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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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Aus der
DE 10 2007 000 538 A1 ist ein Abgasreinigungsgerät mit einer Harnstofflösungspumpe und einem Harnstofflösungszugabeventil vorbekannt.
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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 (ausschiebender) 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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Dabei 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 Reduction) 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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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Dosiervorrichtung und
- 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.
