DE102007003120B4

DE102007003120B4 - Vorrichtung zum Einbringen eines flüssigen Stoffes in das Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007003120B4
Application number: DE102007003120.5A
Authority: DE
Inventors: Rainer Haeberer; Matthias Horn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: DE102007003120A1; WO2008086898A1; US20090217650A1

Abstract

Vorrichtung (18) zum Einbringen eines flüssigen Stoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels (24), in das Abgas einer Brennkraftmaschine (10), mit einer Einspritzvorrichtung (20), mit einer Halteeinrichtung (22), durch die die Einspritzvorrichtung (20) wenigstens mittelbar in der Nähe eines Abgaskanals (14) gehalten ist, und mit einer Kühleinrichtung (68), welche die Halteeinrichtung (22) kühlt, wobei zwischen Halteeinrichtung (22) und Einspritzvorrichtung (20) ein Zwischenabschnitt (42, 70) angeordnet ist, der zumindest bereichsweise den Wärmestrom zwischen Einspritzvorrichtung (20) und Halteeinrichtung (22) beeinflusst, wobei der Zwischenabschnitt erstens ein Kontaktelement (42) umfasst, welches zwischen Einspritzvorrichtung (20) und einem radial äußeren Bereich (34) der Halteeinrichtung (22) jeweils spielfrei angeordnet ist, mit der Einspritzvorrichtung und der Halteeinrichtung jeweils durch flächigen Kontakt thermisch verbunden ist, und aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, und wobei die Kühleinrichtung (68) einen Kühlkanal (36) umfasst, der in der Halteeinrichtung (22) angeordnet ist und von einem Kühlmedium (24) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (42) mindestens in den Kontaktbereichen (44,46) mit der Einspritzvorrichtung (20) und/oder der Halteeinrichtung (22) eine geringere Steifigkeit als die Einspritzvorrichtung (20) und/oder die Halteeinrichtung (22) aufweist, und dass der Zwischenabschnitt zweitens einen Luftspalt (70) umfasst, der zwischen Einspritzvorrichtung (20) und Halteeinrichtung (22) in einem zum Abgaskanal (14) benachbarten Bereich vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines flüssigen Stoffes in das Abgas einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 103 24 482 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Einspritzen eines flüssigen Reduktionsmittels in das Abgas einer Brennkraftmaschine. Hierzu wird das Reduktionsmittel aus einem Vorratsbehälter in eine hohle Halteeinrichtung und von dort wieder zurück zum Kraftstoffbehälter gepumpt. Über einen Abzweig fluidisch nach der Halteeinrichtung kann Reduktionsmittel einer Einspritzvorrichtung, die von der Haltevorrichtung gehalten wird, zugeführt werden. Durch die Durchströmung der Halteeinrichtung mit Reduktionsmittel wird diese gekühlt, die Halteeinrichtung umfasst also eine Kühleinrichtung.
Die DE 601 17 314 T2 beschreibt ein Abgasemissions-Steuerungssystem für eine Brennkraftmaschine. Aus der DE 199 19 426 C1 ist eine Ventilaufnahmevorrichtung für ein Dosierventil einer Abgasnachbehandlungsanlage bekannt. Die DE 10 2004 056 791 A1 beschreibt eine Abgasanlage mit einer Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in den Abgasstrang. Die EP 1 691 046 A1 offenbart ebenfalls eine Einspritzdüse zum Einspritzen eines Stoffes in das Abgas. Die GB 774 206 A beschreibt eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum. Ähnliches offenbart die DE 10 2005 006 641 A1 .
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Einbringen eines flüssigen Stoffes in das Abgas einer Brennkraftmaschine so weiter zu bilden, dass der flüssige Stoff mit hoher Präzision dosiert werden kann und gleichzeitig die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Eine weitere Lösung ist durch den nebengeordneten Patentanspruch angegeben, der ein Herstellverfahren betrifft. Für die Erfindung wichtige Merkmale sind darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung aufgeführt, wobei die Merkmale auch in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein können.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wird eine gezielte Beeinflussung des Wärmeübergangs zwischen der gekühlten Halteeinrichtung und der Einspritzvorrichtung ermöglicht, und zwar ebenso mit dem Ziel eines verbesserten Wärmeübergangs, um die Einspritzvorrichtung zu kühlen, als auch mit dem Ziel eines verringerten Wärmeübergangs, um eine Erwärmung der Einspritzvorrichtung wenigstens bereichsweise zu vermeiden. Die gezielte und möglicherweise sogar bereichsweise Beeinflussung der Temperatur der Einspritzvorrichtung wird die Einspritzvorrichtung entlastet, was zu einer höheren Lebensdauer führt. Insbesondere dann, wenn es sich bei dem flüssigen Stoff um ein Reduktionsmittel handelt, wird dieses in der Einspritzvorrichtung aufgrund der geringeren Temperaturbelastung weniger gealtert. Da übliche Reduktionsmittel in der Einspritzvorrichtung bei einer Temperatur von ungefähr 160° C in die Dampfphase übergehen, kann durch die gezielt Beeinflussung der Temperatur der Einspritzvorrichtung ein Sieden des Reduktionsmittels in der Einspritzvorrichtung und eine damit verbundene Fehldosierung vermieden werden.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, dass zwischen der vergleichsweise steifen Einspritzvorrichtung und der vergleichsweise steifen Halteeinrichtung ein weniger steifes, ja geradezu weiches Kontaktelement platziert wird, welches sich bei der Montage der Einspritzvorrichtung an der Halteeinrichtung verformt. Da das Kontaktelement eine deutlich geringere Steifigkeit als die Einspritzvorrichtung und die Halteeinrichtung aufweist, verformt sich im Wesentlichen nur das Kontaktelement, nicht jedoch die Einspritzvorrichtung oder die Halteeinrichtung. Deren Funktion bleibt also unbeeinträchtigt. Durch die Verformung des Kontaktelements kann sich dieses flächig und spielfrei an die Einspritzvorrichtung und an das Halteelement anlegen oder „anschmiegen“, so dass ein besonders guter thermischer Kontakt zwischen Einspritzvorrichtung und Kontaktelement und zwischen Kontaktelement und Halteeinrichtung geschaffen wird. Damit kann das Kontaktelement dank seiner hohen Wärmeleitfähigkeit die aus dem Abgas und dem Abgaskanal in die Einspritzvorrichtung eingeleitete Wärme mit gutem Wirkungsgrad in die Halteeinrichtung abführen.
Die Kühleinrichtung umfasst einen Kühlkanal, der in der Halteeinrichtung angeordnet ist und von einem Kühlmedium durchströmt wird. Als Kühlmedium kann Reduktionsmittel, Kühlwasser oder auch Kraftstoff verwendet werden. Eine solche Kühleinrichtung ist sehr effektiv, robust und gleichzeitig preiswert herstellbar.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des Wärmeübergangs zwischen Halteinrichtung und Einspritzvorrichtung besteht darin, dass der Zwischenabschnitt einen geringen Luftspalt umfasst. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter und ermöglicht eine gezielte bereichsweise Verringerung des Wärmeübergangs. Darüber hinaus kann der Luftspalt so gelegt und dimensioniert werden, dass die in ihm vorhandene Luft vergleichsweise kühl ist und schon allein hierdurch eine unerwünschte Erwärmung der Einspritzvorrichtung verringert.
Der geringe Luftspalt zwischen Einspritzvorrichtung und Halteeinrichtung ist in einem zum Abgaskanal benachbarten Bereich vorhanden. Dort ist eine gute Isolierung besonders wichtig, um einen Wärmeeintrag der in diesem Bereich vom Abgas besonders stark erwärmten Halteeinrichtung in die Einspritzvorrichtung zu unterbinden.
Ein Material, welches leicht und plastisch verformt werden kann und gleichzeitig eine herausragende Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist Graphit.
Eine spielfreie Verformung des Kontaktelements bei gleichzeitig geringer radialer Kontaktkraft kann erreicht werden, wenn dieses ringförmig ist und entweder das Kontaktelement oder ein zum Kontaktelement gewandter Kontaktbereich des Halteelements eine leichte Konizität aufweist.
Um den Wärmeeintrag in das Kontaktelement und die Halteeinrichtung zu minimieren, sollte zwischen Halteeinrichtung und Kontaktelement einerseits und Abgaskanal andererseits ein thermisches Isolationsmittel angeordnet sein, beispielsweise eine Keramikscheibe.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels in das Abgas;
2 eine detailliertere Darstellung der Vorrichtung von 1 in einer hierzu senkrechten Ebene; und
3 eine vergrößerte Darstellung einer Einspritzvorrichtung und einer ersten Ausführungsform einer Halteeinrichtung mit einem Kontaktelement der Vorrichtung von 1; und
4 eine Darstellung ähnlich 3 einer lediglich als technischer Hintergrund angeführten zweiten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsformen
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst Brennräume 12, in denen ein Kraftstoff/Luftgemisch verbrannt wird. Heiße Verbrennungsabgase werden aus den Brennräumen 12 durch einen Abgaskanal 14 abgeführt. In diesem ist ein Abgasnachbehandlungssystem in Form eines SCR-Katalysators 16 angeordnet. SCR bedeutet „Selective Catalytic Reduction“. Es wird in dem SCR-Katalysator 16 der Schadstoff NOx unter zu Hilfenahme von flüssigem Reduktionsmittel zu N2 und H2O reduziert. Dem SCR-Katalysator ist üblicherweise ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet, der aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 jedoch nicht dargestellt ist. Als Reduktionsmittel kann Ammoniak verwendet werden. Dabei wird das Ammoniak aus Gründen der Handhabbarkeit nicht in reiner Form, sondern in Form eines Vorproduktes zum Abgas dosiert. Als Vorprodukt kommt insbesondere eine Harnstoff-Wasserlösung in Frage.
Zu der Brennkraftmaschine 10 gehört auch eine Vorrichtung 18, mit der das Reduktionsmittel in das im Abgaskanal 14 strömende Abgas eingebracht werden kann. Die hier beschriebene Vorrichtung 18 beschränkt sich jedoch nicht auf die Zuführung einer Harnstoff-Wasserlösung, sondern kann allgemein auch in Verbindung mit anderen Reduktionsmitteln verwendet werden. Beispielsweise kann auch Kraftstoff als Reduktionsmittel zum Abgas dosiert werden. Darüber hinaus kann die Erfindung auch in Kombination mit anderen Abgas-Nachbehandlungsmaßnahmen und -systemen mit Speicherkatalysatoren und/oder Partikelfiltern verwendet werden.
Die Vorrichtung 18 umfasst eine Einspritzvorrichtung 20, beispielsweise einen Injektor, der auf noch näher darzustellende Art und Weise von einer Halteeinrichtung 22 direkt am Abgaskanal 14 gehalten ist. Durch den Injektor 20 gelangt letztlich das Reduktionsmittel, welches in den Figuren insgesamt mit 24 bezeichnet ist, in den Abgaskanal 14. Wie insbesondere aus den 2 und 3 hervorgeht, ist die Halteeinrichtung 22 ringförmig mit einer dem Abgaskanal 14 zugewandten Bodenplatte 26, in der eine Durchgangsöffnung 28 vorhanden ist, durch die ein zum Abgaskanal 14 weisendes Einspritzende 30 des Injektors 20 hindurchgeführt ist. Zwischen der Bodenplatte 26 und dem Abgaskanal 14 ist ein ringscheibenförmiges thermisches Isolationsmittel 32 angeordnet, welches beispielsweise aus Keramik hergestellt ist.
In einem radial äußeren Bereich ist die Bodenplatte 26 mit einem insgesamt rechteckigen Querschnitt aufweisenden hohlen Ringkörper 34 einstückig verbunden. Der Ringkörper 34 bildet also einen radial äußeren Bereich der Halteeinrichtung 22. Ringkörper 34 und Bodenplatte 26 sind aus einem vergleichsweise steifen Stahl hergestellt, ebenso wie der Injektor 20. Ein Hohlraum 36 im Ringkörper 34 bildet einen Ringkanal mit einem Einlass 38 und einem Auslass 40. Auf die Funktion des Ringkanals 36 wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen.
Zwischen dem Ringkörper 34 und dem Injektor 20 ist ein ringförmiges Kontaktelement 42 angeordnet. Es ist aus Graphit hergestellt und in einem leichten Presssitz zwischen dem Ringkörper 34 und dem Injektor 20 gehalten. Zu der Halteeinrichtung 22 gehört noch eine Abdeckscheibe 43, die die in den 2 und 3 obere Begrenzung der Halteeinrichtung 22 darstellt. In der in den 2 und 3 gezeigten Einbaulage liegt eine innere Mantelfläche 44 des Kontaktelements 42 flächig an einer äußeren Mantelfläche 45 des Injektors 20 an. Eine äußere Mantelfläche 46 des Kontaktelements 42 liegt in gleicher Weise flächig an einer inneren Mantelfläche 48 des Ringkörpers 34 der Halteeinrichtung 22 an. Aufgrund des Presssitzes ist das Kontaktelement 42 somit spielfrei zwischen Injektor 20 und dem Ringkörper 34 des Kontaktelements 42 aufgenommen. Der flächige und somit thermisch optimale Kontakt zwischen der inneren Mantelfläche 44 und der äußeren Mantelfläche 45 bzw. der äußeren Mantelfläche 46 und der inneren Mantelfläche 48 wird durch die im Vergleich zu Injektor 20 und Halteeinrichtung 22 vergleichsweise geringen Steifigkeit des aus Graphit hergestellten Kontaktelements 42 und durch die hierdurch bewirkte gute Verformbarkeit erzielt.
Wie man aus 3 erkennen kann, sind die äußere Mantelfläche 46 des Kontaktelements 42 sowie die innere Mantelfläche 48 des Ringkörpers 34 zueinander komplementär leicht konisch ausgebildet. Hierdurch wird die Verformung des Kontaktelements 42 und somit die Erzielung eines thermisch optimalen flächigen Kontakts begünstigt, bei gleichzeitig geringer radialer Kontaktkraft des Kontaktelements 42 auf die äußere Mantelfläche 45 des Injektors 20.
Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, wird das Reduktionsmittel 24 in einem Vorratsbehälter 50 bevorratet. Aus diesem wird es über eine Pumpe 52 zum Einlass 38 des Ringkanals 36 gefördert. Der Auslass 40 des Ringkanals 36 ist über einen Rücklauf 54 und einen Wärmetauscher 56 wiederum mit dem Vorratsbehälter 50 verbunden. Vom Rücklauf 54 zweigt eine Speiseleitung 58 ab, die zum Injektor 20 führt und in der ein Dosierventil 60 angeordnet ist.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und auch der Vorrichtung 18 zum Einbringen des Reduktionsmittels 24 in das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 62 gesteuert und geregelt. Hierzu erhält die Steuer- und Regeleinrichtung 62 Signale von verschiedenen Sensoren, von denen in den 1 und 2 beispielhaft nur einer mit dem Bezugszeichen 64 dargestellt ist. Beeinflusst wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 62 unter anderem die Leistung eines Antriebsmotors 66, der die Pumpe 52 antreibt, das elektromagnetische Dosierventil 60, und verschiedene Stelleinrichtungen der Brennkraftmaschine 10, beispielsweise Injektoren, mit denen der Kraftstoff direkt in die Brennräume 12 eingespritzt wird.
Die Vorrichtung 18 arbeitet folgendermaßen: Von der Pumpe 52 wird das Reduktionsmittel 24 über den Einlass 38 in den Ringkanal 36 gepumpt. Da das aus dem Vorratsbehälter 50 kommende Reduktionsmittel 24 vergleichsweise kalt ist, wird hierdurch der Ringkörper 34 gekühlt. Der Ringkanal 36 und der Ringkörper 34 bilden insoweit eine Kühleinrichtung 68. Über den Auslass 40 und den Rücklauf 54 gelangt zumindest ein Teil des in der Kühleinrichtung 68 erwärmten Reduktionsmittels 24 zum Wärmetauscher 56, wo es wieder abgekühlt wird, bevor es in den Vorratsbehälter 50 zurückgelangt. Abhängig von der Ansteuerung des elektromagnetischen Dosierventils 60 wird jedoch ein Teil des im Rücklauf 54 strömenden Reduktionsmittels 24 über die Speiseleitung 58 zum Injektor 20 geführt und in den Abgaskanal 14 eingespritzt.
Aufgrund der Wärme des im Abgaskanal 14 strömenden Abgases erwärmt sich auch der Abgaskanal 14 selbst. Eine Übertragung diese Wärme an den Injektor 20 wird jedoch durch das thermische Isolationsmittel 32 wirkungsvoll reduziert. Dazuhin wird Wärme vom Injektor 20 über das Kontaktelement 42 in den Ringkörper 34 und von dort in das im Ringkanal 36 strömende Reduktionsmittel 24, welches insoweit also ein Kühlmedium darstellt, abgeleitet.
Hergestellt wird die Vorrichtung 18, in dem das Kontaktelement 42 bei der Montage des Injektors 20 an der Halteeinrichtung 22 stärker als der Injektor 20 und so verformt wird, dass es flächig und spielfrei mit dem Injektor 20 und der Halteeinrichtung 22 in Kontakt kommt.
Aus 3 ist auch ersichtlich, dass die Durchgangsöffnung 28 in der Bodenplatte 26 der Halteeinrichtung 22 einen etwas größeren Durchmesser aufweist als das Einspritzende 30 des Injektors 20. Zwischen Bodenplatte 26 und Injektor 20 ist also ein Spalt 70 vorhanden, durch den ein Wärmeeintrag in die Bodenplatte 26 reduziert wird.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Mantelfläche 46 des Kontaktelements 42 und die Mantelfläche 48 des Ringkörpers 34 komplementär konisch ausgeführt. Möglich ist aber auch, dass nur eine der beiden Mantelflächen konisch ist, entweder jene des Kontaktelements 42 oder des Ringkörpers 34.
Eine weitere Ausführungsform einer Halteeinrichtung ist in 4 gezeigt, Dabei gilt hier wie nachfolgend, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen aufweisen zu vorab beschriebenen Elementen und bereichen, die gleichen Bezugszeichen aufweisen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
Die Ausführungsform von 4 verfügt nicht über ein Kontaktelement zur Verbesserung der Wärmeabfuhr vom Injektor 20 in die Halteeinrichtung 22, sondern über einen deutlichen Spalt 70, der einen Wärmeeintrag von der Halteeinrichtung 22 in den Injektor 20 reduziert. Der Spalt erstreckt sich dabei über die Länge des gesamten Einspritzendes 30 hinweg. In dem Spalt 70 ist vergleichsweise kühle Luft vorhanden. Auf ein Wärmeisolationsmittel zwischen Abgaskanal 14 und Halteeinrichtung 22 kann dann gegebenenfalls verzichtet werden.

Claims

Vorrichtung (18) zum Einbringen eines flüssigen Stoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels (24), in das Abgas einer Brennkraftmaschine (10), mit einer Einspritzvorrichtung (20), mit einer Halteeinrichtung (22), durch die die Einspritzvorrichtung (20) wenigstens mittelbar in der Nähe eines Abgaskanals (14) gehalten ist, und mit einer Kühleinrichtung (68), welche die Halteeinrichtung (22) kühlt, wobei zwischen Halteeinrichtung (22) und Einspritzvorrichtung (20) ein Zwischenabschnitt (42, 70) angeordnet ist, der zumindest bereichsweise den Wärmestrom zwischen Einspritzvorrichtung (20) und Halteeinrichtung (22) beeinflusst, wobei der Zwischenabschnitt erstens ein Kontaktelement (42) umfasst, welches zwischen Einspritzvorrichtung (20) und einem radial äußeren Bereich (34) der Halteeinrichtung (22) jeweils spielfrei angeordnet ist, mit der Einspritzvorrichtung und der Halteeinrichtung jeweils durch flächigen Kontakt thermisch verbunden ist, und aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, und wobei die Kühleinrichtung (68) einen Kühlkanal (36) umfasst, der in der Halteeinrichtung (22) angeordnet ist und von einem Kühlmedium (24) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (42) mindestens in den Kontaktbereichen (44,46) mit der Einspritzvorrichtung (20) und/oder der Halteeinrichtung (22) eine geringere Steifigkeit als die Einspritzvorrichtung (20) und/oder die Halteeinrichtung (22) aufweist, und dass der Zwischenabschnitt zweitens einen Luftspalt (70) umfasst, der zwischen Einspritzvorrichtung (20) und Halteeinrichtung (22) in einem zum Abgaskanal (14) benachbarten Bereich vorhanden ist.
Vorrichtung (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Kontaktelements (42) Graphit umfasst.
Vorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (42) ringförmig mit mindestens bereichsweise leichter Konizität ist.
Vorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Kontaktelement (42) gewandter Kontaktbereich (48) des Halteelements (22) eine leichte Konizität aufweist.
Vorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Halteeinrichtung (22) und Kontaktelement (42) einerseits und Abgaskanal (14) andererseits ein thermisches Isolationsmittel (32) angeordnet ist.