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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zumessen eines im Ausgangszustand
flüssig
vorliegenden Reduktionsmittels in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine,
wobei das Reduktionsmittel über
eine Dosierleitung mittels einer Luftströmung zu einer in die Abgasleitung öffnende
Düse gefördert werden
kann.
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Es
ist bekannt, zur Dosierung einer flüssigen Reduktionsmittels ins
Abgas einer Brennkraftmaschine dieses vor der Zugabe ins Abgas mit
Druckluft fein zu zerstäuben
und zu einer aerosolartigen Luft-Flüssigkeitsmischung aufzubereiten.
Diese Mischung kann sodann über
eine Dosierleitung einer in die Abgasleitung öffnenden Düse zur Abgabe ins Abgas zugeführt werden.
In der
DE 199 46 902
A1 ist zur Erzeugung des Aerosols ein Mischraum vorgesehen.
In den Mischraum ist eine zentrale Reduktionsmittel-Zuführleitung
geführt,
aus welcher das Reduktionsmittel austritt. Aus einem Ringspalt um
die Reduktionsmittel-Zuführleitung
strömt
Druckluft aus, so dass eine Vernebelung des Reduktionsmittels im Mischraum
erfolgen kann.
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In
der
DE 42 30 056 A1 wird
vorgeschlagen, einem Mischraum flüssiges Reduktionsmittel und Druckluft
getrennt zuzuführen, wobei
dafür gesorgt wird,
dass sich im Mischraum zur Verbesserung der Vermischung eine schraubenförmige Wirbelströmung ausbilden
kann.
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Trotz
entsprechender Maßnahmen
ist eine zuverlässige
und reproduzierbare Ausbildung einer aerosolartigen Luft-Flüssigkeitsmischung
jedoch schwierig und es besteht zudem die Gefahr, dass die erzeugten
Flüssigkeitströpfchen in
den Bereich der Luftzuführung
gelangen und dort unter Rückstandsbildung
Verstopfungen verursachen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, welche eine zuverlässige Dosierung
eines flüssigen
Reduktionsmittels ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung eine Dosiereinheit auf, die das Reduktionsmittel
im Wesentlichen in Form eines die Innenwand der Dosierleitung benetzenden
Wandfilms abgibt. Dadurch dass das in die Abgasleitung einzubringende
Reduktionsmittel zumindest im Eingangsbereich der Dosierleitung überwiegend
an deren Innenwand in Form eines Wandfilms vorliegt, kann eine besonders gleichmäßige, reproduzierbare
und genaue Dosierung erreicht werden. Auf eine oftmals unvorhersehbar
verlaufende Vernebelung des Reduktionsmittels wird somit verzichtet
und stattdessen durch den Wandfilm eine geometrisch definierte Phasengrenze zwischen
der Flüssigphase
des Reduktionsmittels und der Gasphase der Luftströmung geschaffen.
Das an der Innenwand der Dosierleitung angelagerte Reduktionsmittel
wird von der vorzugsweise kontinuierlichen Luftströmung in
Richtung der Düse
infolge von Reibungseffekten mitgerissen bzw. mitgeführt. Da
die Luftströmung gleichmäßig und
genau eingestellt werden kann, erfolgt der Transport des Reduktionsmittels
ebenfalls gleichmäßig und
genau. Diese betrifft sowohl den anfänglich vorzugsweise überwiegend oder
vollständig
als geschlossenen Wandfilm vorliegenden Anteil des Reduktionsmittels,
als auch einen im Laufe des Transports entlang der Dosierleitung durch
Verdampfung oder Ablösung
in die Gasphase übergehenden
Teil des Reduktionsmittels. Die Dosierrate des eingangsseitig in
die Dosierleitung in Form eines Wandfilms eingebrachten Reduktionsmittels
ist somit wenigstens annähernd
störungsfrei
auch ausgangsseitig der in die Abgasleitung öffnenden Düse vorhanden. Damit werden
Unregelmäßigkeit
und Ungenauigkeiten vermieden, welche sich erfahrungsgemäß bei einer
Vernebelung des Reduktionsmittels bei dessen Übergang in die Dosierleitung
ergeben. Zudem wird vermieden, dass flüssiges Reduktionsmittel in
den Bereich der Luftzufuhr gelangt, da das Reduktionsmittel an die
Leitungsoberfläche
gebunden ist.
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In
Ausgestaltung der Erfindung weist die Dosiereinheit einen einlassseitig
an die Dosierleitung angeschlossenen Leitungsabschnitt zur Zusammenführung der
Luftströmung
und des Reduktionsmittels auf, wobei die Luftströmung und das Reduktionsmittel
dem Leitungsabschnitt getrennt und strömungsmäßig annähernd gleichgerichtet zugeführt und
im Wesentlichen unter Beibehaltung ihrer Strömungsrichtung gemeinsam in
die Dosierleitung überführt werden
können.
Durch die annähernd
gleichgerichtete Zusammenführung
von Luftströmung
und Reduktionsmittelströmung
in den als Zusammenführungsbereich
fungierenden Leitungsabschnitt wird ein Eindringen des Reduktionsmittels
in den Luftleitungsbereich zuverlässig vermieden. Dadurch wird
eine Ablagerung von Reduktionsmittelrückständen im Bereich der Luftzuführung verhindert,
und es ist eine zuverlässige
Trennung dieses so genannten Trockenbereichs vom Nassbereich gewährleistet.
Der Leitungsabschnitt, in welchem die Luftströmung und das Reduktionsmittel
zusammengeführt
werden, ist vorzugsweise vergleichsweise kurz, mit einigen Millimetern
Länge ausgeführt. Der Übergang
zur Dosierleitung erfolgt bevorzugt unter Beibehaltung des Durchmessers,
wodurch ein Abreißen
des im Leitungsabschnitt ausgebildeten Reduktionsmittelwandfilms vermieden
wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Dosiereinheit einen
Luftleitungsabschnitt auf, der wenigstens annähernd axial gleichgerichtet zum
Leitungsabschnitt in den Leitungsabschnitt einmündet. Diese Ausführung gewährleistet
die Ausbildung eines Reduktionsmittelwandfilms in besonders zuverlässiger Weise,
da die Luftströmung
störungsfrei
unter Vermeidung einer Ablenkung und einer damit verbundenen Verwirbelung
in den Leitungsabschnitt eintreten kann. Vernebelungen des in den
Leitungsabschnitt eintretenden Reduktionsmittels werden auf diese
Weise weitgehend oder sogar völlig vermieden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Dosiereinheit eine
Aufnahmekammer für zur
Zuführung
in die Dosierleitung vorgesehenes Reduktionsmittel auf, welche den
Endbereich des Luftleitungsabschnitts ringförmig umgibt. Diese Ausführung ermöglicht einen
in Bezug auf den Leitungsabschnitt umfangsseitig gleichmäßigen Eintritt
des Reduktionsmittels in den Leitungsabschnitt, wodurch die Ausbildung
eines besonders gleichmäßigen Wandfilms
erreicht wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Aufnahmekammer einen
zum Luftleitungsabschnitt koaxialen, ringförmigen Auslassspalt zur Abgabe
des Reduktionsmittels in den Leitungsabschnitt auf. Zur Ausbildung
eines ringsum gleichmäßig ausgebildeten
Wandfilms ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser
des ringförmigen
Auslass spalts dem Innendurchmesser des Leitungsabschnitts entspricht.
Auf diese Weise werden kanten- oder stufenförmige Durchmessersprünge vermieden
und es ist ein störungsfreier Übertritt des
Reduktionsmittels aus der Aufnahmekammer in den Leitungsabschnitt
unter Vermeidung eines Wandbrisses gewährleistet. Vorhandene Oberflächenadhäsionskräfte, welche
ein Anhaften des Reduktionsmittels an vorhandenen Oberflächen bewirken,
werden somit in vorteilhafter Weise zur Ausbildung des durchgehenden
Wandfilms ausgenutzt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufnahmekammer beim
normalen Betrieb der Dosiereinheit wenigstens annähernd vollständig mit Reduktionsmittel
gefüllt.
Dies ermöglicht
einen zuverlässigen
Druckaufbau, der bei nur teilweiser Füllung, beispielsweise bei Gegenwart
von Gasblasen in der Aufnahmekammer, gestört würde. Folglich ergeben sich
bei vollständiger
Füllung
der Aufnahmekammer besonders vorteilhafte Druckverhältnisse,
und die Dosiergenauigkeit ist verbessert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Luftleitungsabschnitt
als Diffusor ausgebildet, aus welchem die Luft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
austreten kann. Dadurch ist einerseits eine Mitnahme des als Wandfilm
vorliegenden Reduktionsmittels in die Dosierleitung gewährleistet,
andererseits wird infolge der hohen Luftströmungsgeschwindigkeit ein Eindringen
von Reduktionsmittel in den Luftleitungsabschnitt bzw. Diffusor
vermieden. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die
Ausbildung des Luftleitungsabschnitts als Überschalldüse.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Drucksensor zur Erfassung
des Reduktionsmitteldrucks in der Aufnahmekammer vorgesehen. Dies ermöglicht einerseits
eine genaue Durchsatzbestimmung des zu dosierenden Reduktionsmittels,
andererseits kann das Auftreten von Störungen, beispielsweise in Form
einer Leitungsblockierung, welche sich durch nicht vorgesehene Druckverhältnisse
bemerkbar machen, detektiert werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden
nachfolgend beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 Eine
schematische Schnittbilddarstellung einer Dosiereinheit gemäß der Erfindung
und
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2 eine
Einzelheit der Dosiereinheit nach 1.
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Die
in 1 und ausschnittsweise in 2 schematisch
im Schnitt dargestellte Dosiereinheit 1 weist einen Trägerkörper 13 auf,
in welchen verschiedene Bauteile eingesetzt werden können, welche wiederum
teilweise über
Bohrungen miteinander in Verbindung stehen. Hierzu gehört ein Luftleitungsabschnitt 6 sowie
ein Dosierventil 9, an die in nicht näher dargestellter Weise eine
jeweilige Versorgungsleitung für
Druckluft bzw. Reduktionsmittel angeschlossen ist. An eine Einschraubbohrung
ist ferner eine Dosierleitung 2 angeschlossen, über welche
die der Dosiereinheit 1 getrennt zugeführten Medien Reduktionsmittel
und Luft gemeinsam abgeführt
werden können.
Dabei bildet die Dosierleitung 2 eine gerade und fluchtende
Verlängerung
des Luftleitungsabschnitts 6. Im montierten Zustand weisen
die sich gegenüber
liegenden Enden des Luftleitungsabschnitts 6 und der Dosierleitung 2 einen
vorzugsweise geringen Abstand voneinander auf. Auf diese Weise wird ein
Leitungsabschnitt 5 als Übergangs- und Zusammenführungsbereich
von Luft und Reduktionsmittel gebildet, worauf weiter unten näher eingegangen wird.
Obschon der Leitungsabschnitt 5 langgestreckt ausgebildet
sein kann, ist es bevorzugt, wenn er eine geringe Länge im Millimeterbereich
aufweist, wodurch sich ein kurzer Übergang von Luftleitungsabschnitt 6 und
Dosierleitung ergibt und ein kompakter Bau der Dosiereinheit 1 ermöglicht ist.
Vorzugsweise beträgt
die Länge
des Leitungsabschnitts 5 ein Millimeter bis zwanzig Millimeter.
Bevorzugt ist eine Länge
von weniger als fünf
Millimetern.
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Wie
dargestellt, ist der Luftleitungsabschnitt 6 als Diffusor
ausgebildet, aus welchem die ihm zugeführte Luft als gebündelter
Luftstrom 3 mit hoher Geschwindigkeit austritt. Es ist
jedoch auch eine andere Ausbildung des Luftleitungsabschnitts 6 möglich. Insbesondere
kann der Luftleitungsabschnitt 6 als Einlaufstrecke zur
Bildung einer laminaren Luftströmung
ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung des Luftleitungsabschnitts 6 als Überschalldüse. Der
Endbereich des Luftleitungsabschnitts 6 weist eine äußere Einkerbung
derart auf, dass sich zusammen mit der korrespondierenden Aufnahmebohrung
eine Aufnahmekammer 7 für
vom Dosierventil 9 abgegebenes und zu dosierendes Reduktionsmittel
ergibt. Im vorliegenden Fall ist die Einkerbung als eine sich in
Richtung der Mündung
zunehmende Verringerung des Außendurchmessers ausgeführt. Es
ist jedoch auch eine andere Ausführungsform
möglich,
bei welcher sich eine Aufnahmekammer 7 ergibt, welche den
Endbereich des Luftleitungsabschnitts 6 ringförmig umgibt.
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Die
Aufnahmekammer 7 steht über
eine Verbindungsbohrung 12 mit einer Aufnahmebohrung für das Dosierventil 9 in
Verbindung, so dass vom Dosierventil 9 abgegebenes Reduktionsmittel
in die Aufnahmekammer 7 überströmen kann. Vorzugsweise weist
einerseits die Verbindungsbohrung 12 einen geringen Durchmesser
von vorzugsweise etwa zwei Millimetern und eine geringe Länge von
vorzugsweise ebenfalls nur wenigen Millimetern auf. Andererseits
ist nur ein kleiner Spalt zwischen dem Dosierventil 9 und
seiner Aufnahmebohrung im Trägerkörper 13 vorgesehen.
Daraus resultiert ein geringes Totvolumen von vorzugsweise wenigen
Millilitern für vom
Dosierventil 9 abgegebenes Reduktionsmittel. Änderungen
der Dosierrate wirken sich daher rasch und annähernd totzeitfrei ausgangsseitig
der Dosiereinheit 1 aus. Gewährleistet wird dies auch dadurch, dass
im Betrieb der Dosiereinheit 1 die Aufnahmekammer 7 vollständig mit
Reduktionsmittel gefüllt
gehalten wird. Dies gilt in gleicher Weise für einen Druckkanal 10 im
Trägerkörper 13, über welchen
die Aufnahmekammer 7 bzw. die Aufnahmebohrung des Dosierventils 9 hydraulisch
mit einer weiteren Aufnahmebohrung 11 für einen nicht dargestellten Drucksensor
in Verbindung steht. Dadurch ist eine genaue Druckerfassung des
Dosierdrucks in der Aufnahmekammer 7 gewährleistet.
Dies resultiert wiederum in einer hohen Dosiergenauigkeit, da die
Reduktionsmittel-Dosierrate abhängig
vom Dosierdruck ist und bei zuverlässiger Kenntnis des Dosierdrucks entsprechend
genau eingestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Reduktionsmittel in Form eines die Innenwand der Dosierleitung 2 benetzenden
Wandfilms 4 abgegeben werden kann. Vorzugsweise wird dies
dadurch erreicht, dass das Reduktionsmittel in sehr flachem Winkel,
insbesondere annähernd
tangential an die Wand eines Bereichs zur Zusammenführung mit
der für
den Transport des Reduktionsmittels vorgesehenen Luftströmung. Insbesondere
ist vorzugsweise eine annähernde
Gleichrichtung von Reduktionsmittel und Luft in diesem Bereich vorgesehen.
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In
der dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform wird dies im Zusammenhang
mit der geometrischen Anordnung von Luftleitungsabschnitt 6 und
ringförmiger
Aufnahmekammer 7 bevorzugt dadurch erreicht, dass die Aufnahmekammer 7 einen ringförmigen,
zum Endbereich des Luftleitungsabschnitts 6 koaxialen Auslassspalt 8 aufweist, aus
welchem das zu dosierende Reduktionsmittel in den Leitungsabschnitt 5 übertreten
kann. Der Auslassspalt 8 ist einerseits von der äußeren Umfangslinie
der Mündung
des Luftleitungsabschnitts 6 begrenzt und andererseits
von der Innenwand des Leitungsabschnitts 5. Daher wird
das Reduktionsmittel nahezu parallel gerichtet zur Luftströmung 3 dem
Leitungsabschnitt 5 zugeführt, wodurch eine Wandablösung und
eine Verwirbelung des Reduktionsmittels weitestgehend vermieden
werden.
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Zur
Ausbildung des bevorzugt ringsum durchgängigen Reduktionsmittelwandfilms 4 zumindest
im Eingangsbereich der an den Leitungsabschnitt 5 angrenzenden
Dosierleitung 2 ist es vorteilhaft, wenn diese Bereiche
ohne Durchmessersprung ineinander übergehen. Der Übergang
ist vorzugsweise stufenlos, insbesondere annähernd gleitend bzw. kontinuierlich.
Dies gewährleistet,
dass der Wandkontakt des Reduktionsmittels beim Austritt aus der Aufnahmekammer 7 nicht
abreißt.
Ausgehend vom Leitungsabschnitt 5 als dem Zusammenführungsbereich
von Luft und Reduktionsmittel bleibt somit ein bevorzugt durchgehender
Reduktionsmittelwandfilm bis weit in die Dosierleitung 2 hinein
erhalten. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Großteil, insbesondere
mehr als 80% und besonders bevorzugt mehr als 90% des zu dosierenden
Reduktionsmittels in Form eines an die Leitungsinnenwand angelagerten
Wandfilms von der Dosiereinheit 1 abgegeben wird.
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Begünstigt wird
die Ausbildung des Wandfilms auch durch einen vergleichsweise niedrig
eingestellten Dosierdruck. Vorzugsweise ist ein Dosierdruck von
1 bar bis etwa 5 bar Überdruck
vorgesehen. Bevorzugt wird ein Dosierdruck von weniger als 3 bar
und besonders bevorzugt ein Dosierdruck von etwa 2 bar eingestellt.
Weiterhin kann zur Begünstigung
einer Wandfilm ausbildung auch ein Leitungsmaterial vorgesehen sein,
bei welchem sich vergleichsweise starke Adhäsionskräfte in Bezug auf das Reduktionsmittel
ausbilden. Im Fall eines wässrigen
Reduktionsmittels ist ein hydrophiles Material bzw. alternativ eine
hydrophile Beschichtung bevorzugt.
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Das überwiegend
in Form eines Wandfilms in die Dosierleitung 2 abgegebene
Reduktionsmittel wird von der Luftströmung 3 zum auslassseitigen Ende
der Dosierleitung 2 transportiert. Dabei kann auch ein
mehr oder weniger großer
Anteil beispielsweise durch Verdampfung oder mechanische Ablösung in
die Gasphase übertreten.
Für den
Transport des Reduktionsmittels in der Dosierleitung 2 kann
es vorteilhaft sein, wenn diese überwiegend
oder in ihrer vollen Länge
mit einem Gefälle
verlegt ist.
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Die
Vorrichtung ist prinzipiell zur Zumessung beliebiger flüssiger Medien
geeignet. Bevorzugt wird sie jedoch zur Dosierung eines Reduktionsmittels
zur Abgasnachbehandlung eingesetzt. Die Dosierung des Reduktionsmittels
durch mengenmäßig vorgebbare
und bedarfsgerechte Abgabe vom Dosierventil
9 kann kontinuierlich
oder gepulst erfolgen. Vorzugsweise liegt das Reduktionsmittel im
Ausgangszustand in Form einer wässrigen
Harnstofflösung
vor. Demzufolge wird das Reduktionsmittel bevorzugt in Abhängigkeit
von Abgaskenngrößen wie
Temperatur und Stickoxidgehalt Weise stromauf eines insbesondere
als SCR-Katalysator zur Stickoxidverminderung ausgelegten Abgaskatalysators
dem Abgas einer Brennkraftmaschine zugeführt. Eine vorteilhafte Vorgehensweise
hierfür
ist in der
DE 101
26 456 A1 beschrieben.
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Als
Brennkraftmaschine kommt insbesondere ein Kraftfahrzeug-Dieselmotor in Frage.
Zur Abgabe ins Abgas ist dabei endseitig der Dosierleitung
2 eine
in die entsprechende Abgas leitung öffnende Düse bzw. ein Injektor vorgesehen.
Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Dosierung eines beispielsweise als Dieselkraftstoff vorliegenden Brennstoffs
stromauf eines Partikelfilters ist ebenfalls möglich. Eine entsprechende Abgasanlagen
ist beispielsweise in der
DE
103 00 298 A1 beschrieben weshalb an dieser Stelle auf
eine detaillierte Beschreibung solcher Anlagen und auf deren zeichnerische
Darstellung verzichtet wird.