DE102007020965A1

DE102007020965A1 - Vorrichtung zum dosierten Einspritzen von einem Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch in einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE102007020965A1
Application number: DE102007020965A
Authority: DE
Inventors: Markus Wohlesser; Markus Foetschl; Franz Lackner; Christian Winkler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06
Also published as: WO2008135332A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dosierten Einspritzen von einem Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mischkammer, in die Luft über eine Druckluftleitung und Abgasnachbehandlungsmittel über eine Zuführung eingebracht werden. Es ist vorgesehen, dass die Druckleitung (10) über ein Anschlusselement (15) aus einem Material mit niedriger Oberflächenspannung an die Mischkammer (5) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dosierten Einspritzen von einem Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mischkammer, in die Luft über eine Druckluftleitung und Abgasnachbehandlungsmittel über eine Zuführung eingebracht werden.
Stand der Technik
Eine derartige Vorrichtung zum dosierten Einspritzen von einem Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch ist zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung zur Minderung der Stickoxydemissionen eines Dieselmotors mittels SCR-Katalysator (SCR: Selective Katalytic Reduction) bekannt. Das Abgasnachbehandlungsmittel des Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisches ist eine wässrige Harnstofflösung (Handelsname: AdBlue). Die wässrige Harnstoffstofflösung wird in einem Vorratsgefäß gelagert und einer Mischkammer über eine Zuführung zugeführt. In der Mischkammer wird die wässrige Harnstofflösung mit Luft, die über eine Druckluftleitung eingebracht wird, gemischt und anschließend mittels eines Sprüh- oder Zerstäuberrohres vor dem SCR-Katalysator in die Abgasanlage eingespritzt. Unter dem Einfluss der Wärme des Abgases bildet sich Ammoniak, der im SCR-Katalysator die Stickoxyde (NO_x) im Abgas in Stickstoff und Wasserdampf umwandelt.
Beim Einbringen der wässrigen Harnstofflösung in die Mischkammer kommt es zu einer Kristallisation von Resten der eingebrachten Harnstofflösung. Die Kristallisation bewirkt diverse Rückkopplungen. Entstehende Kristalle „wandern" in die Druckluftleitung und blockiert diese im Extremfall. Die Kristallisation verursacht weiterhin einen Druckanstieg in der Zuführung der wässrigen Harnstofflösung, zum Beispiel zwischen einem Fördermodul und einem Dosiermodul. Durch die Kristallisation kommt es im schlimmsten Fall zu einer Durchflussabnahme in der Druckluftleitung und somit zur Zunahme der Dosiermenge, also einer Fehldosierung, die zu einem Stickoxydbeziehungsweise Ammoniak-Schlupf im Abgas führt.
Offenbarung der Erfindung
Zur Vermeidung von Kristallisation im Bereich der Mischkammer ist vorgesehen, dass die Druckluftleitung über ein Anschlusselement aus einem Material mit niedriger Oberflächenspannung an die Mischkammer angeschlossen ist. Dabei besteht das Anschlusselement vollständig aus diesem Material oder weist zumindest an den Teilen seiner Oberfläche, die mit der Luft aus der Druckluftleitung und/oder dem Abgasnachbehandlungsmittel in Verbindung kommen können, ein Material mit niedriger Oberflächenspannung auf. Das Material des Anschlusselements weist insbesondere eine niedrigere Oberflächenspannung auf, als das Material der Druckluftleitung und/oder die Wände der Mischkammer. Aufgrund der niedrigen Oberflächenspannung des Materials können die bei der Kristallisation entstehenden Kristalle nicht an der Oberfläche des Anschlusselements haften bleiben. Die Kristalle werden mit dem Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch aus der Mischkammer in Richtung eines Einspritzelements zum Einspritzen des Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisches in die Abgasanlage, wie zum Beispiel eines Sprührohrs, fortgespült.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anschlusselement eine glatte Innenoberfläche aufweist. Die Innenoberfläche ist ein Teil oder der Teil der Oberfläche des Anschlusselements, der mit der Luft aus der Druckluftleitung und/oder dem Abgasnachbehandlungsmittel in Verbindung kommen kann. Eine glatte Innenoberfläche bietet Kristallisationskeimen, an denen sich Kristall bilden, keinen Halt. Unter einer glatten Innenoberfläche ist eine Innenoberfläche mit einer geringen Rauhigkeit zu verstehen. Die Rauhigkeit ist insbesondere geringer als die Rauhigkeit der Innenoberfläche der Druckluftleitung und oder der Wände der Mischkammer.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material des Anschlusselements Kunststoff ist. Dieser Kunststoff ist ein Kunststoff mit niedriger Oberflächenspannung. Insbesondere ist aus diesem Kunststoff die glatte Innenoberfläche hergestellt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Material des Anschlusselements Polytetrafluorethylen (PTFE), insbesondere Teflon, ist. Polytetrafluorethylen, gelegentlich auch Polytetrafluorethen genannt, ist ein vollfluoriertes Polymer. Umgangssprachlich wird dieser Kunststoff mit dem Handelsnamen Teflon bezeichnet. Polytetrafluorethylen besitzt eine extrem niedrige Oberflächenspannung, sodass nahezu kein Material existiert, das an Politetrafluorethylen haften bleibt. Weiterhin hat Polytetrafluorethylen einen sehr geringen Reibungskoeffizienten und einen Temperatureinsatzbereich, der höher ist als bei anderen Kunststoffen, ist sehr reaktionsträge und beständig gegen aggressive Substanzen wie zum Beispiel Säuren, Basen, Alkohole, Ketone, Benzine und Öle. Ein Anschlusselement aus Polytetrafluorethylen, beziehungsweise mit einer Oberfläche aus Polytetrafluorethylen, weist eine, in der Größenordnung von Kristallisationskeimen, glatte Oberfläche auf.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungsmittel eine wässrige Harnstofflösung, insbesondere AdBlue, ist. Eine wässrige Harnstofflösung ist ein Abgasnachbehandlungsmittel, dessen Reste beim Verdampfen Kristalle bildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anschlusselement mit einem Teilstück in die Mischkammer hineinragt. Durch das Hineinragen des Teilstückes bleibt dieses auch längere Zeit nach dem Eindosieren der wässrigen Harnstofflösung feucht, sodass sich an der Oberfläche gebildete Kristalle, insbesondere durch eine Unterspülung der Kristalle, gelöste werden. Das Teilstück ragt so in die Mischkammer hinein, dass eine Symmetrieachse der Zuführung des Abgasnachbehandlungsmittels in die Mischkammer nicht überragt wird. Ein Abgasnachbehandlungsmittel-Sprühstrahl aus der Zuführung, insbesondere einem Dosierventil der Zuführung, trifft somit nicht direkt auf das Teilstück des Anschlusselements.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anschlusselement ein Schlauch, insbesondere eine Schlauchtülle, ist. Der Schlauch ist vorzugsweise ein Schlauch aus Polytetrafluorethylen (Teflonschlauch).
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser des Anschlusselements 0,5 bis 2 mm, insbesondere 2 mm groß ist. Das Anschlusselement ist vorzugsweise eine Schlauchtülle aus PTFE mit einem Außendurchmesser von 4 mm und einem Innendurchmesser von 2 mm.
Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Anschlusselement stromaufwärts bis zu einem Rückschlagventil verläuft. Vorzugweise ist das Anschlusselement und das vorgeschaltete Rückschlagventil (ungefähr 0,15 bar) in einem, die Mischkammer aufweisenden, vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Haltekörper eingebaut. Der Sprühstrahl der Zuführung und eine Symmetrieachse, die die Strömungsrichtung der Druckluft im Anschlusselement vorgibt, bilden insbesondere einen Winkel von 45°.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles. Es zeigt:
1 ein vereinfachtes Funktionsschema einer Vorrichtung zum dosierten Einspritzen eines Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisches in einer Abgasanlage und
2 eine Mischkammer der in 1 gezeigten Vorrichtung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die 1 zeigt ein Funktionsschema einer Vorrichtung 1 zum dosierten Einspritzen eines Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisches eine Abgasanlage 2 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung 1 weist ein Dosiermodul 3 mit einem Haltekörper 4 auf, in dem eine Mischkammer 5 ausgebildet ist. In der Mischkammer 5 wird ein Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch, das über ein Sprührohr 6 einer dem Dosiermodul 3 nachgeschalteten Einspritzeinrichtung 7 in den Abgasstrom (Pfeil 8) der Abgasanlage 2 eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt in Richtung des Abgasstroms (Pfeil 8) vor einem SCR-Katalysator 9 der Abgasanlage 2. Die beiden Komponenten des Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisches werden dem Dosiermodul 3 auf zwei unterschiedlichen Pfaden, einer Druckluftleitung 10 für die Luft und einer Zuführung 11 für das Abgasnachbehandlungsmittel, mittels eines Fördermoduls 11' in die Mischkammer 4 eingebracht. Der Pfad der Luft führt von einem mit Druck beaufschlagten Luftvorratsbehälter 12 über die Druckluftleitung 10 und einem in der Druckluftleitung 10 angeordneten Luftregelventil 13 zu einem im Haltekörper 4 angeordneten Rückschlagventil 14, an das sich unmittelbar ein Anschlusselement 15 zum Anschluss der Druckluftleitung 10 an die Mischkammer 5 anschließt. Im Pfad des Abgasnachbehandlungsmittels wird das Abgasnachbehandlungsmittel, getrieben von einer als Membranpumpe 16 ausgebildeten Förderpumpe 17, über eine Saugleitung 18 aus einem Vorratsbehälter 19 gesaugt und über eine Druckleitung 20 einem Dosierventil 21 des Dosiermoduls 3 zuführt, dass das Abgasnachbehandlungsmittel dosiert in die nachgeschaltete Mischkammer 5 eindosiert. Zur Entlüftung ist die Druckleitung 20 über eine Entlüftungsleitung 22 mit dem Vorratsbehälter 19 für das Abgasnachbehandlungsmittel verbunden. In der Entlüftungsleitung 22 ist ein Entlüftungsventil 22' angeordnet. Das Luftregelventil 13, die Förderpumpe 17 und das Dosierventil 21 werden von einem Steuergerät 23 angesteuert. Dazu ist das Luftregelventil 13 über eine erste Steuerleitung 24, die Förderpumpe 17 über seine zweite Steuerleitung 25 und das Dosierventil 21 über eine dritte Steuerleitung 26 mit dem Steuergerät 23 verbunden.
Es ergibt sich folgende Funktion der Vorrichtung 1 zum dosierten Einspritzen von Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch in die Abgasanlage 2 des Verbrennungsmotors: Zum dosierten Einspritzen eines Gemisches aus Luft und einer wässrigen Harnstofflösung als Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch in die Abgasanlage 2 wird Luft über die Druckluftleitung 10 aus dem Luftvorratsbehälter 12 und wässrige Harnstofflösung als Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Vorratsbehälter 19 über die Zuführung 11 in die Mischkammer 5 des Dosiermoduls 3 eingebracht. Dort werden beide Komponenten miteinander vermischt und anschließend über das Sprührohr 6 der Einspritzeinrichtung 7 in den Abgasstrom (Pfeil 8) der Abgasanlage 2 eingespritzt. Um eine Kristallisation des Harnstoffes in der Mischkammer 4 und der Druckluftleitung 10 zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, ist die Duckluftleitung 10 mit dem Rückschlagventil 14 über ein Anschlusselement 15 aus einem Material mit niedriger Oberflächenspannung an die Mischkammer 5 angeschlossen. Das Anschlusselement 15 wirkt als unüberwindbare Barriere für die Kristalle auf ihrem Weg von der Mischkammer 5 in die Druckluftleitung 10.
Die 2 zeigt das Dosiermodul 3 im Bereich des aus Kunststoff bestehenden Haltekörpers 4 mit der im Haltekörper 4 ausgebildeten Mischkammer 5 im Detail. Im Pfad der Luft ist die nicht dargestellte Druckluftleitung 10 über eine Anschlusseinrichtung 27 an das im Haltekörper 4 eingebaute Rückschlagventil 14 angeschlossen. Das Rückschlagventil 14 ist entweder als Tellerventil mit Federvorspannung oder als Ventsil ausgebildet. Zwischen dem Rückschlagventil 14 und der Mischkammer 5 ist das als Schlauchtülle 28 ausgebildete Anschlusselement 15 angeordnet. Die Schlauchtülle 28 besteht aus Polytetrafluorethylen. Sie hat bei einem Außendurchmesser von 4 mm einen Innendurchmesser von 2 mm. Die Schlauchtülle 28 ragt mit ihrem Teilstück 29 in die Mischkammer 5 hinein. Dabei ragt das Teilstück 29 nur so weit in die Mischkammer 5 hinein, dass sie eine Symmetrieachse 30 des Austrittskanals des Dosierventils 21 nicht überragt. Im Der Austrittskanal verläuft entlang der Symmetrieachse 30. Es ergibt sich ein in etwa gerader Sprühstrahl entlang der Symmetrieachse 30. Die Symmetrieachse 30 und eine Achse 31 der Schlauchtülle 28 sind in einem Winkel von 45° zueinander angeordnet, wobei beide Achsen 30, 31 in einem zentralen Bereich der Mischkammer 5 aufeinander treffen. Auf einer dem Austritt des Dosierventils 21 gegenüberliegenden Seite des Haltekörpers 4 ist dieser über eine Anschlusseinrichtung 32 an die nicht dargestellte Einspritzeinrichtung 7 angeschlossen.
Durch die in der 2 gezeigte Anordnung mit dem Anschlusselement 15 wird eine Kristallbildung der Harnstofflösung ausgebildeten Abgasnachbehandlungsmittels im Bereich der Mischkammer 5 vermieden. Insbesondere ein „Wandern" und Festsetzen von Kristallen beziehungsweise Kristallkeimen aus der Mischkammer 5 in die Druckluftleitung 10 wird vermieden, da sich die Kristalle beziehungsweise Kristallkeime aufgrund der niedrigen Oberflächenspannung und einer glatten Innenoberfläche 33 der Schlauchtülle 28 nicht an dieser Innenoberfläche 33 aus Polytetrafluorethylen festsetzen können.
Alternativ zur Ausbildung des Anschlusselements 15 als Schlauchtülle 28 aus PTFE kann das Anschlusselement 15 an seiner Innenoberfläche 33 ein Material mit niedriger Oberflächenspannung, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen, aufweisen beziehungsweise mit einem solchen Material beschichtet sein. Durch das Hineinragen des Anschlusselements 15 mit seinem Teilstück 29 in die Mischkammer 5 wird ein Unterspülen, und damit ein Abspülen, der Kristalle im Bereich des Anschlusselements 15 ermöglicht. Das Dosierventil 21 ist insbesondere ein DNOX1 Dosierventil mit einem geraden Sprühstrahl. Das Rückschlagventil 14 sichert den Pfad der Druckluft, insbesondere die Druckleitung 10, vor Rückschlägen des Abgasnachbehandlungsmittels. Weiterhin dient das Rückschlagventil 14 bei eventuellen Feldausfällen auch als Transportschutz (zum Beispiel bei Transport zur Serviceabteilung).
Da Polytetrafluorethylen eine sehr glatte Oberfläche ausbildet, eine geringe Oberflächenspannung aufweist, gegen aggressive Substanzen unempfindlich ist und einen für Kunststoffe sehr hohen Temperatureinsatzbereich aufweist, ist es in der Anwendung in einer Vorrichtung 1 zum dosierten Einspritzen von einem Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch besonders gut geeignet.

Claims

Vorrichtung zum dosierten Einspritzen von einem Abgasnachbehandlungsmittel-Luft-Gemisch in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mischkammer, in die Luft über eine Druckluftleitung und Abgasnachbehandlungsmittel über eine Zuführung eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftleitung (10) über ein Anschlusselement (15) aus einem Material mit niedriger Oberflächenspannung an die Mischkammer (5) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (15) eine glatte Innenoberfläche (33) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Anschlusselements (15) Kunststoff ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Anschlusselements (15) Polytetrafluorethylen, insbesondere Teflon, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungsmittel eine wässrige Harnstofflösung, insbesondere AdBlue, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (15) mit einem Teilstück (29) in die Mischkammer (5) hineinragt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (15) ein Schlauch, insbesondere eine Schlauchtülle (28), ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (D) des Anschlusselements (15) 0,5 bis 2 mm, insbesondere 2 mm groß ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (15) stromaufwärts bis zu einem Rückschlagventil (14) verläuft.