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Die
Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum dosierten Einspritzen
von Abgasnachbehandlungsmittel in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Dosierpumpe.
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Stand der Technik
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Eine
derartige Dosiereinrichtung ist für ein System zur Emissionsminderung
bei Verbrennungsmotoren bekannt, welches ein zusätzliches
Abgasnachbehandlungsmittel benötigt. Dieses Abgasnachbehandlungsmittel
wird in dosierter Menge mit einer Einspritzdüse fein verstäubt
in die Abgasanlage eingespritzt. Zur Dosierung und Förderung
des Abgasnachbehandlungsmittels zur Einspritzdüse wird
eine Dosierpumpe verwendet. Diese Dosierpumpe ist auf ihrer Druckseite über
ein Rückschlagventil mit der Einspritzdüse verbunden.
Das Rückschlagventil sorgt dafür, dass der Druck
in der Einspritzdüse nach dem Ende eines Einspritzvorgangs
auf einem vorgebbaren Niveau gehalten wird und nicht zu stark absinkt.
Als Dosierpumpe wird beispielsweise eine Flügelzellenpumpe
verwendet, die für jeden Arbeitszyklus einen definierten
Pumpenarbeitsraum aufweist.
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Aus
der
DE 10 2004
050 023 A1 geht eine Dosiervorrichtung hervor, die zur
Förderung und Dosierung eines Reduktionsmittels eine Dosierpumpe besitzt,
die auf ihrer Druck- sowie Ansaugseite jeweils ein Rückschlagventil
aufweist. Diese Dosierpumpe ist ansaugseitig über ein Rückschlagventil
mit einem Vorratsbehälter und auf ihrer Druckseite über ein
weiteres Rückschlagventil mit der Einspritzdüse verbunden.
Während das druckseitige Rückschlagventil sicher
stellt, dass die Zerstäubung beim Einspritzen mit hohem
Druck erfolgt und somit hinreichend fein ist, sorgt das ansaugseitige,
weitere Rückschlagventil dafür, dass kein Abgasnachbehandlungsmittel
aus der Dosierpumpe zurück in eine Ansaugleitung und/oder
den Vorratsbehälter gelangen kann. Um den Druck in einer
Druckleitung zwischen dem Dosierventil und der Einspritzdüse
nach Beendigung eines Einspritzzyklus möglichst schnell
abzubauen, ist die Druckleitung zwischen dem Rückschlagventil
und der Einspritzdüse über eine eine Druckentlastungseinrichtung
enthaltende Druckentlastungsleitung mit dem Pumpenarbeitsraum der
Dosierpumpe verbunden. Diese Druckentlastungseinrichtung ermöglicht
im Saughub der Pumpe ein selbsttätiges Verschieben eines
kleinen Volumens aus der Druckleitung in Richtung des Pumpenarbeitsraums,
wodurch der Druck in der Druckleitung rasch abgesenkt wird. Bei
einer derartigen Dosiervorrichtung müssen Druckentlastungseinrichtung
und weiteres Rückschlagventil genau aufeinander abgestimmt
sein, was zu einer kostenintensiven Lösung führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung ist vorgesehen,
dass die Dosierpumpe auf ihrer Druckseite ventilfrei mit einer Einspritzdüse
verbunden ist. Dabei beziehen sich die Angaben ansaugseitig und
druckseitig, beziehungsweise „auf der Ansaugseite" und „auf
der Druckseite", immer auf einen Pumpenarbeitsraum der Dosierpumpe
zum Fördern des Abgasnachbehandlungsmittels. Die ventilfreie Verbindung
zwischen dem Pumpenarbeitsraum der Dosierpumpe und der Einspritzdüse
erlaubt einen raschen Druckabbau auf der Druckseite, wenn ein fördernder
(gusschiebender) Pumpzyklus eines Kolbens oder Verdrängers
der Dosierpumpe endet. Zu diesem Zeitpunkt überwiegt der
Druck in der Druckleitung gegenüber dem Druck im Pumpenarbeitsraum
und ein geringes Volumen des Abgasnachbehandlungsmittels gelangt
aus einem druckseitigen Bereich in den Pumpenarbeitsraum bevor ein
nächster Pumpzyklus beginnt. Durch die erfindungsgemäße
Dosierpumpe wird mit wenig Aufwand und geringen Kosten erreicht,
dass nach jedem Einspritzen eine schnelle Absenkung des Drucks auf
der Druckseite des Dosierventils erfolgt. Insbesondere ist vorgesehen,
dass die Dosierpumpe über eine Druckleitung mit der Einspritzdüse
verbunden ist. Somit erfolgt nach jeder Einspritzung eine schnelle
Druckabsenkung in der Druckleitung und der Einspritzdüse. Mit
Hilfe dieser Druckabsenkung wird ein Nachtropfen und die Entstehung
großer Tropfen am Austritt der Einspritzdüse vermieden.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass die Dosierpumpe auf ihrer Ansaugseite ein Rückschlagventil
aufweist. Dieses ansaugseitige Rückschlagventil ist insbesondere
bei Dosierpumpen vorgesehen, deren Kolben oder Verdränger
Pump- und Ansaugbewegungen durchführen. Die ventilfreie
Verbindung zwischen dem Pumpenarbeitsraum der Dosierpumpe und der
Einspritzdüse erlaubt einen raschen Druckabbau auf der
Druckseite, wenn die fördernde (ausschiebende) Pumpbewegung
des Kolbens oder Verdrängers der Dosierpumpe endet und
die Ansaugbewegung des Kolbens oder Verdrängers beginnt.
Zu diesem Zeitpunkt überwiegt der Druck in der Druckleitung
gegenüber dem Druck im Pumpenarbeitsraum und ein geringes
Volumen des Abgasnachbehandlungsmittels gelangt aus einem druckseitigen
Bereich in den Pumpenarbeitsraum bevor das Rückschlagventil öffnet
und der Pumpenarbeitsraum mit „frischem" ansaugseitigem
Abgasnachbehandlungsmittel gefüllt wird.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Einspritzdüse als druckgesteuerte
Einspritzdüse ausgebildet ist. Die druckgesteuerte Einspritzdüse
spritzt das Abgasnachbehandlungsmittel nur bei Erreichen eines Drucks
innerhalb der Einspritzdüse beziehungsweise der mit der
Einspritzdüse verbundenen Druckleitung oberhalb eines vorgegebenen
Druckniveaus in das Abgassystem ein und schließt bei geringerem
Druck an ihrem Düsenkopf. Durch den Druck oberhalb dieses
Druckniveaus wird das Abgasnachbehandlungsmittel hinreichend fein
zerstäubt eingespritzt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dosierpumpe
eine Kolbenpumpe oder eine Membranpumpe ist. Bei Kolben- und/oder
Membranpumpen ergibt sich eine Hin- und Herbewegung des Verdrängers
oder Kolbens und es findet ein abwechselndes Ansaugen und Ausschieben
statt. Beim Ausschieben sorgt das ansaugseitige Rückschlagventil
für ein ausschließlich druckseitiges Ausschieben
in die die Dosierpumpe mit dem Einspritzventil verbindende Druckleitung.
Beim anschließenden Ansaugen wird der Druck im Pumpenarbeitsraum
schlagartig abgebaut. Da der Pumpenarbeitsraum ohne Ventil bis zur
Einspritzdüse verbunden ist, setzt sich diese schlagartige
Druckreduzierung bis zur Einspritzdüse fort. Hierdurch
schließt die Düse sofort und dichtet bei Ausbildung
als druckgesteuerte Pumpe zur Abgasanlage hin ab. Sobald der Druck
im Pumpenarbeitsraum unter den Druck in der Saugleitung gefallen
ist, öffnet das ansaugseitig angeordnete Rückschlagventil
und der Pumpenarbeitsraum wird erneut befüllt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Dosierpumpe eine elektromagnetisch betätigbare
Dosierpumpe ist. Dabei wird insbesondere ein Kolben oder eine Membran
der Dosierpumpe mittels eines Elektromagneten zur Erzeugung der
Ansaug- und Ausschiebebewegung hin- und herbewegt.
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Weiterhin
ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungsmittel
ein Reduktionsmittel ist. Zur Entstickung des Abgases von Verbrennungsmotoren,
insbesondere von Dieselmotoren, wird Reduktionsmittel dosiert in
das Abgas der Abgasanlage des Verbrennungsmotors gegeben. Dazu ist
in der Abgasanlage zum Beispiel ein Katalysator zur selektiven katalytischen
Reduktion (SCR-Katalysator: Selective Catalytic Reduktion) und ein
vor dem SCR-Katalysator angeordneter Oxidationskatalysator angeordnet.
Im Oxidationskatalysator werden Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxyd
(CO) und ein Teil der Stickoxyde (NOx) zu Kohlendioxyd (CO2), Wasser (H2O)
und Stickstoffdioxyd (NO2) oxidiert. Vor dem
SCR-Katalysator wird mit der Einspritzdüse der Dosiervorrichtung
Reduktionsmittel in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingedüst.
Unter dem Einfluss von Wärme bildet sich Ammoniak und die
Stickoxyde werden in Stickstoff und Wasserdampf umgewandelt.
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Weiterhin
ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Reduktionsmittel eine wässrige
Harnstofflösung oder Kohlenwasserstoff ist. Vor dem SCR-Katalysator
wird mit der Einspritzdüse der Dosiervorrichtung eine wässrige
Harnstofflösung (Handelsname: AdBlue) in den Abgasstrom
eingespritzt. Zur Erhöhung der Temperatur im Abgastrakt
wird zum Beispiel vor dem Oxidationskatalysator Kohlenwasserstoff
(HC) eingespritzt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Dosiervorrichtung und
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2 eine
Schnittdarstellung durch die Dosierpumpe der Dosiervorrichtung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Dosiervorrichtung 1 zum
dosierten Einspritzen von Abgasnachbehandlungsmittel in eine Abgasanlage 2 eines
nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Dosiervorrichtung 1 weist
eine Dosierpumpe 3 auf, die an ihrer Ansaugseite 4 ein
in der 2 dargestelltes Rückschlagventil 5 aufweist.
Das Rückschlagventil 5 der Dosierpumpe 3 ist
an einem Ende 6 einer Saugleitung 7 angeschlossen.
Ein dem Ende 6 gegenüberliegendes Ende 8 der
Saugleitung 7 ist an einen Vorratsbehälter 9 angeschlossen,
in dem sich ein Vorrat an Abgasnachbehandlungsmittel befindet. An der
Druckseite 10 der Dosierpumpe 3 ist ein Ende 11 einer
Druckleitung 12 angeschlossen, an deren dem Ende 11 gegenüberliegenden
zweiten Ende 13 eine als druckgesteuerte Einspritzdüse 14' ausgebildete Einspritzdüse 14 angeschlossen
ist. Die druckgesteuerte Einspritzdüse 14' spritzt
das von der Dosierpumpe 3 geförderte Abgasnachbehandlungsmittel
in einem fein zerstäubenden, aufgefächerten Strahl (Pfeile 15)
in eine Abgasleitung 16 der Abgasanlage 2. Somit
gelangt das Abgasnachbehandlungsmittel in der Abgasleitung 16 in
einen Abgasstrom (Pfeil 17) des nicht dargestellten Verbrennungsmotors.
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Es
ergibt sich folgende Funktion der Dosiervorrichtung 1:
Die Dosierpumpe 3 saugt flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel
aus dem Vorratsbehälter 9 durch de Saugleitung 7 an.
Dabei ist die Dosierpumpe 3 gleichzeitig Förder-
und Dosiereinheit der Dosiervorrichtung 1. Nach Beendigung
des Ansaughubs (Ansaugzyklus) fördert die Dosierpumpe 3 das
Abgasnachbehandlungsmittel zu einem vorgebbaren Zeitpunkt durch
die Druckleitung 12 zu der Einspritzdüse 14.
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Die
Einspritzdüse 14 selbst hat keine Dosierfunktion,
legt jedoch als druckgesteuerte Einspritzdüse 14' das
Druckniveau fest, bei dem eine Einspritzung in die Abgasanlage 2 erfolgt.
Die Dosierpumpe 3 wird von einem nicht dargestellten Steuergerät
angesteuert, das in Abhängigkeit von Abgaswerten und/oder
Motorbetriebsparametern die Arbeitsfrequenz der Dosierpumpe 3 und
damit die geförderte Menge Abgasnachbehandlungsmittel festlegt.
Ein Einspritzen von Abgasnachbehandlungsmittel in die Abgasanlage 2 erfolgt
in Abhängigkeit von einem durch die druckgesteuerte Einspritzdüse 14' vorgegebenen
druckseitigen Druckniveau. Durch diesen vom Druckniveau bestimmten
Mindesteinspritzdruck ergibt sich ein besonders feines Zerstäuben
(Pfeile 15) im Abgasstrom (Pfeils 17) des Verbrennungsmotors.
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Die 2 zeigt
eine Ausführungsform der Dosierpumpe 3 als elektromagnetisch
betätigbare Dosierpumpe 18. Die Dosierpumpe 3 ist
dazu als Kolbenpumpe 19 ausgebildet. Die elektromagnetisch betätigbare
Dosierpumpe 18 wird elektrisch angesteuert und weist hierzu
einen Magnetanker 20 und eine Magnetspule 21 auf.
Eine Rückstellfeder 22 dient zur Positionierung
des Magnetankers 20 in seine Ausgangsposition. Bei Bestromung
der Magnetspule 21 verschiebt sich ein mit dem Magnetanker 20 verbundener
Kolben 23 in Richtung der Druckseite 10 entlang
einer Längsachse 24 und verändert dabei das
Volumen eines Pumpenarbeitsraums 25 der Dosierpumpe 3.
Quer zur Längsachse 24 schließt sich auf
einer Seite 26 die Ansaugseite 4 der Dosierpumpe 3 an.
Auf dieser Ansaugseite 4 grenzt das Rückschlagventil 5 unmittelbar
an den Pumpenarbeitsraum 25. Auf der dem Pumpenarbeitsraum 25 gegenüberliegenden
Seite des Rückschlagventils 5 befindet sich ein
Sauganschluss 27 zum Anschluss der Saugleitung 7.
Auf der Druckseite 10 schließt sich unmittelbar
an den Pumpenarbeitsraum 25 ein Druckanschluss 28 zum
Anschluss der Druckleitung 12 an.
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Es
ergibt sich folgende Funktion der Dosierpumpe 3: Wird der
Magnetanker 20 in die Magnetspule 21 gezogen,
so verschiebt sich der Kolben 23 in Richtung der Druckseite 10 entlang
der Längsachse 24 und verkleinert den Pumpenarbeitsraum 25. Durch
die Verkleinerung des Pumpenarbeitsraums erhöht sich der
Druck und das Rückschlagventil verschließt die
Ansaugseite 4 der Dosierpumpe 3. Durch das Schließen
des Rückschlagventils 5 wird ein Zurückfließen
des Abgasnachbehandlungsmittels aus dem Pumpenarbeitsraum 25 in
die Saugleitung 7 verhindert. Durch den Hub des Kolbens 23 wird
der Druck im Pumpenarbeitsraum 25 und im ansaugseitigen
Bereich (Druckanschluss 28, Druckleitung 12 und
Einspritzdüse 14) erhöht. Übersteigt
der Druck das Druckniveau der als druckgesteuerte Einspritzdüse 14' ausgebildeten
Einspritzdüse 14, so öffnet diese und
die Einspritzung in die Abgasanlage 2 beginnt. Beim Rückhub
(Saughub) des Kolbens 23 wird der Pumpenarbeitsraum 25 vergrößert
und der Druck im Pumpenarbeitsraum 25 wird schlagartig
abgebaut. Da der Pumpenarbeitsraum 25 über die
Druckleitung 12 ventilfrei mit der Einspritzdüse 14 verbunden
ist, setzt sich diese schlagartige Druckreduzierung bis zur Einspritzdüse 14 fort.
Dadurch wird das Einspritzen sofort unterbunden. Ist die Einspritzdüse 14 als
druckgesteuerte Einspritzdüse 14' ausgebildet,
schließt diese bei dem Druckabfall sofort und dichtet zusätzlich
zur Abgasanlage hin ab. Somit wird ein Nachtropfen und die Entstehung
großer Tropfen sicher vermieden. Sobald der Druck im Pumpenarbeitsraum 25 unter
den Druck auf der Ansaugseite 4, insbesondere in der Saugleitung 7,
abgesunken ist, öffnet das Rückschlagventil 5 und
der Pumpenarbeitsraum 25 wird erneut mit ansaugseitigem, „frischem"
Abgasnachbehandlungsmittel befüllt.
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Der
Vorzug dieser Dosiervorrichtung 1 besteht darin, dass die
Dosiervorrichtung 1 besonders kostengünstig ist.
Zum schnellen Druckabbau beim Rückhub werden keine zusätzlichen
Bauteile benötigt und ein druckseitiges Ventil, insbesondere
Rückschlagventil, wird nicht benötigt. Weiterhin
ist die Druckabsenkung besonders schnell wirkend, da der Pumpenarbeitsraum 25 direkt
mit der Einspritzdüse 14 verbunden ist und keine
Zwischenventile geschaltet werden müssen.
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Das
verwendete Abgasnachbehandlungsmittel ist beispielsweise ein Reduktionsmittel,
insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, die
zur Entstickung des Abgases von Dieselmotoren in die Abgasleitung 16 vor
einem SCR-Katalysator in den Abgasstrom (Pfeil 17) der
Abgasanlage 2 gegeben wird. Am SCR-Katalysator wird aus
dem Harnstoff Ammoniak gewonnen, welcher an dem SCR-Katalysator selektiv
mit den im Abgas enthaltenen Stickoxyden (NOx) zu molekularem Stickstoff
und Wasser reagiert. Alternativ oder zusätzlich ist eine
Dosiervorrichtung 1 vorgesehen, die Kohlenwasserstoffe
(HC) vor oder in einen Oxydationskatalysator in die Abgasanlage
einspritzt. Durch das gezielte Einspritzen von Kohlenwasserstoffen
kann die Betriebstemperatur in der Abgasanlage 2 oder Komponenten
der Abgasanlage 2 erhöht werden. Dies ist zum
Beispiel zur Regeneration von Komponenten wie zum Beispiel einem
Partikelfilter von Zeit zu Zeit nötig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004050023
A1 [0003]