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Die Erfindung betrifft eine Drossel zur Drosselung eines strömenden Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Dosiereinrichtung zum Zudosieren von Reduktionsmittel in Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, die eine solche Drossel umfasst.
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Stand der Technik
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Ein gebräuchliches Verfahren zur Reduzierung des Stickoxidgehalts im Abgas von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ist die sogenannte selektive katalytische Reduktion oder SCR (Selective Catalytic Reduction), bei der ein zumeist in flüssiger Form vorliegendes Reduktionsmittel, wie zum Beispiel eine als AdBlue® bezeichnete Harnstoff-Wasser-Lösung, in das Abgas zudosiert wird, um die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator mit dem Reduktionsmittel unter Bildung von molekularem Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) zu reduzieren. Da die Stickoxide (NOx) bei einer richtigen Dosierung des Reduktionsmittels nahezu vollständig aus dem Abgas entfernt werden können, lassen sich Brennkraftmaschinen mit einem relativ mageren Gemisch betreiben, was wiederum einen kraftstoffsparenden Betrieb ermöglicht.
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Zur Zudosierung einer Harnstoff-Wasser-Lösung oder eines anderen flüssigen Reduktionsmittels in das Abgas einer Brennkraftmaschine werden gewöhnlich Dosiereinrichtungen eingesetzt, denen das Reduktionsmittel aus einem Tank zugeführt wird. Die Dosiereinrichtungen umfassen in der Regel ein Dosierventil, das von einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine so gesteuert wird, dass die in das Abgas zudosierte Menge des Reduktionsmittels der zur Reduktion der Stickoxide im jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine benötigten Menge entspricht. Als Dosierventile werden häufig Ventile eingesetzt, deren Ventilöffnungszeit entsprechend der jeweils benötigten Reduktionsmittelmenge verändert wird. Um eine gute Dosiergenauigkeit zu gewährleisten, muss dazu jedoch der Druck des flüssigen Reduktionsmittels vor dem Dosierventil konstant gehalten werden. Dazu wird in der Praxis ein Regelkreis verwendet, der eine in Strömungsrichtung vor dem Dosierventil angeordnete Pumpe mit steuerbarer Pumpfrequenz, eine in Strömungsrichtung hinter dem Dosierventil angeordnete Drossel, einen zwischen der Pumpe und der Drossel angeordneten Drucksensor zur Messung des Ist-Drucks des Reduktionsmittels hinter dem Dosierventil und einen Regler zur Ansteuerung der Pumpe in Abhängigkeit von dem vom Drucksensor gemessenen Druck bzw. der Druckdifferenz zwischen dem Ist-Druck und einem vorgegebenen Soll-Druck umfasst. Wenn der gemessene Ist-Druck des Reduktionsmittels hinter dem Dosierventil abfällt, zum Beispiel infolge einer Eindüsung von Reduktionsmittel in das Abgas, erhöht der Regler kurzzeitig die Pumpfrequenz der Pumpe, um den Druckabfall auszugleichen.
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Die
DE 103 24 482 A1 offenbart eine Dosiereinrichtung der eingangs genannten Art, bei der im Rücklauf zwischen einem Dosierventil oder Zumessorgan und dem Reduktionsmitteltank eine Drossel angeordnet ist, die für einen konstanten Druck im Rücklauf und in einer vom Rücklauf abzweigenden, zum Dosierventil führenden Dosierleitung sorgt.
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Um stets die Zufuhr der jeweils erforderlichen Reduktionsmittelmenge in das Abgas zu gewährleisten, stellt das SCR-Verfahren sehr hohe Anforderungen an die Dosiermenge bzw. an die Dosiergenauigkeit, die durch Schmutzpartikel im Reduktionsmittel beeinträchtigt werden können. Insbesondere die Drossel ist wegen ihrer sehr kleinen Drosselöffnung sehr empfindlich gegen Schmutzpartikel, die auf verschiedenen Wegen in das Reduktionsmittelsystem gelangen können, zum Beispiel beim Befüllen des Reduktionsmitteltanks, als Bestandteil von bereits zuvor verunreinigtem Reduktionsmittel oder durch nachträgliche Bildung innerhalb des Reduktionsmittels, wie zum Beispiel durch Kristall- oder Algenwachstum.
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Um den Eintritt von Schmutzpartikeln in die Drossel zu verhindern, der zu einem Zusetzen der Drossel und damit zu einer Störung des Regelkreises führen kann, werden vor der Drossel im Allgemeinen Siebe oder Filter angeordnet, die Schmutzpartikel zurückhalten sollen. Da jedoch der vorhandene Bauraum sehr begrenzt ist, können nur Siebe oder Filter mit verhältnismäßig kleiner Oberfläche eingesetzt werden, bei denen ebenfalls die Gefahr eines Zusetzens oder einer Sedimentation von Schmutzpartikeln und damit die Gefahr einer Störung des Regelkreises besteht.
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Aus der
DE 34 03 916 A1 ist ein Heizgerät mit einem Brenner und einer Brennstoffzuleitung bekannt, in welcher eine Drossel angeordnet ist.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drossel und eine Dosiereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sie für Schmutzpartikel im Fluid weniger empfindlich sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Drossel erfindungsgemäß durch einen beweglichen, die Drosselöffnung durchsetzenden Schwingkörper gelöst, der beim Hindurchtritt von Fluid durch die Drosselöffnung in Schwingungen versetzt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme können zum einen bei gleichem Öffnungsquerschnitt der Drosselöffnung im Vergleich zu einer Drossel ohne einen solchen Schwingkörper größere Schmutzpartikel ungehindert durch die Drosselöffnung hindurchtreten, weil der Schwingkörper zu einer Seite der Drosselöffnung hin ausweichen und dabei in der Mitte der Drosselöffnung einen Öffnungsquerschnitt freigegeben wird, der zumindest in einer Richtung größere Abmessungen als der Öffnungsquerschnitt der Drosselöffnung einer Drossel ohne einen solchen Schwingkörper aufweist.
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Zum anderen führen die Schwingungen des Schwingkörpers dazu, dass Schmutzpartikel, die zwischen dem Schwingkörper und einem Umfangsrand der Drosselöffnung hindurchtreten, Schlägen des Schwingkörpers ausgesetzt werden, die zu einem Zerschlagen oder einem Zusammenquetschen der Schmutzpartikel führen. Dadurch sind die Schmutzpartikel für empfindliche Systemkomponenten, wie die Pumpe oder das Dosierventil weniger gefährlich.
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Außerdem wird ihr Hindurchtritt durch die Drosselöffnung erleichtert, wenn sie später ein weiteres Mal zur Drossel gefördert werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schwingkörper in der Drosselöffnung quer zur Strömungsrichtung des Fluids in allen Richtungen bis zum Umfangsrand der Drosselöffnung beweglich ist, so dass er beim Eintritt eines größeren Schmutzpartikels in die Drosselöffnung nach allen Richtungen soweit wie möglich ausweichen kann. Bevorzugt ist der Schwingkörper auch in Strömungsrichtung des Fluids begrenzt beweglich, um einen übermäßigen lokalen Verschleiß des Schwingkörpers beim Kontakt mit dem Umfangsrand der Drosselöffnung zu vermeiden.
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Um die Schwingungsbewegung des Schwingkörpers zu ermöglichen, ist dieser zweckmäßig in Strömungsrichtung vor der Drosselöffnung lose an einer Halterung befestigt.
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Eine besonders bevorzugte und sehr einfach herzustellende Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schwingkörper von einem allgemein S-förmig gebogenen Draht gebildet wird, dessen gerader Mittelabschnitt sich durch die Drosselöffnung und eine mit der Drosselöffnung fluchtende Durchtrittsöffnung der Halterung erstreckt, während sich seine beiden gebogenen Endabschnitte auf voneinander abgewandten Seiten der Halterung und einer mit der Drosselöffnung versehenen Drosselblende der Drossel in entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
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Die Halterung ist zweckmäßig eine im Abstand vor der Drosselblende angeordnete Scheibe, die eine vom Schwingkörper durchsetzte zentrale Bohrung und mehrere die zentrale Bohrung umgebende, jeweils einen Fluidkanal bildenden Durchlassöffnungen aufweist.
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Im Hinblick auf die Dosiereinrichtung wird die zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Dosiereinrichtung eine Drossel umfasst, die auf Schmutzpartikel flexibel reagieren kann. Neben der Drossel umfasst die Dosiereinrichtung vorzugsweise ein Dosierventil und einen Regelkreis zur Regelung des Drucks vor dem Dosierventil, wobei der letztere bevorzugt eine vor der Drossel angeordnete Pumpe, einen Drucksensor zur Messung des Drucks zwischen der Pumpe und der Drossel sowie einen Regler zur Regelung der Pumpe in Abhängigkeit von dem vom Drucksensor gemessenen Druck umfasst.
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Figurenliste
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, die eine Dosiereinrichtung zum Zudosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in das Abgas der Brennkraftmaschine umfasst;
- 2 eine schematische Ansicht eines Regelkreises der Dosiereinrichtung;
- 3 eine Längsschnittansicht einer Drossel der Dosiereinrichtung;
- 4 eine Querschnittsansicht der Drossel entlang der Linie IV-IV der 3;
- 5 eine Querschnittsansicht entsprechend 4, jedoch beim Hindurchtritt eines Schmutzpartikels durch eine Drosselbohrung der Drossel.
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Ausführungsform der Erfindung
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Der in 1 dargestellte Dieselmotor 2 eines Kraftfahrzeugs weist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 zur Verminderung des Stickoxidgehalts in dem vom Dieselmotor 2 ausgestoßenen Abgas auf.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 umfasst einen SCR-Katalysator 6 in einem Abgasrohr 8 des Dieselmotors 2 und eine von einem Motorsteuergerät 10 des Dieselmotors 2 gesteuerte Dosiereinrichtung 12, mit der sich in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebszustand des Dieselmotors 2 genau die Menge eines flüssigen Reduktionsmittels 14 in das Abgasrohr 8 zudosieren lässt, die für die katalytische Reduktion der Stickoxide im jeweiligen Betriebszustand benötigt wird.
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Bei dem Reduktionsmittel 14 handelt es sich zum Beispiel um ein unter der Bezeichnung AdBlue® bekanntes flüssiges Hamstoff-Wasser-Gemisch, das einem Dosiermodul 16 der Dosiereinrichtung 12 mit Hilfe einer von einem Elektromotor 18 angetriebenen Pumpe 20 aus einem im Kraftfahrzeug mitgeführten Reduktionsmitteltank 22 zugeführt wird.
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Das Dosiermodul 18 umfasst ein Dosierventil 24, das durch eine Zufuhrleitung 26 mit der Pumpe 20 und durch eine Rücklaufleitung 28 mit einer Drossel 30 mit dem Reduktionsmitteltank 22 verbunden ist.
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Das vom Motorsteuergerät 10 über eine Steuerleitung 32 gesteuerte Dosierventil 24 hat die Aufgabe, die zur katalytischen Reduktion der Stickoxide im Abgas notwendige Menge des als Reduktionsmittel dienenden Hamstoff-Wasser-Gemischs in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator 6 in Form eines Sprühnebels 34 ins Innere des Abgasrohrs 8 einzudüsen. Dies gewährleistet zum einen eine schnelle Verdunstung des im Hamstoff-Wasser-Gemisch enthaltenen Wassers und zum anderen eine homogene Verteilung des Harnstoffs im Abgasstrom, so dass der Harnstoff noch vor dem Erreichen des SCR-Katalysators 6 zu Ammoniak (NH3) umgesetzt wird, mit dem die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) anschließend im SCR-Katalysator 6 unter Bildung von Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) reduziert werden.
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Um für eine genaue Dosierung des Reduktionsmittels zu sorgen, werden von der Motorsteuerung 10 die Öffnungszeiten des Dosierventils 24 in Abhängigkeit von der im jeweiligen Betriebszustand des Dieselmotors 2 zur Reduktion der Stickoxide benötigten Reduktionsmittelmenge eingestellt, während der Druck des flüssigen Reduktionsmittels in der Zufuhrleitung 26 vor dem Dosierventil 24 mit Hilfe eines in 2 dargestellten Regelkreises 36, der die gegen die Drossel 30 arbeitende Pumpe 20 als Stellglied umfasst, konstant gehalten wird.
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Der Regelkreis 36 umfasst neben der Pumpe 20 und dem Dosierventil 24 einen Drucksensor 38, der den jeweiligen Ist-Druck pist des Reduktionsmittels in der Rücklaufleitung 28 zwischen dem Dosierventil 24 und der Drossel 30 misst, sowie einen Regler 40, der die Pumpfrequenz der Pumpe 20 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz Δp zwischen einem vorgegebenen Soll-Druck psoll und dem gemessenen Ist-Druck pist steuert. Wenn der Ist-Druck pist des Reduktionsmittels hinter dem Dosierventil 24 abfällt, zum Beispiel infolge einer Eindüsung von Reduktionsmittel in das Abgas, erhöht der Regler 40 kurzzeitig die Pumpfrequenz der Pumpe 20, um dadurch den Druckabfall auszugleichen.
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Um ohne die Notwendigkeit eines der Drossel 30 vorgeschalteten Siebs oder Filters Störungen des Regelkreises 36 infolge eines Zusetzens der Drossel 30 durch größere, vom Reduktionsmittel mitgeführte Schmutzpartikel zu verhindern, ist die Drossel 30 erfindungsgemäß mit einem beweglichen Schwingkörper 42 ausgestattet, der bei einem Hindurchtritt von Reduktionsmittel durch die Drossel 30 in stochastische oder zufällige Schwingungen versetzt wird.
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Wie am besten in 3 dargestellt, besteht der Schwingkörper 42 aus einem etwa S-förmig gebogenen Draht mit einem geraden Mittelabschnitt 44 und zwei an entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts 44 an diesen anschließenden halbkreisförmigen Endabschnitten 46, 48. Der Mittelabschnitt 44 durchsetzt eine zentrale Drosselbohrung 50 in einer in die Rücklaufleitung 28 eingesetzten runden scheibenförmigen Drosselblende 52 der Drossel 30 und eine Durchtrittsbohrung 54 in einer in Strömungsrichtung (Pfeile S in 3) des Reduktionsmittels im Abstand vor der Drosselblende 52 in die Rücklaufleitung 26 eingesetzten runden scheibenförmigen Halterung 56, die zur Befestigung des Schwingkörpers 42 dient.
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Der Drahtdurchmesser des Schwingkörpers 42 und die Durchmesser der Drosselbohrung 50 der Drosselblende 52 und der Durchtrittsbohrung 54 der Halterung 56 sind so bemessen, dass der Mittelabschnitt 44 des Schwingkörpers 42 sowohl in der Drosselbohrung 50 als auch in der Durchtrittsbohrung 54 quer zur Strömungsrichtung des Reduktionsmittels mit verhältnismäßig großem radialem Spiel beweglich ist. Wie in 5 dargestellt, ist das Spiel S in der Drosselbohrung 50 so bemessen, dass sich der Schwingkörper 42 in der Bohrung 50 in sämtlichen Richtungen bis zu einem Umfangsrand 57 der Bohrung 50 bewegen kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Spiel S in der Bohrung 50 etwas mehr als das Doppelte des Drahtdurchmessers, wie aus 5 ersichtlich ist.
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Die Länge des Mittelabschnitts 44 ist zudem etwas größer als der Abstand zwischen den voneinander abgewandten Breitseiten der Drosselblende 52 und der Halterung 56, so dass der Schwingkörper 42 auch in axialer Richtung der Rücklaufleitung 28 begrenzt beweglich ist.
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Wie am besten in 3 dargestellt, ist der Schwingkörper 42 lose an der Halterung 56 befestigt, die um die Durchtrittsbohrung 54 herum mit einer Mehrzahl von großen hydraulischen Durchlassöffnungen 58 für das flüssige Reduktionsmittel versehen ist. Zur losen Befestigung des Schwingkörpers 42 ist der auf der Seite der Halterung 56 an den Mittelabschnitt 44 angrenzende Endabschnitt 46 auf der von der Drosselblende 52 abgewandten Seite der Halterung 56 zu einer Seite hin umgebogen, während der andere Endabschnitt 48 auf der von der Halterung 56 abgewandten Seite der Drosselblende 52 zur entgegengesetzten Seite hin umgebogen ist.
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Um einen Hindurchtritt des jeweiligen Endabschnitts 46, 48 durch die Durchtrittsbohrung 54 bzw. durch die Drosselbohrung 50 zu verhindern, ist der Radius der Durchtrittsbohrung 54 bzw. der Drosselbohrung 50 kleiner als der Krümmungsradius des halbkreisförmig gebogenen Endabschnitts 46 bzw. 48 des Schwingkörpers 42.
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Um auszuschließen, dass sich das freie Ende 60 des Endabschnitts 46 in einer der Durchlassöffnungen 58 der Halterung 56 verhakt, ist zudem der radiale Abstand zwischen einem Begrenzungsrand 62 der Durchtrittsbohrung 54 und einem benachbarten Begrenzungsrand 64 der Durchlassöffnungen 58 größer als der doppelte Krümmungsradius des halbkreisförmig gebogenen Endabschnitts 46, so dass sich das freie Ende 60 des Endabschnitts 46 auf der von der Drosselblende 52 abgewandten Seite der Halterung 56 abstützt, wenn Reduktionsmittel in Strömungsrichtung durch die Rücklaufleitung 28 strömt.
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Infolge der losen Befestigung des Schwingkörpers 42 an der Halterung 56 und infolge seiner radialen Beweglichkeit in der Durchtrittsbohrung 54 und der Drosselbohrung 50 kann der Schwingkörper 42 beim Eintritt eines größeren Schmutzpartikels 66 in die Drosselbohrung 50 radial nach einer Seite ausweichen, wie in 5 dargestellt. Dadurch wird neben dem Mittelabschnitt 44 des Schwingkörpers 42 ein Öffnungsquerschnitt freigegeben, der quer zur Ausweichrichtung des Schwingkörpers 42 größere Abmessungen besitzt als dies bei einer kreisförmigen Drosselbohrung 50 mit demselben Bohrungsquerschnitt aber ohne Schwingkörper 42 der Fall ist. Dies ermöglicht es größeren Schmutzpartikeln 66 durch die Drosselbohrung 50 hindurchzutreten, so dass durch ein Zusetzen der Drosselbohrung 50 verursachte Störungen des Regelkreises 36 vermieden werden.
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Zum anderen wird der Schwingkörper 42 durch Turbulenzen des durch die Durchlassöffnungen 58 und durch die Drosselbohrung 50 strömenden Reduktionsmittels in stochastische Schwingungen versetzt, das heißt in Schwingungen, deren Schwingungsrichtung eine Zufallsverteilung aufweist.
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Diese Schwingungen haben zur Folge, dass durch die Drosselöffnung 50 hindurchtretende Schmutzpartikel 66 zwischen dem sich hin und her bewegenden Schwingkörper 42 und dem gegenüberliegenden Umfangsrand 56 der Drosselbohrung 50 Schlägen des Schwingkörpers 42 ausgesetzt werden, so dass sie zerbrochen oder zusammengequetscht werden. Dies wirkt einer allmählichen Vergrößerung von Schmutzpartikeln 66 durch Agglomerierung, Kristall- oder Algenwachstum entgegen und schützt so nicht nur die Drossel 30 vor einem Zusetzen, sondern verhindert auch, dass die Schmutzpartikel in anderen empfindlichen Systemkomponenten, wie der Pumpe 20 oder dem Dosierventil 24, zu Beschädigungen führen können.
