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Die
Erfindung betrifft ein System zum Dosieren eines Fluids nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, und ein entsprechendes Verfahren.
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Bei
Kraft- und Nutzfahrzeugen kann die Regeneration von Dieselpartikelfiltern
durch Erhöhung der
Abgastemperatur erzielt werden. Hierzu wird eine genau dosierte
Menge Dieselkraftstoff in den Abgasstrang des Fahrzeugs eingespritzt
und dort verbrannt. Hierbei oxidiert der Kraftstoff innerhalb des Katalysators.
Dies führt
zu einer Erhöhung
der Abgastemperatur und damit zu einem Abbrennen der angesammelten
Partikelablagerungen. Für
das Einspritzen des Dieselkraftstoffs in den Abgasstrang sind verschiedene
Systeme bekannt, z. B. Zerstäubung
des Dieselkraftstoffes mittels Injektordüse oder mittels einer passiven
Düse über eine
Injektorsteuerung.
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DE 101 47 172 A1 beschreibt
eine Reduktionsmittelpumpe für
eine Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine. Ein Dosiersteuergerät steuert
ein elektromagnetisches Dosierventil, das an einem Abgasstrang eines
Fahrzeugs stromaufwärts
eines Katalysators angebracht ist. Das Dosiersteuergerät ist mit
dem Dosierventil über
eine Zuführungsleitung
verbunden. Die Zuführungsleitung
ist über
eine Dosierpumpe mit einem Vorratsbehälter verbunden. Durch eine
Ansteuerung des Dosiersteuergeräts
kann eine Harnstofflösung
durch die Zuführungsleitung
an das Dosierventil unter Hochdruck zugeführt werden, um die Harnstofflösung in
den Abgasstrang einzuspritzen. Durch die Einspritzung wird der Harnstoff
hydrolysiert und durchgemischt. In dem Katalysator erfolgt die katalytische
Reduktion des NOx im Abgas zu N
2 und H
2O. Das vorstehend genannte Einspritzsystem
gestattet ein Fördern
von Harnstofflösung
durch die Zuführungsleitung
lediglich in Richtung des Dosierventils, so dass diese Leitung permanent
unter Druck steht.
DE
42 30 056 A1 beschreibt eine Zerstäubereinrichtung, die sich zum Einsprühen eines
Reduktions- oder Oxidationsmittels in einen Abgasstrom zum Zwecke
der Reinigung der Abgase von Schadstoffen eignet. Eine Mischeinrichtung
ist über
eine Zufuhrleitung mit einem Vorratsbehälter verbunden, der mit einem
zu zerstäubenden Medium
gefüllt
ist. In der Zufuhrleitung ist eine Dosierpumpe angeordnet, die das
Medium unter Druck in die Mischeinrichtung fördert. In die Mischeinrichtung
wird zusätzlich
Druckgas eingeführt,
das sich innerhalb der Mischeinrichtung mit dem von der Dosierpumpe
geförderten
Medium vermischt. Die Mischeinrichtung ist über eine Mischleitung mit einer Zerstäuberdüse verbunden.
Nach einer Vermischung des Mediums mit dem Druckgas innerhalb der
Mischeinrichtung wird dieses durch die Mischleitung zur Zerstäuberdüse gefördert und
tritt aus dieser heraus. Die Mischeinrichtung ist so ausgestaltet,
dass stets ein gleichmäßiger Flüssigkeitsaustausch
in die Mischleitung hinein erfolgt. Hierbei ist jedoch lediglich
ein Fördern
in einer Richtung, d. h. in Richtung der Zerstäuberdüse möglich, wobei die zur Zerstäuberdüse führende Mischleitung
permanent unter Druck steht. Entsprechend können sich an der Zerstäuberdüse nachteilige
Leckagen bilden, die am Abgasstrang zu unerwünschten Verkohlungen oder dergleichen
führen
können.
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DE 10 2004 046 881
A1 beschreibt ein Zuführsystem
für ein
Medium, insbesondere zur Behandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine und
ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Zuführsystems. Von einem Vorratstank
führt eine
Zufuhrleitung zu einer Dosiereinheit, die mit einer Abgasleitung
eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Von der Dosiereinheit führt eine
Rückführleitung
zurück
in den Vorratstank, wobei durch die Rückführleitung ein Rückführen des
Medium in den Vorratstank möglich ist.
Ein solches Zuführsystem
dient zur Behandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, um die
in dem Abgas enthaltenen Stickoxide zu vermindern. Die erläuterte Konfiguration
des Zuführsystems
mittels mehrerer Leitungen, d. h. einer Zufuhrleitung und einer
Rückführleitung,
ist bauraumintensiv und kostspielig in der Herstellung.
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DE 10 2004 054 238
A1 beschreibt ein Dosiersystem sowie ein Verfahren zum
Betreiben eines solchen Dosiersystems. Dieses Dosiersystem dient zur
Verminderung von Stickoxiden, die in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthalten
sind. Hierzu ist ein Dosierventil stromaufwärts eines Katalysators eines
Kraftfahrzeugs angebracht, welches von einer Förderpumpe mit einem Reduktionsmittel
versorgt wird. Entsprechend ist die Förderpumpe mit dem Dosierventil über eine
Förderleitung
verbunden. Bei einem Normalbetrieb des Fahrzeugmotors wird das Reduktionsmittel
von der Förderpumpe
durch die Förderleitung
zum Dosierventil gefördert,
um eine Einspritzung des Reduktionsmittels in den Abgasstrang zu
gewährleisten.
Beim Abstellen des Fahrzeugmotors kann ein Bereich der Förderleitung
zwischen der Förderpumpe
und dem Dosierventil entgegengesetzt zur Normalbetriebs-Fördervorrichtung entleert
werden, wobei die Förderrichtung
der Förderpumpe
umgekehrt wird und das Reduktionsmittel entgegen der im Betrieb üblichen
Normalbetrieb-Förderrichtung
in einen Vorratstank zurückbefördert wird.
Dies lässt
sich jedoch nur durch aufwendige Vorkehrungen treffen, z. B. durch
ein Umkehren der Förderrichtung
der Förderpumpe.
Alternativ kann eine zusätzliche
Pumpe vorgesehen sein, um das Reduktionsmittel aus dem Bereich der
Förderleitung zwischen
der Förderpumpe
und dem Dosierventil heraus zu pumpen. Solche apparativen bzw. konstruktiven
Vorkehrungen sind kostspielig und bauraumintensiv.
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DE 10 2004 050 023
A1 beschreibt eine Einrichtung zur dosierten Einspritzung
eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.
Die Einspritzung erfolgt mit durchgehend hoher und gleichmäßiger Zerstäubungsqualität unabhängig von
der Fördermenge.
Hierzu wird eine Pumpe, insbesondere eine Kolbenpumpe oder eine
Membranpumpe verwendet, die eine pulsierende Förderung des Reduktionsmittels
zu einer Düse
vornimmt, die an einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet
ist und darin mündet.
Die Düse
ist mit einem im Takt des Förderpulses
der Pumpe eine Durchflussverbindung selbständig öffnenden und schließenden Ventilelement
ausgebildet, das die Einspritzung von Reduktionsmittel in Bereichen
niedrigen Drucks zulässt.
Entsprechend erfolgt die Zerstäubung
des Reduktionsmittels ausschließlich
in Bereichen hohen Drucks. Das Ventilelement ist als Rückschlagventil
ausgebildet und verfügt über einen Dichtsitz,
mit dem ein längsverschiebliches
Element mit einem tellerförmigen Rand
in der Schließstellung des
Ventilelements in Kontakt gelangt. Das längsverschiebliche Element ist
durch eine spiralförmige Schließfeder in
Richtung der Schließstellung
des Ventilelements vorgespannt. Wenn die Kraft aus dem auf die Flächen des
verschieblichen Elements wirkenden Drucks größer ist als die Kraft der Schließfeder,
hebt das verschiebliche Element vom Dichtsitz ab, und es erfolgt
eine Eindüsung
von Reduktionsmittel in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine. Durch einen
ausreichend dichten Sitz zwischen Dichtsitz und dem Ventilelement
ist ein Rückströmen des
Reduktionsmittels in Richtung der Pumpe nicht möglich.
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Um
die Hochdruckleitung zwischen der Pumpe und der Düse zu entlasten,
ist gemäß
DE 10 2004 050 023
A1 eine Druckentlastungsleitung vorgesehen, die an die
Hochdruckleitung und einen Arbeitsraum angeschlossen ist. Die Druckentlastungseinrichtung
kann entweder als Rückschlagventil
oder als Membran, die unter Verschiebung eines Volumens zwei gegensätzlich gewölbte Positionen
einnehmen kann, ausgeführt
sein. Ungeachtet dieser Alternativen ist zur Druckentlastung der
Hochdruckleitung zwischen Pumpe und Düsen bei der Einrichtung gemäß
DE 10 2004 050 023
A1 ein zusätzlicher
apparativer Aufwand erforderlich, der bauraumintensiv ist und zu
erhöhten
Kosten führt.
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DE 23 48 865 A1 beschreibt
ein System zum Einspritzen von Brennstoff in eine Brennkraftmaschine
mittels einer Dosierpumpe. Die Dosierpumpe weist eine Pumpkammer
auf, die über
eine seitlich angeordnete Tankleitung mit einem Vorratstank verbunden
ist. An die Pumpkammer schließt
sich stromabwärts
eine Ventilkammer an, die mit einer Dosierleitung verbunden ist,
welche zu einer als Einspritzdüse
ausgebildeten Dosiereinheit führt.
In der Pumpkammer befindlicher Brennstoff kann mittels eines Kolbens
in die Ventilkammer und weiter in die Dosierleitung verdrängt werden.
In der Ventilkammer ist eine Rückschlagventilanordnung
mit einem ersten Rückschlagventil
vorgesehen, welches in Richtung der Dosierleitung öffnet. Das
Rückschlagventil
umfasst einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen ersten Ventilkörper, der
an seinem der Pumpkammer zugewandten Ende einen konischen Umfang
aufweist, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. In der Ventilkammer
ist im Bereich der Dosierleitung ein Ventilträger angeordnet, auf dem das
von der Pumpkammer abgewandte Ende des ersten Ventilkörpers mit
Gleitsitz aufgenommen ist, so dass der erste Ventilkörper durch
den Ventilträger
geführt
axial verlagerbar ist. Eine sich an dem Ventilträger abstützende Druckfeder spannt den
ersten Ventilkörper
in Richtung des Ventilsitzes vor. Bei einem Betätigen des Kolbens wird Brennstoff
aus der Pumpkammer gegen den ersten Ventilkörper des ersten Rückschlagventils
gedrängt,
so dass der erste Ventilkörper
entgegen der Vorspannung der Druckfeder verlagert wird. Brennstoff
kann dann durch die Ventilkammer strömen und wird über in dem
Ventilträger
angeordnete Kanäle
in die Dosierleitung geleitet. Bei geschlossenem ersten Rückschlagventil
und Vorliegen eines Überdrucks
in der Dosierleitung kann Brennstoff auch umgekehrt in Richtung
der Pumpkammer zurückströmen. Hierzu
weist die Rückschlagventilanordnung
ein zweites Rückschlagventil
auf, dass im Bereich einer der Dosierleitung gegenüberliegenden Öffnung des
Ventilträgers
angeordnet ist. Das zweite Rückschlagventil
weist einen ebenfalls hohlzylinderförmigen Ventilkörper auf,
der über
eine zweite Druckfeder an dem ersten Ventilkörper abgestützt ist und von dieser in Richtung
eines zweiten Ventilsitzes vorgespannt wird. Bei Vorliegen eines Überdrucks
in der Dosierleitung wird Brennstoff durch die Öffnung gegen den zweiten Ventilkörper gedrängt, so
dass dieser in Richtung der Pumpkammer verlagert wird und Brennstoff
durch in dem zweiten Ventilkörper
angeordnete Durchlasskanäle
in die Pumpkammer zurückströmen kann.
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DE 199 61 947 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung für Brennkraftmaschinen, bei
welcher eine Harnstoff-Wasser-Mischung aus einem Vorratstank mittels
einer Dosierpumpe in eine Mischkammer gefördert wird. Die Dosierpumpe
ist mittels einer Tankleitung mit dem Vorratstank und mittels einer
Dosierleitung mit der Mischkammer verbunden. Zwischen der Dosierpumpe
und der Mischkammer ist ein in Richtung der Mischkammer öffnendes
Rückschlagventil
angeordnet, dass ein Rückströmen von
Harnstoff-Wasser-Mischung
aus dem Bereich der Mischkammer hin zu der Dosierpumpe unterbindet.
Das Rückschlagventil ist
nicht leckagebehaftet. Die mittels der Dosierpumpe in die Mischkammer
geförderte
Harnstoff-Wasser-Mischung wird in der Mischkammer mit Druckluft beaufschlagt
und von dort in Richtung eines Abgassystems der Brennkraftmaschine
weitergeleitet. Eine besonders gute Durchmischung des Harnstoff-Wasser-Gemisches
mit der Druckluft wird dadurch erreicht, dass die Druckluft über eine
Düse mit
Schallgeschwindigkeit in die Mischkammer eingeleitet wird.
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Die
vorstehend genannten Systeme und Einrichtungen zur Einspritzung
eines Reduktionsmittel in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs sind
komplex und wegen der Anzahl an in Wechselwirkung stehender Komponenten
kostspielig und bauraumintensiv, und bringen ein vergleichsweise
hohes Gewicht mit sich.
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Entsprechend
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zum Dosieren
eines Fluids von einem Vorratstank an eine Dosiereinheit zu schaffen,
bei dem mit einfachen Mitteln eine sicher betätigbare Druckentlastung des
Leitungssystems zwischen Dosierpumpe und Dosiereinheit möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen an Anspruch 1 und
durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein
erfindungsgemäßes System
umfasst eine Dosierpumpe, die durch eine Tankleitung oder Rücklaufleitung
mit dem Vorratstank und durch eine Dosierleitung mit der Dosiereinheit
jeweils in Fluidverbindung steht. Bei einem Betätigen der Dosierpumpe wird
das Fluid aus dem Vorratstank zur Dosiereinheit gefördert. Zwischen
der Dosierpumpe und der Dosiereinheit ist ein Rückschlagventil vorgesehen,
das in Richtung der Dosiereinheit bei Druckbeaufschlagung öffnen kann.
Das Rückschlagventil
ist in seiner Schließstellung
Leckage behaftet, wobei in einer vorbestimmten Betriebsstellung
der Dosierpumpe eine Fluidverbindung von dem Rückschlagventil zum Vorratstank
vorliegt, so dass ein Fluid-Leckagestrom in Richtung des Vorratstanks
eine Druckminderung in der Dosierleitung bewirkt. Durch eine solche
Druckminderung ist ein ungewollte Leckage des Fluids im Bereich
der Dosiereinheit wirkungsvoll verhindert, da die Dosierleitung
wegen des gezielten Rückstroms
des Fluids in den Phasen, in denen keine Einspritzung über die
Dosiereinheit erfolgt, nicht unnötig
lange unter Hochdruck steht.
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Die
Dosierpumpe, mittels der das Fluid an die Dosiereinheit dosiert
wird, kann mittels einer Tankleitung mit dem Vorratstank, in dem
das Fluid gespeichert ist, verbunden sein. Alternativ hierzu kann die
Dosierpumpe an eine Rücklaufleitung
angeschlossen sein, die von einer zum Verbrennungsmotor führende Einspritzleitung
abgezweigt ist. In der Einspritzleitung ist zumindest eine Einspritzpumpe angeordnet,
mittels der Kraftstoff, z. B. Dieselkraftstoff in Richtung des Motors
gefördert
wird. Der Betrieb dieser Einspritzpumpe ist so gewählt, dass
mehr Kraftstoff gefördert
wird, als für
den Betrieb des Motors erforderlich ist. Entsprechend wird eine überschüssige Menge
des Kraftstoffs durch die Rücklaufleitung,
die von der Einspritzleitung abgezweigt ist, in Richtung des Vorratstanks
zurück
geführt.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die Dosierpumpe, die aus der Rücklaufleitung gespeist wird,
stets mit einem ausreichenden Volumen an Kraftstoff bzw. Fluid versorgt wird,
um anschließend
ein Dosieren zur Dosiereinheit sicher zu stellen.
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Das
erfindungsgemäße System
zeichnet sich durch eine geringe Anzahl von zusätzlichen Komponenten, z. B.
zusätzlichen
Rückstromleitungen
oder dergleichen, aus, weil die Dosierleitung zwischen Dosierpumpe
und Dosiereinheit nicht nur als Förderleitung in Richtung der
Dosiereinheit, sondern gleichzeitig als Rückstromleitung in Richtung
der Dosierpumpe dient. Hierdurch können die Herstellkosten für das erfindungsgemäße System
reduziert werden. Zusätzlich
ergibt sich für
das erfindungsgemäße System
ein besseres Sprayverhalten für
die Einspritzung mittels der Dosiereinheit, weil höhere Einspritzesdrücke möglich sind.
Im Vergleich zu vorbekannten Systemen sind die Komponenten, die
für das
erfindungsgemäße System
verwendet werden können, kleiner
und leichter, wobei die Einspritzung unabhängig von anderen Komponenten
jederzeit erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
eine elektrische Kontaktierung des Systems sich auf einen einzigen
Stecker reduziert, nämlich
jenen für eine
Bestromung und Ansteuerung der Dosierpumpe.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Rückschlagventil
derart ausgestaltet sein, dass es in seiner Schließstellung
einen Leckagestrom mit einem vorbestimmten Durchsatz durchlässt. Dies
kann mittels einer definierten Oberflächenrauhigkeit eines Schließelements
des Rückschlagventils
und/oder einer Sitzfläche
des Rückschlagventils
erzielt werden, wobei das Schließelement in der Schließstellung
des Rückschlagventils auf
der Sitzfläche
aufsitzt, d. h. damit in Kontakt gelangt. Ergänzend oder alternativ zu definierten
Oberflächenrauhigkeiten
kann eine Durchlassöffnung
zwischen dem Schließelement
des Rückschlagventils und
der zugeordneten Sitzfläche
vorgesehen sein. Hierbei kann diese Durchlassöffnung entweder vollständig an
dem Schließelement,
z. B. an dessen Außenumfangsfläche, oder
vollständig
in der Sitzfläche ausgebildet
sein. Es ist auch möglich,
die Durchlassöffnung
teils in dem Schließelement
und teils in der Sitzfläche
auszubilden, wobei in der Schließstellung des Rückschlagventils
sich dann die Durchlassöffnung
bei einer Kontaktanlage des Schließelements mit seiner Sitzfläche ergibt.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Rückschlagventil
in einem Gehäuse
der Dosierpumpe aufgenommen sein, oder es kann in der Dosierleitung
angeordnet sein. Eine unmittelbare Aufnahme des Rückschlagventils
in dem Gehäuse der
Dosierpumpe führt
zu dem Vorteil einer Bauteilintegration, woraus ein verminderter
Einbauraum verbunden mit günstigeren
Herstellungskosten resultiert.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Dosierpumpe in
Form einer Hubkolbenpumpe mit einem Kolben ausgebildet sein, wobei
ein Fördern
des Fluids in Richtung der Dosiereinheit durch eine translatorische
Verschiebung des Kolbens innerhalb des Pumpengehäuses erfolgt. Der Kolben kann
hierbei zwischen einer Ausgangsstellung und einer Einstellung translatorisch
verschoben werden. In der Ausgangsstellung des Kolbens ist eine
Fluidverbindung zwischen Dosierpumpe und Vorratstank geschlossen.
In einer Endstellung des Kolbens ist ein Förderhub in Richtung der Dosiereinheit
ausgeführt. Der
Antrieb der Dosierpumpe erfolgt derart, dass der Kolben sich in
einer Zwischenstellung zwischen seiner Ausgangsstellung und seiner
Endstellung positionieren lässt.
Die vorbestimmte Betriebsstellung der Dosierpumpe, in der eine Fluidverbindung
von dem Rückschlagventil
zum Vorratstank vorliegt, ist dann erreicht, wenn der Kolben in
seiner Zwischenstellung gehalten ist. In dieser Zwischenstellung
besteht zwischen dem Rückschlagventil
und der Tankleitung, die zu dem Vorratstank führt, durch die Dosierpumpe
hindurch eine Fluidverbindung, sodass ein Fluid-Leckagesrom in Richtung des Vorratstanks
strömen
kann.
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Durch
das leckagebehaftete Rückschlagventil
ist in einer Betriebsphase des Systems, wenn das Fluid nicht unter
Druck in Richtung der Dosiereinheit befördert wird, sichergestellt,
dass ein bestimmter Fluid-Leckagestrom in Richtung der Dosierpumpe vorliegt.
Hierbei wird durch die Stellung des Kolbens bestimmt, ob ein Rückströmen dieses
Leckagestroms durch die Tankleitung zurück zum Vorratstanks möglich ist.
Dies ist dann der Fall, wenn der Kolben in seiner Zwischenstellung
positioniert ist. Entsprechend ist eine stetige Druckabnahme in
der Dosierleitung durch ein solches Rückströmen gewährleistet. Die Tankleitung
dient hierbei als Rücklaufleitung
bzw. Dekompressionsleitung. Diese Doppelfunktion hält die erforderliche
Anzahl von Bauelementen für
das erfindungsgemäße System
gering und vermeidet Mehrkosten. Falls sich der Kolben in seiner
Ausgangsstellung befindet, ist die Fluidverbindung zwischen der
Dosierpumpe und dem Vorratstank bzw. der Rücklaufleitung geschlossen.
Entsprechend dient die Dosierpumpe als Absperrventil in Richtung
des Vorratstanks bzw. der Rücklaufleitung,
was ein Bereitstellen von zusätzlichen
Absperrventilen überflüssig macht.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Hubkolbendosierpumpe
einen elektromagnetischen Antrieb aufweisen, der eine Antriebsspule umfasst.
Die Zwischenstellung des Kolbens kann dadurch eingestellt werden,
dass sich die Antriebsspule im Vergleich zum Normalbetrieb der Hubkolbendosierpumpe
mit vermindertem Erregerstrom antreiben bzw. ansteuern lässt. Entsprechend wird
der Kolben ausgehend von seiner Ausgangstellung nicht vollständig in
seine Endstellung überführt, sondern
nur teilweise innerhalb des Pumpengehäuses in seine Zwischenstellung
verschoben. Für
den Antriebskolben sind eine Mehrzahl von Zwischenstellungen möglich, die
sich alle durch das gemeinsame Merkmal auszeichnen, dass dabei eine
Fluidverbindung zwischen dem Rückschlagventil
und der Tankleitung durch die Dosierpumpe hindurch gewährleistet
ist. Die Antriebsspule kann mit verschiedenen Stromprofilen erregt
werden, um den Kolben in einer Zwischenstellung bzw. einer seiner
Zwischenstellungen zu halten, um einen möglichst geringen Druck in der Dosierleitung
zu realisieren.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
basiert auf einer Bereitstellung eines Systems zum Dosieren eines
Fluids, z. B. ein Reduktionsmittel von einem Vorratstank an eine
Dosiereinheit, wobei zwischen dem Vorratstank und der Dosiereinheit
eine Dosierpumpe angeordnet ist. Über entsprechende Leitungen
fördert
die Dosierpumpe das Fluid von dem Vorratstank an die Dosiereinheit.
Dies wird dadurch erzielt, dass beim Betätigen der Dosierpumpe ein Förderelement
der Dosierpumpe von einer Ausgangsstellung in eine Endstellung verlagert
wird. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird die Dosierpumpe
derart angesteuert, dass das Förderelement
in einer zwischen der Ausgangsstellung und der Endstellung befindlichen
Zwischenstellung gehalten wird, in der eine Fluidverbindung zwischen
einem Rückschlagventil
und einer zum Vorratstank führenden Tankleitung
oder Rücklaufleitung
durch die Dosierpumpe hindurch besteht. Im Ergebnis kann ein Fluid-Leckagestrom
in Richtung des Vorratstanks strömen,
wodurch eine Druckminderung in er Dosierleitung eintritt.
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Mittels
der genannten Zwischenstellung des Förderelements der Dosierpumpe
dient diese als Ventil, wobei in der Zwischenstellung des Kolbens
ein Rückströmen des
Fluid-Leckagestroms in Richtung des Vorratstanks erfolgt. Falls
sich das Förderelement
in seiner Ausgangsstellung befindet, ist die Fluidverbindung in
Richtung des Vorratstanks verschlossen, so dass kein weiteres Rückströmen vorliegt.
Somit lässt
sich über
die Stellung des Förderelements ein
gezieltes Strömen
innerhalb des Fluids des Leitungssystems einstellen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Dosierpumpe
in Form einer Hubkolbenpumpe ausgeführt sein, wobei das Förderelement
als Antriebskolben ausgeführt
ist. Falls die Hubkolbenpumpe einen elektromagnetischen Antrieb
mit einer Antriebsspule aufweist, lässt sich die Zwischenstellung
des Kolbens durch ein Erregen der Antriebsspule mit vermindertem
Erregerstrom einstellen. Für
die übrigen
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Erläuterung
des Systems verwiesen.
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Das
System und das Verfahren gemäß der Erfindung
eignen sich insbesondere zur Regeneration von Dieselpartikelfiltern
von Kraftfahrzeugen und/oder Nutzfahrzeugen. Die Erfindung bezweckt das
Vermeiden einer Leckage an einer an einem Abgasstrang angebrachten
Dosiereinheit, die zum Beispiel als passive Düse ausgeführt sein kann. Hierzu wird
der Druck innerhalb der Dosierleitung, die zur passiven Düse führt, abgebaut,
wenn kein Einspritzen mit der Düse
erfolgt. Wie vorstehend erläutert, wird
hierzu die Dosierpumpe, die als Hubkolbenpumpe ausgeführt sein
kann, als Ventil betrieben, wobei eine Fluidverbindung zwischen
Rückschlagventil
und Vorratstank in der Zwischenstellung des Kolbens vorliegt. In
seiner Zwischenstellung führt
der Kolben keinen vollständigen
Förderhub,
sondern stattdessen einen Teilhub aus. Dadurch wird ein Sitzventil,
das an dem Kolben innerhalb des Pumpengehäuses angrenzend zum Tank angeordnet
ist, teilweise geöffnet,
was einen Druckabbau innerhalb der Dosierleitung ermöglicht.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von verschiedenen Ausführungsformen
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf
die Zeichnung ausführlich
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
vereinfachte Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Systems,
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2 eine
Längsquerschnittansicht
einer Dosierpumpe des Systems von 1, wobei
ein Kolben in einer Ausgangsstellung positioniert ist,
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3 eine
Längsquerschnittansicht
einer Dosierpumpe des Systems von 1, wobei
ein Kolben in einer Zwischenstellung positioniert ist,
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4 eine
vergrößerte Ansicht
des Bereichs I von 3,
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5 ein
Zeit-Diagramm, in dem die Größen Strom
und Druck als Funktion über
die Zeit aufgetragen sind, und
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6 eine
vereinfachte Gesamtansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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Nachstehend
ist unter Bezugnahme auf 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 1 erläutert.
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Das
erfindungsgemäße System 1 umfasst eine
Dosierpumpe 2, eine Dosiereinheit in Form einer passiven
Düse 3 und
einen Vorratstank 4. Die Dosierpumpe 2 steht mit
der Düse 3 über eine
Dosierleitung 5 in Fluidverbindung, die an einer Ausgangsöffnung 6 der
Dosierpumpe 2 über
eine geeignete Muffe 7 angeschlossen ist. An einer Eingangsöffnung 8 mit
der Dosierpumpe 2 ist über
eine geeignete Muffe eine Tankleitung 9 angeschlossen,
die zu dem Vorratstank 4 führt. Der Vorratstank 4 ist
mit einer Befülleinrichtung 10 ausgestattet,
mittels der ein Fluid in den Vorratstank 4 gefüllt werden
kann. Bei dem Fluid kann es sich um ein Reduktionsmittel handeln,
z. B. Dieselkraftstoff. Bei dem Vorratstank 4 kann es sich
um einen separaten Tank handeln, in dem das Fluid, welches in den
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine einzuspritzen ist, aufgenommen
und gespeichert ist. Alternativ kann es sich bei dem Vorratstank 4 um
den Hauptkraftstofftank eines Fahrzeugs handeln, von dem die Tankleitung 9 abgezweigt
ist und zur Dosierpumpe 2 führt.
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Das
System 1 verfügt über eine
Steuerungseinrichtung 11, auch als „ECU” (Engine Control Unit) bekannt.
Die ECU ist über
eine Steuerleitung 12 mit der Dosierpumpe 2 verbunden,
so dass die Dosierpumpe 2 durch die ECU 11 geeignet
angesteuert werden kann.
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Die
Düse 3 ist
an einem Abgasstrang 13 einer Brennkraftmaschine angeschlossen,
nämlich stromaufwärts eines
Katalysators 14. Die Strömungsrichtung, in der der Abgasstrang 13 bzw.
der Katalysator 14 von einem Abgas der Brennkraftmaschine
durchströmt
werden, ist in 1 durch einen Pfeil kenntlich
gemacht. An dem Katalysator 14 sind zusätzlich weitere Sensoren 15 angeschlossen,
die erforderliche Messwerte über
entsprechende Signalleitungen 16 an die ECU übermitteln.
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Ein
Betrieb der Dosierpumpe 2 dient dazu, dass Reduktionsmittel
aus dem Vorratstank 4 heraus in Richtung der Düse 3 unter
Druck zu fördern,
um das Reduktionsmittel in den Abgasstrang 13 stromaufwärts des
Katalysators 14 einzuspritzen. Bspw. kann es sich bei dem
Reduktionsmittel um Dieselkraftstoff handeln. Durch eine solche
Einspritzung werden dem Abgas vor Eintritt in den Katalysator 14 unverbrannte
Kohlenwasserstoffe beigemischt, so dass es in Folge einer anschließenden Oxidation
dieser unverbrannten Kohlenwasserstoffe innerhalb des Katalysators
zu einer gewünschten
Erhöhung
der Abgastemperatur kommt. Der Aufbau und die Funktionsweise der
Dosierpumpe 2 ist nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 im
Detail erläutert.
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Die
Dosierpumpe 2 ist als Hubkolbendosierpumpe ausgeführt und
umfasst einen Kolben 17, der innerhalb eines Gehäuses 18 der
Dosierpumpe 2 in seiner Längsrichtung verschieblich aufgenommen ist.
Die Hubkolbendosierpumpe 2 ist elektromagnetisch angetrieben
und umfasst entsprechend eine Antriebsspule 19, die in
dem Gehäuse 18 aufgenommen
ist und einen Hohlraum 20 umschließt, in dem der Kolben verschieblich
aufgenommen ist.
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Die
Eingangsöffnung 8 der
Hubkolbendosierpumpe 2, an der die Tankleitung 9 angeschlossen ist,
führt zu
einem sogenannten Nullabschluss 21, der in den Hohlraum 20 mündet. Der
Nullabschluss 21 ist von einer Durchgangsbohrung 22 durchsetzt und
angrenzend zum Hohlraum 20 mit einer ringförmigen Anlagefläche 23 versehen.
An einer Stirnseite des Kolbens 17, die dem Nullabschluss 21 gegenüber liegt,
ist ein Dichtmittel in Form eines O-Rings 24 befestigt.
Der Kolben 17 ist durch eine Spiralfeder 25 in
Richtung des Nullabschlusses 21 vorgespannt. An dem Kolben 17 ist
ein Stangenelement 26 befestigt, das sich im Wesentlichen
parallel zur Längsachse 27 der
Hubkolbendosierpumpe 2 in Richtung von deren Ausgangsöffnung 6 erstreckt,
wobei das Stangenelement 26 in einem Führungsflansch 28 längsverschieblich
geführt
ist.
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Angrenzend
an die Ausgangsöffnung 6 ist
innerhalb des Gehäuses 18 der
Hubkolbendosierpumpe 2 ein Rückschlagventil 29 aufgenommen,
das ein in Richtung des Hohlraums 20 federvorgespanntes Kugelelement 30 aufweist.
Diese Federvorspannung wird durch ein Federelement 31 erzielt,
die das Kugelelement 30 in eine konische Sitzfläche 32 hineindrückt. Das
Rückschlagventil 29 weist
angrenzend an die Hubkolbendosierpumpe 2 eine Öffnung 33 auf, die
in eine Zylinderkammer 34 am Rande des Hohlraums 20 mündet. In
dem Führungsflansch 28 sind angrenzend
an die Zylinderkammer 34 Dosieröffnungen 35 ausgebildet,
die eine Fluidverbindung zwischen der Zylinderkammer 24 und
dem Hohlraum 20 gewährleisten.
Falls in dem Hohlraum 20 bzw. in der Zylinderkammer 34 ein
ausreichend hoher Druck erzeugt wird, gelangt das Kugelelement 30 gegen
die Kraft des Federelements 31 außer Kontakt mit seiner Sitzfläche 32,
so dass eine Strömung
heraus aus dem Hohlraum 20 durch die Ausgangsöffnung 6 in die
Dosierleitung 5 möglich
ist, die mit der Muffe 7 an die Ausgangsöffnung 6 angeschlossen
ist.
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Der
Normalbetrieb der Hubkolbendosierpumpe 2 funktioniert nun
wie folgt:
Vor einem Bestromen der Antriebspule 19 befindet sich
der Kolben 17 in einer Ausgangstellung, wobei der O-Ring 24 gegen
die Anlagefläche 23 des
Nullabschlusses 21 gedrückt
wird. Dies ist in der Darstellung von 2 gezeigt.
Durch den Kontakt des O-Rings 24 mit der Anlagefläche 23 ist
der Hohlraum 20 in Richtung der Ausgangsöffnung 6 bzw
des Vorratstanks 4 abgedichtet, so dass zwischen dem Hohlraum 20 und
dem Vorratstank 4 keine Fluidverbindung besteht. In der
Ausgangsstellung des Kolbens 17 befindet sich eine Stirnseite
des Stangenelements 26 in etwa im Bereich der Dosieröffnung 35,
so dass die Zylinderkammer 34 in Fluidverbindung mit dem Hohlraum 20 steht.
Falls der Hohlraum 20 mit einem Fluid bzw dem Reduktionsmittel
gefüllt
ist, ist somit auch die Zylinderkammer 34 mit dem Reduktionsmittel
gefüllt.
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Um
das Reduktionsmittel in Richtung der Düse 3 zu fördern, wird
die Antriebsspule 19 über
die Steuerleitung 12 geeignet bestromt. In Folge einer Bestromung
der Antriebsspule 19 wird der Kolben 17 – in der
Zeichnungsebene von 2 nach rechts – in Richtung
der Zylinderkammer 34 verschoben. Im Zuge dieses Verschiebens
des Kolbens 17 überstreicht
die vordere Stirnseite des Stangenelements 26 vollständig die
Dosieröffnung 35,
so dass, nachdem die Dosieröffnung 35 von
dem Stangenelement 26 vollständig überstrichen ist, die Zylinderkammer 34 nicht
länger
in Fluidverbindung mit dem Hohlraum 20 steht. Ein weiteres
Verschieben des Stangenelements 20 in Richtung des Rückschlagventils
erhöht den
Druck innerhalb der Zylinderkammer 34, so dass das in der
Zylinderkammer 34 enthaltene Reduktionsmittel durch die Öffnung 33 in
das Rückschlagventil 29 einströmt und bei
geöffnetem
Kugelelement 30 in die Dosierleitung 5 hinein
befördert
wird. Ein stetiger Förderstrom
des Reduktionsmittel in Richtung der Düse 3 wird mittels
der Hubkolbendosierpumpe 2 dadurch erzielt, dass die Antriebsspule 19 pulsierend
bestromt wird. In 5 ist dies in dem oberen Diagramm
für den
Abschnitt a gezeigt. Nach einem ersten Förderhub wird die Antriebsspule 19 entregt,
so dass der Kolben 17 durch die Federvorspannung zurück in seine
Ausgangsstellung bewegt wird. Hierbei wird die Dosieröffnung 35 durch
das Stangenelement 26 freigegeben, so dass sich die Zylinderkammer 34 erneut
mit dem Reduktionsmittel füllen
kann. Ein anschießendes
Bestromen der Antriebsspule 19 führt zu einem erneuten Verschieben des
Kolben 17 bzw. des Stangenelements 26 nach rechts,
was wie vorstehend erläutert
das Reduktionsmittel aus der Zylinderkammer 34 in Richtung
des Rückschlagventils 29 verdrängt.
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Das
Rückschlagventil 29 ist
leckagebehaftet ausgeführt.
Dies bedeutet, dass in der Schließstellung, wenn das Kugelelement 30 in
Kontakt mit seiner Sitzfläche 32 ist,
geringe Leckageströme
in Richtung der Öffnung 33 bzw
in die Zylinderkammer 34 hinein auftreten können. Solche
Leckagströme
werden durch einen Metall-Kontakt zwischen Kugelelement 30 und
Sitzfläche 32 erzielt.
Mittels einer definierten Oberflächenrauhigkeit
von Kugelelement und/oder Sitzfläche
lassen sich vorbestimmte Leckageströme einstellen.
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Bei
dem Erfindungsgemäßen System 1 ist
in den Phasen, wenn kein gezieltes Fördern des Reduktionsmittels
in Richtung der Düsen 3 vorliegt,
eine gezielte Druckminderung in der Dosierleitung 5 möglich. Dies
funktioniert im Einzelnen wie folgt:
Durch ein geeignetes Bestromen
der Antriebsspule 19 mit reduziertem Strom lässt sich
der Kolben 17 in eine Zwischenstellung überführen, in der der der O-Ring 24 von
der Anlagefläche 23 des
Nullabschlusses 21 abgehoben ist. Dieses Bestromen mit reduziertem
Strom ist in dem Diagramm von 5 oben in
dem Abschnitt b verdeutlicht. Das Bestromen der Antriebsspule 19 gemäß der Phase
b reicht aus, dass der Kolben 17 wie erläutert von
Nullabschluss 21 abhebt. Jedoch reicht die Stromstärke gemäß der Phase
b nicht aus, dass der Kolben 17 einen vollständigen Förderhub
in Richtung der Zylinderkammer 34 ausführt, um das Reduktionsmittel
durch das Rückschlagventil 29 hindurch
in Richtung der Düse 3 zu fördern. Nach
der Phase b wird der Strom, mit dem die Antriebsspule 19 erregt
wird, in einer Phase c weiter reduziert. Die Stromstärke gemäß der Phase
c reicht aus, dem Kolben 17 in einer Zwischenstellung zu
halten. Eine solche Zwischenstellung entspricht einem „Schwebezustand” und ist
in der Darstellung von 3 gezeigt. Es ist zu erkennen,
dass hierin sowohl der O-Ring 24 von dem Nullabschluss 21 abgehoben
ist, als dass auch die Dosieröffnung 35 in
der Zylinderkammer 34 nicht vollständig durch die vordere Stirnseite
des Stangenelements 26 verschlossen ist. Dies bedeutet,
dass in der Zwischenstellung des Kolbens 17 das Reduktionsmittel
von der Dosierleitung 5 durch das Rückschlagventil 29,
den Hohlraum 20 und den Nullabschluss 21 durch
die Tankleitung 9 in den Vorratstank 4 zurückströmen kann.
Je nachdem, wie austariert dieser Strom gegen die Federkraft der
Spiralfeder 25 ist, bleibt ein mehr oder weniger geringer
Restdruck in der Dosierleitung 5 bestehen. Der Bereich
I von 3 ist in der 4 in einem vergrößertem Ausschnitt
dargestellt, was ein Abheben des O-Rings 24 von dem Nullabschluss 21 in
der Zwischenstellung des Kolbens 17 verdeutlicht.
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Die
Dosierpumpe 2 wird unter Berücksichtigung der Zwischenstellung
des Kolbens 17 als 2-2-Wegeventil verwendet. Mit der Dosierpumpe 2 ist im
Normalbetrieb ein Fördern
des Reduktionsmittels aus dem Vorratstank 4 zur Einspritzdüse 3 möglich. Falls
der Kolben 17 in seiner Zwischenstellung gehalten ist,
d. h. lediglich einen Teilhub ausführt, ist durch die Dosierpumpe 2 hindurch
auch eine Strömungsumkehr
in Richtung des Vorratstanks 4 möglich, um im Ergebnis eine
Druckminderung in der Dosierleitung 5 zu erzielen. Weitere
separate Rückleitungen sind
hierzu nicht erforderlich.
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In
den Phasen b und c (vgl. Diagramm von 5) können auch
andersartige, geeignete Stromprofile für die Antriebsspule 19 eingestellt
werden, z. B. Dither oder Stromprofile mit wechselnden Stromniveaus,
um im Ergebnis einen möglichst
geringen Druck in der Dosierleitung 5 zu erzielen. Das
Diagramm von 5 verdeutlicht, dass in der
Phase c – bei
konstantem Strom und einem entsprechenden Halten des Kolbens 17 in
seiner Zwischenstellung – der
Druck in der Dosierleitung 5 allmählich abklingt. In der Phase
b wird der Strom für
die Antriebsspule 19 auf 0 zurückgesetzt, so dass sich der
Kolben 17 in Folge der Federkraft wieder in Kontakt mit
dem Nullabschluss 21 gelangt und der O-Ring 24 gegen
die Anlagefläche 23 abdichtet.
Hierbei bleibt in der Dosierleitung 5 ein geringer Restdruck
bestehen, der selbst bei verschlossenem Nullabschluss, wenn die Fluidverbindung
in Richtung des Vorratstanks 4 geschlossen ist, nicht weiter
abnimmt. Die Leckageeigenschaft des Rückschlagventils, die ein gezieltes Rückströmens des
Reduktionsmittels von der Dosierleitung 5 hinein in den
Hohlraum 20 der Dosierpumpe 2 gewährleistet,
wird wie vorstehend erläutert
eine Metallkontakt zwischen dem Kugelelement 30 und seiner
Sitzfläche 32 erzielt.
Alternativ hierzu kann die Leckageeigenschaft des Rückschlagventils
auch durch eine undichte Prägung
bzw. Spanung erzielt werden, oder durch ein tatsächlich dichtendes Rückschlagventil,
das über
einen Bypass verfügt,
der in Richtung der Dosierpumpe 2 zurückführt. Die Funktionsweise der
Dosierpumpe 2, die in einer Zwischenstellung des Kolbens 17 eine
Fluidverbindung zwischen Rückschlagventil
und Vorratstank vorsieht, bleibt von der Beschaffenheit des Rückschlagsventils unbeeinflusst.
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6 zeigt
eine vereinfachte Gesamtansicht einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems 1'. Die Funktionsweise
der Dosierpumpe 2 entspricht vollumfänglich der vorstehend gemachten
Erläuterung.
Das System 1' gemäß der Darstellung
in 6 unterscheidet sich von dem System gemäß 1 lediglich
in der Anordnung der Dosierpumpe 2 in einem Leitungssystem
eines Verbrennungsmotors, wie nachstehend im Detail erläutert.
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Ein
Verbrennungsmotor 36 ist mittels einer Einspritzleitung 37 mit
dem Vorratstank 4 verbunden, in dem der Kraftstoff für den Motor 36 gespeichert
ist. In der Einspritzleitung 37 ist zumindest eine Einspritzpumpe
vorgesehen, um den Kraftstoff aus dem Vorratstank 4 mit
ausreichend hohem Druck zum Verbrennungsmotor 36 zu fördern. Gemäß der Darstellung
von 6 können
in der Einspritzleitung eine erste Kraftstoffpumpe 38 und
eine zweite Kraftstoffpumpe 39 angeordnet sein, die den
Kraftstoff mit ausreichend hohem Druck zum Motor 36 hin
fördern. Die
erste Kraftstoffpumpe 38 gewährleistet dabei ein erstes
Ansaugen des Kraftstoffs aus dem Vorratstank 4 mit geringem
Druckniveau, wobei die zweite Kraftstoffpumpe 39 den Förderdruck
in Richtung des Motors 36 nochmals erhöht. Bei dem Kraftstoff, der
in dem Vorratstank 4 gespeichert ist und zum Betrieb des
Motors 36 bzw. zum Einspritzen in den Abgasstrang 13 dient,
kann es sich um Dieselkraftstoff handeln.
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Von
der Einspritzleitung 37 zweigt eine Rücklaufleitung 40 ab,
nämlich
zwischen dem Motor 36 und der zweiten Kraftstoffpumpe 39.
Die Rücklaufleitung 40 führt zurück zum Vorratstank 4.
Die Dosierpumpe 2 ist an diese Rücklaufleitung 40 angeschlossen
und wird somit aus dieser gespeist. Die Kraftstoffpumpen 38 und 39 werden
beim Betrieb des Motors 36 derart eingestellt, dass die
von ihnen geförderte
Menge an Kraftstoff geringfügig
höher ist
als eine Kraftstoffmenge, die für
den jeweiligen Betriebszustand des Motors 36 erforderlich
ist. Die überschüssige Menge
an Kraftstoff wird entsprechend durch die Rücklaufleitung 40 in
Richtung des Vorratstank 4 zurück geführt. Dieser überschüssige Anteil
an Kraftstoff, der in der Rücklaufleitung 40 geführt wird,
ist ausreichend, um die Dosierpumpe 2 zu speisen. Dies
liegt daran, dass die Kraftstoffmenge, die in den Katalysator 14 bzw.
den Abgasstrang 13 einzuspritzen ist, im Vergleich zur
Kraftstoffmenge, die dem Verbrennungsmotor 36 zugeführt ist,
sehr gering ist.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 6 ist die
Dosierpumpe 2 in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform
gemäß 1 durch
die Dosierleitung 5 mit der Dosiereinheit 3 in
Form der Düse 3 verbunden.
Das System 1' hat
in der Ausführungsform
gemäß 6 gegenüber jener
von 1 den Vorteil, dass kein separater Vorratstank 4 für den Kraftstoff notwendig
ist, der in den Abgasstrang 13 zur Erhöhung der Abgastemperatur einzuspritzen
ist. Die Menge dieses Kraftstoffs lässt sich mittels der Rücklaufleitung 40 von
der Einspritzleitung 37 wie vorstehend erläutert für die Dosierpumpe 2 abzweigen.