung hydraulisch verbunden ist, zurück in einen Vorratsbehälter gesperrt ist, so dass ein starker Druckimpuls an der Düse ankommt, die auf den anstehenden hohen Druck anspricht und für eine Einspritzung öffnet. Zur Nutzung eines Förderstoßes für die Kühlung ist die Absperrung des Kühlkreises aufhebbar, so dass der Druck im Kühlkreis unter dem Niveau bleibt, dabei die Düse öffnet, und das Reduktionsmittel unter Kühlung der Düse und des darin befindlichen, zur Einspritzung gelangenden Reduktionsmittels in Umlauf versetzt wird. Vorteil ist, dass mit einfachen Bauteilen und einer einfachen Steuerung die Einspritzung und eine auf den Kühlbedarf angepasste Kühlung erfolgen kann.

Description

Es ist bekannt, die Stickoxide im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Abgas von Dieselbrennkraftmaschinen, durch selektive katalytische Reduktion zu vermindern. Zu diesem Zweck wird das Reduktionsmittel, eine wässrige Harnstofflösung, fein zerstäubt in dosierter Menge in den Abgastrakt eingespritzt. Das zur Zerstäubung verwendete Ventil wird durch einen Kühlmittelkreislauf gekühlt, um die Temperatur des in unmittelbarer Nähe zur Abgasleitung angeordneten Ventils und des darin befindlichen Reduktionsmittels niedrig zu halten.

Eine Einrichtung zur Kühlung eines derartigen Ventils geht beispielsweise aus der DE 198 06 265 C5 als bekannt hervor. Zur Einspritzung von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung dient ein elektrisch steuerbares Ventil. Das Ventil ist in einem Kühlkreislauf angeordnet, in dem sich Reduktionsmittel in ständiger Umwälzung befindet. Aus dem Kreislauf wird auch das zur Einspritzung gelangende Reduktionsmittel entnommen. Für die Umwälzung des Reduktionsmittels dient eine in den Kühlkreis geschaltete Pumpe, und der Druck im Kreislauf wird mit Hilfe eines Druckreglers auf einem konstanten Niveau gehalten. Für eine ausreichende Kühlung in jedem Betriebszustand muss offensichtlich ständig eine hohe Kühlmittelmenge in Umlauf gehalten werden, was den Nachteil hat, dass eine hohe Leistung der Pumpe erforderlich ist. Ferner muss der gesamte Kühlkreis ständig auf hohem Druck gehalten werden, da das elektrisch steuerbare Ventil zur Einspritzung des Reduktionsmittels in die Abgasleitung das Reduktionsmittel aus dem Kühlkreislauf entnimmt.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, Kühlung und Einspritzung mit einfachen Bauteilen ohne aufwendige Steuerung zu realisieren, und dabei die im Kühlkreis umlaufende Menge an Kühlmittel auf den am jeweiligen Betriebszustand orientierten tatsächlichen Kühlbedarf zu begrenzen, um dadurch die erforderliche Pumpenleistung zu minimieren.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale dadurch gelöst, dass die Förderstöße einer periodisch pulsweise fördernden Pumpe durch eine Steuereinrichtung aufgeteilt werden in Massenstromstöße zur Kühlung und zur Einspritzung. Eine Einspritzung wird in einfacher Weise dadurch realisiert, dass der Abfluss von Reduktionsmittel, das als Kühlmittel dient, aus dem Kühlkreis, der mit der zur Düse führenden Einspritzleitung hydraulisch verbunden ist, zurück in den Vorratsbehälter unterbrochen ist, so dass ein starker Druckimpuls an der Düse ankommt, die auf den anstehenden hohen Druck anspricht und für eine Einspritzung öffnet. Zur Nutzung eines Förderstoßes für die Kühlung ist die Absperrung des Kühlkreises aufhebbar, so dass der Druck niedrig bleibt, ohne die Düse zu öffnen und die gesamte Druckenergie in Bewegungsenergie für die Umwälzung des Reduktionsmittels im Kühlkreis umgesetzt wird. Zweckmäßigerweise werden ein oder mehrere Förderstöße der Pumpe zwischen zwei Einspritzungen zur Kühlung verwendet.

Zur Unterbrechung oder zur Freischaltung des Durchflusses zum Vorratsbehälter dient zum Beispiel ein einfaches Schaltventil, das zwischen zwei Schaltstellungen hin- und herschaltbar ist. Die Ansteuerung des Schaltventils erfolgt zweckmäßigerweise durch ein Steuergerät im Takt der Förderfrequenz der Pumpe. Bei Ausbildung der Pumpe als Konstanthubpumpe wird die Hubfrequenz zur Dosierung der für die Einspritzung und Kühlung erforderlichen Mengen verändert. Als Steuerparameter können Motorbetriebsparameter, Kühlbedarf und/oder Abgaszusammensetzung dienen. Vorzugsweise liegt die Düse in einem Raum des Kühlkreises, der Entnahmeraum für das einzuspritzende Reduktionsmittel ist und zugleich auch von dem zur Kühlung gebrauchten Reduktionsmittel durchströmt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben:

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Bauteile einer erfindungsgemäßen Einrichtung;

2 einen Längsschnitt durch eine für die Einspritzung von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung verwendete Düse;

3 eine schematische Darstellung der pulsierenden Massenstromanteile für Einspritzung ein Kühlung.

Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Einrichtung zur dosierten Einspritzung eines Reduktionsmittels in das einen Abgastrakt 2 durchströmenden Abgas 3 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die Einrichtung ist mit einem aus mehreren Leitungsabschnitten 4, 5, 6, 7 bestehenden Kühlkreis gebildet, der einen Vorratsbehälter 8, eine Pumpe 1, eine Düse 9 und ein Schaltventil 10 miteinander verbindet. Der von der Pumpe 1 zur Düse 9 führende Leitungsabschnitt 5 wird auch als Einspritzleitung bezeichnet. Den Leitungsabschnitten 4, 5, 6, 7 sind Pfeile zugeordnet, die die Fließrichtung des Reduktionsmittels im Kühlkreis symbolisieren sollen. Die Einrichtung umfasst ferner ein Steuergerät 17, das über strichliniert dargestellte Steuerleitungen mit einem Temperatursensor 11, der Pumpe 1 und dem Schaltventil 10 verbunden ist. Weitere strichlinierte Linien sollen andeuten, dass das Steuergerät 17 weitere Eingangssignale erhält, wie Motorbetriebsparameter, die Abgaszusammensetzung symbolisierende Kennwerte oder sonstige Kennwerte. Die Pumpe 1 ist als Kolbenpumpe oder als Membranpumpe ausgeführt, die das Reduktionsmittel pulsweise periodisch fördert.
Die in 2 dargestellte Düse 9 dient zum Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgastrakt 2. Die Düse 9 öffnet in Ansprache auf den an den Flächen eines Ventilelements 12 anstehenden Druck. Eine Öffnung, bei dem das Ventilelement 12 gegen die Kraft einer Schließfeder 13 von einem Dichtsitz 14 abhebt, erfolgt jedoch erst, wenn eine durch die Vorspannkraft der Schließfeder 13 und die Flächenquerschnitte vorgegebene Druckhöhe erreicht wird. Dies wird bei der zugrundeliegenden Erfindung ausgenutzt, um auf einfache Weise einen Teil der von der Pumpe 1 erzeugten Förderstöße für die Kühlung oder für die Einspritzung zu verwenden. Wenn nämlich das Schaltventil 10 den Durchfluss zum Vorratsbehälter 8 freigibt, kann kein Druck aufgebaut werden, der ausreicht, die Düse 9 zu öffnen. In diesem Fall wird der von der Pumpe 1 geförderte Massenstrom zur Umwälzung des im Kühlkreis anwesenden Reduktionsmittels genutzt, wobei der Druck im Kühlkreis kaum höher als im Vorratsbehälter 8 ist. Infolge der Umwälzung wird auch das im Raum 15 um die Düse 9 herum anwesende Reduktionsmittel in Bewegung versetzt und dadurch die Düse 9 und das in der Düse 9 enthaltene Reduktionsmittel gekühlt. Der Raum 15 steht symbolisch für Kühlräume innerhalb und außerhalb der Düse 15. Kühlräume können insbesondere auch Kühlkanäle sein, die im Düsengehäuse 16 verlaufen, die in der Zeichnung aber nicht näher ausgeführt sind. Der Raum 15 steht weiterhin für einen Kühlkreisabschnitt, der die Entnahme von Reduktionsmittel für die Kühlung oder die Einspritzung ermöglicht. Der Raum 15 kommuniziert mit Kühlkanälen und Einspritzkanälen in der Düse.
Eine Einspritzung findet statt, wenn das Schaltventil 10 den Kühlkreis unterbricht, das heißt, den Abfluss von Reduktionsmittel zurück zum Vorratsbehälter 8 sperrt. Dann kommen die Förderstöße der pulsierend fördernden Pumpe 1 mit hohem Druck pulsweise bei der Düse 9 an, wobei das Ventilelement 12 öffnet und eine Einspritzung stattfindet. Vorteilhaft ist, dass die Düse 9, weil selbsttätig druckgesteuert öffnend, nicht angesteuert werden muss, dass vielmehr allein durch die Steuerung der Hubfrequenz der Pumpe 1 und das einfache Schaltventil 10 die Massenströme für Kühlung und Einspritzung gesteuert werden können. Dadurch ist zum einen der Steueraufwand gering und zum anderen sind die Bauteile einfach und dadurch kostengünstig.
Das in 3 dargestellte Diagramm zeigt schematisch eine Abfolge von Massenströmen, die als Rechtecke 20, 21 dargestellt sind, und die im Takt der Hubfrequenz der Pumpe 1 aufeinander folgen. Zwischen drei Rechtecken 20, die für Einspritzungen stehen, sind jeweils drei Rechtecke 21 dargestellt, die für Massenströme stehen, die zur Kühlung genutzt werden. Bei für die Kühlung verwendeten Förderpulsen ist das in 1 dargestellte Schaltventil 10 geöffnet, so dass das von der Pumpe 1 geförderte Reduktionsmittel über den zwischen Schaltventil 10 und Vorratsbehälter 9 angeordneten Leitungsanschnitt 7 abströmen kann, so dass eine Umwälzung von Kühlmittel im gesamten Kühlkreis stattfindet. Eine Einspritzung erfolgt, wenn der Kühlkreis durch das Schaltventil 10 unterbrochen wird. Die Anzahl der für die Kühlung verwendeten Förderpulse kann beliebig variiert werden. Weiter kann Kühlmenge und Einspritzmenge durch Änderung der Hubfrequenz der Pumpe 1 variiert werden.

Claims

Einrichtung zur Kühlung einer Düse (9) für die dosierte Einspritzung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgastrakt (2) einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer aus einem Vorratsbehälter (8) Reduktionsmittel ansaugenden und periodisch pulsweise fördernden Pumpe (1), insbesondere einer Kolbenpumpe oder einer Membranpumpe, ferner mit einem die Pumpe (1), die Düse (1) und den Vorratsbehälter (8) verbindenden Kühlkreis (4, 5, 6, 7), in den der von der Pumpe (1) geförderte Massenstrom für die Einspritzung gelangt, und in dem das zur Kühlung der Düse (9) von der Pumpe (1) geförderte Reduktionsmittel umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (9) auf den anstehenden Druck ansprechend pulsweise Reduktionsmittel in den Abgastrakt (2) auslässt, dass während der Einspritzung der Abfluss von Reduktionsmittel aus dem Kühlkreis (4, 5, 6, 7) zurück in den Vorratsbehälter (8) gesperrt ist, und dass die Sperrung des Kühlkreises (4, 5, 6, 7) zwischen zwei Einspritzungen aufhebbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Kühlbedarf zwischen zwei Einspritzungen keine, ein oder mehrere Förderpulse der Pumpe (1) liegen.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf (4, 5, 6, 7) stromab von der Düse (9) zwischen der Düse (9) und dem Vorratsbehälter (8) ein Schaltventil (10) angeordnet ist, das den Durchfluss des Reduktionsmittels durch den Kühlkreis (4, 5, 6, 7) steuert.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (10) von einem Steuergerät (17) elektrisch ansteuerbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (10) je nach Kühlbedarf variabel während eines oder mehrerer Förderpulse in den Durchfluss durch den Kühlkreis (4, 5, 6, 7) ermöglichender Schaltstellung verbleibt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) als Konstanthubpumpe ausgebildet ist, und dass zur Dosierung des Reduktionsmittels die Hubfrequenz in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern, und/oder dem Kühlbedarf und/oder der Abgaszusammensetzung durch elektrische Ansteuerung des Pumpenantriebs veränderbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (9) selbsttätig in Abhängigkeit vom anstehenden Druck zu öffnen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (9) an einen Raum (15) mit Kühlmittel angrenzt, in den Kühlkanäle und Einspritzkanäle der Düse (9) münden.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (15) auf dem Außenumfang der Düse (9) einen mit dem Kühlkreis (4, 5, 6, 7) kommunizierenden Kühlmantel bildet.