DE102009005790A1

DE102009005790A1 - Dosiersystem

Info

Publication number: DE102009005790A1
Application number: DE200910005790
Authority: DE
Inventors: Armin Kassel; Michael Dipl.-Ing. Kolm; Werner Dipl.-Ing. Overhoff
Original assignee: Albonair GmbH
Current assignee: Albonair GmbH
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: US20100115932A1; DE102009005790B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zur Eindüsung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstofflösung, in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei das Dosiersystem mit einem Tank (1), aus dem Reduktionsmittel entnehmbar ist, verbindbar/verbunden ist, welches mittels einer Pumpe (3) gefördert wird, wobei das Dosiersystem einen ersten reduktionsmittelführenden Strang (4) aufweist, und wobei das Dosiersystem eine Druckluftversorgung (6) und einen zweiten durckluftführenden Strang (8) und zumindest eine Düse (5) aufweist, die mit beiden Strängen (4, 8) gekoppelt ist und durch die das Reduktionsmittel zusammen mit der Druckluft in den Abgasstrom eindüsbar ist, wobei das Dosiersystem in dem reduktionsmittelführenden Strang (4) zumindest ein Dämpfungsglied (9) zum Ausgleich von Druckschwankungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zur Eindüsung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstofflösung, in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei das Dosiersystem mit einem Tank, aus dem Reduktionsmittel entnehmbar ist, verbindbar/verbunden ist, wobei das Reduktionsmittel mittels einer Pumpe gefördert wird, wobei das Dosiersystem einen ersten reduktionsmittelführenden Strang aufweist und wobei das Dosiersystem eine Druckluftversorgung und einen zweiten druckluftführenden Strang und zumindest eine Düse aufweist, die mit beiden Strängen gekoppelt ist und durch die das Reduktionsmittel zusammen mit der Druckluft in den Abgasstrom eindüsbar ist.
So genannte SCR-Katalysatoren werden eingesetzt, um die Stickoxydemission von Dieselmotoren zu vermindern. Hierzu wird ein Reduktionsmittel in das Abgassystem mit einer Dosiervorrichtung eingedüst, d. h. zerstäubt. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak.
Da das Mitführen von Ammoniak in Fahrzeugen sicherheitskritisch ist, wird Harnstoff in wässriger Lösung mit üblicherweise 32,5% Harnstoffanteil, insbesondere gemäß DIN 70070, eingesetzt. Im Abgas zersetzt sich der Harnstoff bei Temperaturen oberhalb von 150°C in gasförmiges Ammoniak und CO₂. Parameter für die Zersetzung des Harnstoffes sind im wesentlichen Zeit (Verdampfungs- und Reaktionszeit), Temperatur und Tröpfchengröße der eingedüsten Harnstofflösung. In diesen SCR-Katalysatoren wird durch selektive katalytische Reduktion (englisch: Selective Catalytic Reduction, SCR) der Ausstoß von Stickoxyden um etwa 90% reduziert. Die verwendete Harnstofflösung gemäß DIN 70070 wird auch als so genanntes AdBlue bezeichnet.
Die Harnstofflösung wird mittels eines Dosiersystems dosiert, in den Abgasstrom eingespritzt und zerstäubt und sorgt im SCR-Katalysator für die gewünschte chemische Reaktion. Hierbei werden die Stickoxyde in Stickstoff und Wasserdampf umgewandelt.
Bei derartigen Dosiersystemen wird die Harnstofflösung, d. h. das in Flüssigkeit gelöste Reduktionsmittel, mittels einer Membranpumpe oder Kolbenpumpe zur Zerstäuberdüse gefördert. Die Dosiermengen werden dabei durch Anpassung der Hubfrequenz bei konstanter Dosiermenge pro Hub eingestellt.
Problematisch ist dabei, dass die verwendete Pumpe ihr Hubvolumen während des Fördertakts in einer Zeit von nur ca. 5 ms in Richtung Düse fördert. In diesem Zeitabschnitt kommt es zu einem Förderpuls, der die Zerstäuberleistung der Düse überschreitet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es die geförderte Menge von Reduktionsmittel, d. h. Harnstofflösung, so zu dämpfen, dass die Menge an der Düse über der Zeit nur eine geringe Schwankungsbreite aufweist und die Zerstäuberleistung der Düse nicht überschritten wird. Ferner sollen aufgrund der Arbeitsweise der Förderpumpe auftretende Druckspitzen abgefangen und gedämpft werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Dosiersystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Besonders vorteilhaft bei dem Dosiersystem zur Eindüsung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstofflösung, in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei das Dosiersystem mit einem Tank, aus dem Reduktionsmittel entnehmbar ist, verbindbar/verbunden ist, welches mittels einer Pumpe gefördert wird, wobei das Dosiersystem einen ersten reduktionsmittelführenden Strang aufweist, und wobei das Dosiersystem eine Druckluftversorgung und einen zweiten druckluftführenden Strang und zumindest eine Düse aufweist, die mit beiden Strängen gekoppelt ist und durch die das Reduktionsmittel zusammen mit der Druckluft in den Abgasstrom eindüsbar ist, ist es, dass das Dosiersystem in dem reduktionsmittelführenden Strang zumindest ein Dämpfungsglied zum Ausgleich von Druckschwankungen aufweist. Das Reduktionsmittel wird somit mittels der Druckluft zerstäubt.
Durch die Anordnung eines Dämpfungsgliedes im reduktionsmittelführenden Strang werden somit Druckspitzen und Druckschwankungen durch das Dämpfungsglied abgefangen, d. h. dass derartige Druckspitzen nicht mehr an die Düse gelangen und die Zerstäubungsleistung der Düse somit nicht mehr überschritten wird. Die aufgrund der Arbeitsweise der Pumpe, mittels derer das Reduktionsmittel gefördert wird, auftretenden Druckspitzen werden durch das Dämpfungsglied abgefangen. Dies bedeutet, dass unter dem Ausgleich von Druckschwankungen auch das Dämpfen von Druckspitzen zu subsumieren ist.
Bei der Düse handelt es sich vorzugsweise um eine Zweistoffdüse, insbesondere um eine außenmischende Düse.
Als Reduktionsmittel kommt bei gattungsgemäßen Dosiersystemen üblicherweise Harnstofflösung gemäß DIN 70070, so genanntes AdBlue, zum Einsatz. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern vielmehr zur Eindüsung eines beliebigen Reduktionsmittels geeignet. Es sind daher auch andere Ammoniaklösungen oder alternative Reduktionsmittellösungen mittels des erfindungsgemäßen Dosiersystems dosierbar.
Das erfindungsgemäße Dämpfungsglied wird somit auf der Druckseite an das Dosiersystem angeschlossen, respektive in das Dosiersystem integriert, ggf. kombiniert mit einer Drossel. Dieses Dämpfungsglied kann gebildet sein durch eine elastische Leitung oder alternativ oder kumulativ durch eine oder mehrere Gasblasen. Empfehlenswert ist auch eine Verminderung der Kolbengeschwindigkeit der Förderpumpe.
Durch die Verwendung des Dämpfungsgliedes wird der Pumpenstoß zeitlich gemittelt und die Fördermenge nahezu kontinuierlich zur Düse geleitet. Durch die Verwendung des Dämpfungsgliedes wird nach dem Abschalten der Dosierung mittels Luftstrom ein Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck verkleinert das Volumen einer elastischen Leitung oder vergrößert das Volumen einer Gasblase und etwas Reduktionsmittel wird aus der Düse gezogen. Beim Abschalten der Luft zieht das Dämpfungsglied das Reduktionsmittel aus der Düse zurück.
Durch die Anordnung eines Dämpfungsglieds in dem reduktionsmittelführenden Strang wird eine nahezu kontinuierliche Förderung des Reduktionsmittels zur Düse erzielt. Hieraus erfolgt ein optimiertes Spraybild der luftunterstützten Düse, d. h. ein gleichmäßiges Zerstäuben des Reduktionsmittels mittels der Druckluft in der Zweistoffdüse und es wird die maximale Zerstäubungsleistung des Düse erreicht und kann kontinuierlich beibehalten werden.
Ferner folgt aus der Anordnung eines Dämpfungsgliedes eine erhöhte Frostsicherheit sowie eine Verringerung der Verstopfungsgefahr der Düse nach der Dosierung, d. h. nach Abschaltung der Dosierung, da das Reduktionsmittel aus der Düse zurückgezogen wird.
Die zeitliche Überförderung von ventilgesteuerten Pumpen wird durch die Dämpfung verringert. Es stellt sich eine erhöhte Wiederholgenauigkeit der Förderpumpe ein. Bei Anordnung einer Gasblase als Dämpfungsglied ergibt sich eine freie Wahl der Dosierleitung hinsichtlich des Materials und der Dimensionierung. Ferner ergibt sich durch die Anordnung eines Dämpfungsglieds eine Verringerung der Geräuschemissionen des Dosiersystems.
Vorzugsweise ist das Dämpfungsglied durch einen oder mehrere dehnbare Leitungsabschnitte und/oder zumindest eine Gasblase gebildet.
Bei diesen Ausführungen der Erfindung mit einem Gasblasenspeicher und/oder elastischen, d. h. dehnbaren Leitungen oder Leitungsabschnitten in dem reduktionsmittelführenden Strang zwischen Förderpumpe und der Zerstäubungsdüse, erfolgt somit quasi eine Zwischenspeicherung des Dosierhubs, d. h. eines Dämpfens der Druckspitze durch ein Zwischenspeichern der Energie. Zusätzlich kann auch der Dosierhub durch entsprechende Ansteuerung der Pumpe so ausgeführt werden, dass er über eine möglichst lange Zeit erfolgt, d. h. dass ein langsamerer Hub bei geringeren Dosiermengen durch eine entsprechende Ansteuerung der Pumpe herbeigeführt wird.
Eine solche dehnbare, elastische Leitung oder ein solcher Leitungsabschnitt ist folglich in der Lage, sich infolge eines gesteigerten Innendrucks auszudehnen, d. h. seinen Querschnitt zu erweitern, d. h. hierdurch Druckspitzen zu dämpfen.
Weiterhin vorteilhaft ist dabei, dass diese Elastizitäten, d. h. die elastische Leitung und/oder Gasblase, die Harnstoff-Wasser-Lösung bei Abschaltung der Förderung aus der Düse zurücksaugen und somit die Düse von Reduktionsmittel befreit wird. Hierdurch wird einer Verstopfung der Düse vorgebeugt, da das verbleibende Reduktionsmittel sich im Bereich der Düse zersetzen und diese verstopfen könnte. Die Vorgehensweise bei einer Unterbrechung der Dosierung wird nachfolgend noch weiter ausgeführt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Dosiersystem eine Dosierpumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aufweist, insbesondere eine diskontinuierlich fördernde Pumpe, insbesondere eine Membranpumpe oder eine Kolbenpumpe oder dergleichen.
Die bei einer diskontinuierlich fördernden Pumpe ggf. auftretenden Druckspitzen werden durch das Dämpfungsglied, welches beispielsweise durch eine oder mehrere Gasblasen oder einen oder mehrere dehnbare, d. h. elastische Leitungsabschnitte gebildet sein kann, abgefangen.
Vorzugsweise weist der druckluftfördernde Strang ein Drosselventil und/oder ein Regelventil auf. Besonders bevorzugt sind der Druck und/oder die Luftmenge und/oder Ventilöffnungszeiten in den druckluftfördernden Strang regelbar/werden geregelt.
Dies bedeutet, dass die Druckluft vorzugsweise bei dem erfindungsgemäßen Dosiersystem geregelt über ein entsprechendes Regelventil zugeführt wird. Die zugeführte Luftmenge wird in jedem Betriebspunkt so angepasst, dass die Tröpfchenqualität für die Reduktion ausreichend ist und dem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors angepasst ist. Dies bedeutet, dass die Qualität der Zerstäubung den Anforderungen angepasst werden kann. Hierdurch kann durch eine Anpassung der Druckluftmenge eine Optimierung hinsichtlich des Energiebedarfs erfolgen, indem die Druckluftmenge dem benötigten Minimum angenähert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen einem Luftventil im druckluftfördernden Strang und der Düse ein Sensor zur Messung des Druckes und/oder der Luftmenge in dem druckluftfördernden Strang angeordnet.
Ein solcher Sensor gestattet die Überwachung des Druckes des Druckluftsystems, respektive der geförderten Druckluftmenge in dem druckluftfördernden Strang und somit eine Anpassung über eine Ansteuerung des Luftventils in dem druckluftfördernden Strang. Hierdurch ist in jedem Betriebspunkt eine Anpassung der Luftmenge der Druckluftversorgung möglich.
Insbesondere kann es sich bei dem Luftventil um ein Proportionalregelventil handeln. Durch die Verwendung eines Proportionalregelventils ist es möglich, die Luftmenge der Druckluftversorgung, d. h. die Luftmenge die zur Eindüsung der Harnstofflösung in den Abgasstrom zugeführt wird, exakt zu regeln.
Bei dem Sensor der zwischen dem Luftventil und der Düse angeordnet ist, handelt es sich vorzugsweise um einen Drucksensor, mittels dessen der Druck in dem Druckluftsystem hinter dem Luftventil überwacht wird. Ein solcher Drucksensor kann gegen den Umgebungsdruck oder auch gegen den Druck im harnstoffführenden Strang geschaltet sein, da sich gezeigt hat, dass eine reine Differenzdrucküberwachung ausreichend ist.
Vorzugsweise sind Mittel zur Berechnung des Abgasmassenstroms und/oder ein Sensor zur Messung des Abgasmassenstromes und/oder ein Sensor zur Messung des Abgastemperatur angeordnet. Hierdurch ist es möglich, den Abgasmassenstrom und/oder die Abgastemperatur zu ermitteln, um diese Messgrößen als Eingangsgrößen für die Ansteuerung des Dosiersystems zu verwenden.
Bei dem Sensor zur Messung des Abgasmassenstromes kann es sich um eine Pitotsonde handeln, um somit aus dem Totaldruck den Abgasmassenstrom über die Kontinuitätsgleichung und die gegebenen Geometriedaten zu ermitteln.
Aus dem Abgasmassenstromsignal und/oder der Abgastemperatur ist es möglich, die in Abhängigkeit des jeweiligen Motorbetriebspunktes vorliegenden Betriebsparameter, Abgastemperatur und/oder Abgasmassenstrom zu erfassen und über eine entsprechende Steuerelektronik des Dosiersystems auszuwerten und den Druck und/oder die Luftmenge und/oder die Ventilöffnungszeiten der Druckluftversorgung in Abhängigkeit der gemessenen Betriebsparameter zu regeln.
Die Einflussparameter für die Anpassung der Dosierung der Luftmenge sind insbesondere:

– Abgastemperatur
– Abgasmassenstrom
– Harnstoffmassenstrom (Reduktionsmittelmassenstrom)
– erforderlicher Katalysatorwirkungsgrad
– Katalysatorgröße (Geometriedaten)
– Aufbereitungsstrecke zwischen Harnstoffeindosierung und Katalysator

Es ist mit dem erfindungsgemäßen Dosiersystem somit möglich, in jedem einzelnen Betriebspunkt abhängig von den jeweiligen Randbedingungen die Luftmenge zu optimieren.
Besonders bevorzugt weist die Druckluftversorgung einen Kompressor auf, d. h. einen Verdichter zur Verdichtung von Luft auf einen erhöhten Druck.
Mittels eines derartigen Druckluftkompressors ist es möglich, die für das Dosiersystem geforderte Druckluft bereitzustellen, sofern in der Installationsumgebung des Dosiersystems keine oder nur eine nicht ausreichende Druckluftversorgung vorhanden ist, beispielsweise in Form der Druckluftversorgung und des Druckluftsystems eines Nutzfahrzeugs.
Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Strang und dem zweiten Strang eine Verbindungsleitung angeordnet, wobei die Verbindungsleitung ein Rückschlagventil aufweist.
Um bei einer längeren Unterbrechung der Dosierung die Luftzufuhr vollständig zu unterbrechen, ist es erforderlich, den Harnstoff aus den heißen Bereichen zu entfernen um zu vermeiden, dass sich Ablagerungen bilden. Andernfalls würde der Harnstoff sich bei hohen Temperaturen zersetzen und zu Ablagerungen und somit zu Verstopfungen führen.
Durch die Anordnung einer Druckluftleitung zwischen der Harnstoffleitung und der Leitung der Druckluftversorgung, d. h. zwischen dem ersten Strang und dem zweiten Strang, können derartige Ablagerungen verhindert werden, indem die Harnstoffleitung in Dosierpausen mittels Druckluft freigeblasen wird. Es ist somit eine Verbindungsleitung zwischen dem ersten Strang und dem zweiten Strang vorgesehen, über die bei Abschaltung der Förderung des Reduktionsmittels der erste Strang, d. h. der reduktionsmittelführende Strang mittels Druckluft freigeblasen wird.
In diese Verbindungsleitung ist ein Rückschlagventil eingesetzt, dessen Öffnungsdruck oberhalb des sich bei der Dosierung einstellenden Luftdrucks nach dem Luftventil ist.
Im Dosierbetrieb ist dieses Rückschlagventil geschlossen, da der Druck in der Druckluftleitung unterhalb des Öffnungsdruckes des Rückschlagventils liegt. Um die Harnstoffleitung mit Druckluft freizublasen, wird die Harnstoffförderung durch die Dosierpumpe abgestellt und das Luftventil kurzzeitig so weit geöffnet, dass sich der Druck über dem Öffnungsdruck des Rückschlagventils erhöht. In Folge der Drossel in der Druckluftleitung ergibt sich ein Druckgefälle in der Dosierleitung und die Druckluft treibt den Harnstoff in das Abgassystem. Die Leitung wird somit freigeblasen. Nach einem kurzzeitigen Luftstoß ist der Harnstoff aus der Dosierdüse ausgeblasen und die Luftzufuhr kann komplett abgeschaltet werden.
Bei lediglich kurzfristigen Unterbrechungen der Dosierung kann jedoch aufgrund der erfindungsgemäßen Weiterbildung auf ein Freiblasen des reduktionsmittelführenden Strangs verzichtet werden, wie nachfolgend erläutert wird.
Bei den Ausführungen der Erfindung mit Gasblasenspeicher oder elastischen Leitungen kann beim Abschalten der Dosierung die Harnstoff-Wasser-Lösung aus der Düse zurückgesaugt werden, um diese nicht über eine längere Zeit nach dem Abschalten hohen Temperaturen auszusetzen. Dabei könnte sich die Harnstoff-Wasser-Lösung zersetzen und die Düse verstopfen. Hierzu wird bei dem luftunterstützten System zunächst die Dosierung abgeschaltet. Bleibt die Druckluft zunächst aufgeschaltet und wird der Luftstrom wenn möglich sogar über das Proportionalventil erhöht, so bildet sich durch einen Saugeffekt an der Düse in der Harnstoff-Wasser-Leitung ein Unterdruck. Es wird Harnstoff aus der Leitung gesaugt und zerstäubt. Wird danach die Luft abgeschaltet, so stellt sich wiederum Umgebungsdruck in dem Leitungssystem ein und die Elastizitäten, d. h. die elastische Leitung und/oder Gasblase saugen die Harnstoff-Wasser-Lösung zurück.
Vorzugsweise weist das Dosiersystem ein Steuergerät auf, mittels dessen eine Dosierpumpe und/oder ein Luftventil und/oder ein Drosselventil und/oder ein Verdichter (Kompressor) in Abhängigkeit der von einem oder mehreren Sensoren erfassten Messwerten steuerbar ist/gesteuert wird.
Durch die Anordnung eines derartigen Steuergerätes, welches eine oder mehrere Komponenten des Dosiersystems in Abhängigkeit der Sensormesswerte, d. h. in Anhängigkeit der aktuellen Betriebsparameter, steuert, ist eine Optimierung des Betriebes des Dosiersystems, d. h. eine Luftoptimierung respektive eine Optimierung der Einspritzung/Zerstäubung von Reduktionsmittel in besonders vorteilhafter und energiesparender Weise realisierbar. Es ist mittels eines derartigen Steuergerätes somit möglich, die Reduktionsmittelfördermenge und die Luftfördermenge in optimaler Weise den aktuellen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion anzupassen und zu regeln.
Vorzugsweise weist das Dosiersystem ferner einen Reduktionsmitteltank, d. h. insbesondere einen Harnstofflösungstank, auf. Dadurch, dass das Dosiersystem selbst einen Reduktionsmitteltank aufweist, ist es möglich, das Dosiersystem in entsprechenden Umgebungen nachzurüsten, in denen ein solcher Tank nicht bereits vorhanden ist.
Die Ansteuerung des Dosiersystems zur Eindüsung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstofflösung, in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion erfolgt vorzugsweise in der Weise, dass die zur Zerstäubung der Harnstofflösung zugeführte Druckluftmenge in jedem Betriebspunkt in Abhängigkeit der Betriebsparameter Abgastemperatur und Abgasmassenstrom gesteuert und angepasst wird, so dass die Tröpfchenqualität der eingedüsten Harnstofflösung für die Wirkung des Katalysators optimiert ist.
Bei Unterbrechung oder Beendigung der Eindüsung von Harnstofflösung werden vorzugsweise die harnstofflösungsführenden Leitungen mittels Druckluft von der Harnstofflösung gereinigt und/oder es erfolgt eine zeitlich längere Druckluftförderung nach dem Abschalten der Dosierpumpe, so dass mittels des Luftstroms ein Unterdruck erzeugt wird, so dass nach Abschalten der Druckluft das Reduktionsmittel durch das elastische Dämpfungsglied in der harnstoffführenden Leitung zurückgezogen wird und die Düse somit von Reduktionsmittel gereinigt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend erläutert.
Es zeigen:
1 ein Anlagenschema einer Ausführungsform des Dosiersystems während des Dosierbetriebs, d. h. bei eingeschalteter Reduktionsmittelförderung und eingeschalteter Druckluftförderung;
2 das Anlagenschema des Dosiersystems nach 1 unmittelbar nach Abschaltung der Reduktionsmittelförderung bei eingeschalteter Druckluftförderung;
3 das Anlagenschema des Dosiersystems nach 1 bei abgeschalteter Reduktionsmittelförderung und unmittelbar nach Abschaltung der Druckluftförderung;
4 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Dosiersystem;
5 den zeitlichen Druckverlauf der Druckluft an der Düse bei einer ersten Abschaltroutine;
6 den zeitlichen Druckverlauf der Druckluft an der Düse bei einer zweiten Abschaltroutine;
7 den zeitlichen Druckverlauf der Druckluft an der Düse bei einer dritten Abschaltroutine;
8 den zeitlichen Druckverlauf der Druckluft an der Düse bei einer vierten Abschaltroutine
In den Figuren sind identische Bauteile oder Baugruppen jeweils mit identischen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 3 zeigen schematisch ein Harnstoffdosiersystem bei verschiedenen Betriebszuständen. 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dosiersystems in einer Draufsicht.
Harnstofflösung wird aus einem Tank 1 über eine Saugleitung 2 von der Dosierpumpe 3 angesaugt. In dem in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Dosierpumpe 3 um eine Kolbenpumpe, die mit jedem Hub eine definierte Menge an Harnstofflösung fördert. Über eine Druckleitung 4 wird der Harnstoff in den Behälter 9 geleitet und sodann vom Behälter 9 weiter zur Zweistoffdüse 5. Saugleitung 2, Druckleitung 4 und Pulsationsdämpfer 9 bilden somit den reduktionsmittelführenden Strang, der in der Düse 5 endet.
Mittels der Zweistoffdüse 5 wird der Harnstoff zerstäubt. Hierzu wird Druckluft aus einem Druckluftbehälter 6 zu einem Proportionalluftventil 7 geleitet. Das Proportionalluftventil 7 stellt den Druckluftstrom auf einen vorgebbaren Wert ein. Der Druck vor der Zweistoffdüse 5 ist ein Maß für den durchgesetzten Luftvolumenstrom. Die Luft wird über eine Druckluftleitung 8 vom Druckluftbehälter 6 über das Proportionalventil 7 zu der Zweistoffdüse 5 geleitet. Der Harnstoff wird in der Zweistoffdüse 5 von der Druckluft zerstäubt und dem Abgasstrom zugeführt.
In einer nicht dargestellten Alternative erfolgt die Druckluftversorgung nicht über einen Druckluftbehälter sondern seitens des Druckluftsystems des Nutzfahrzeuges, in welches das Dosiersystem zur Abgasnachbehandlung eingebunden ist.
Aufgrund der diskontinuierlichen Förderung der Dosierpumpe 3 treten Druckschwankungen und Druckspitzen in der Druckleitung 4 auf. Der Druckpuls der Pumpe endet im Pulsationsdämpfer 9, der oberhalb des Harnstofflösungsmeniskus 10, d. h. des Flüssigkeitsspiegels 10, eine Gasblase aufweist.
In 1 ist dargestellt der Zerstäubungsmodus, d. h. das Dosiersystem ist in Betrieb und es wird Reduktionsmittel in der Zweistoffdüse 5 mittels Druckluft zerstäubt zur Eindüsung in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors. 1 zeigt somit die Anlage während des Dosierbetriebs, d. h. bei eingeschalteter Reduktionsmittelförderung und eingeschalteter Druckluftförderung.
Druckpulse der diskontinuierlich fördernden Kolbenpumpe 3 enden im Pulsationsdämpfer 9. Sichtbar ist die Gasblase im Pulsationsdämpfer 9 oberhalb des Flüssigkeitsmeniskus 10, d. h. der Lage der Phasengrenze 10 zwischen Reduktionsmittellösung und Gasblase. Durch die Anordnung des Dämpfungsgliedes 9 in Form der Gasblase wird auf der Druckseite die Harnstofflösung mit einem gleichmäßigen Druck an die Zweistoffdüse 5 geliefert und bereitgestellt.
Im Gegensatz zu 1, die die Dosierung im Betrieb zeigt, zeigt 2 die Situation einer abgeschalteten Pumpe bei eingeschalteter Druckluft. 2 zeigt somit das Anlagenschema des Dosiersystems nach 1 unmittelbar nach Abschaltung der Reduktionsmittelförderung bei noch eingeschalteter Druckluftförderung.
Dabei bildet sich im Dämpfer 9 ein Unterdruck aus, d. h. die Gasblase dehnt sich aus und der Flüssigkeitsmeniskus 10 sinkt ab, während die Druckluft weiterhin aus dem Druckluftbehälter 6 entnommen und zur Zweistoffdüse 5 geleitet wird. In diesem Betriebszustand gemäß 2 sind die Pumpe ausgeschaltet und die Druckluft angeschaltet, d. h. die Dosierung soll beendet werden.
In 3 ist dargestellt der Zustand wenn nach Abschaltung der Pumpe 3 auch die Druckluft abgeschaltet ist. 3 zeigt somit das Anlagenschema des Dosiersystems bei abgeschalteter Reduktionsmittelförderung und unmittelbar nach Abschaltung der Druckluftförderung.
In dem in 3 dargestellten Betriebsfall, in dem sowohl die Pumpe als auch die Druckluftzufuhr ausgeschaltet sind, stellt sich ein ausgeglichener Druck in dem Pulsationsdämper 9 wieder her, d. h. der Flüssigkeitsmeniskus 10 der Harnstofflösung steigt wieder an im Pulsationsdämpfer 9, wie dies in 3 dargestellt ist. Der Flüssigkeitsstand 10, d. h. die Phasengrenze 10 zwischen Harnstofflösung und Gasblase im Behälter 9 ist nun wieder angestiegen aufgrund des ausgeglichenen Drucks. Das Reduktionsmittel wird aus der Zweistoffdüse 5 dementsprechend zurückgezogen. Die Zweistoffdüse 5 kann daher nicht durch eine Auskristallisierung der Harnstofflösung verstopfen.
In 4 ist dargestellt eine Draufsicht auf eine montierte Anordnung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dosiersystems. Pumpe 3 sowie das Proportionalluftventil 7 und das Rückschlagventil 14 des Dosiersystems gemäß 1 sind wie in 4 dargestellt auf einem gemeinsamen Komponententräger 20 angeordnet. In den Komponententräger 20 sind integriert Anschlüsse für die Harnstoffleitung 2 und die Druckluftleitung 6, auf der anderen Seite die Anschlüsse 51, 52 zur Düse 5, sowie innerhalb des Komponententrägers 20 die entsprechenden Leitungen.
Über den Anschluss 51 wird der Düse 5 die von der Pumpe 3 geförderte Harnstofflösung zugeleitet. Über den Anschluss 52 wird der Düse 5 Druckluft zur Zerstäubung der Harnstofflösung zugeleitet.
Zwischen der Druckseite der Pumpe 3 und der Druckluftversorgung ist ein federbelastetes Rückschlagventil 14 angeordnet. Strömungstechnisch unmittelbar vor dem Anschluss 51 ist in den reduktionsmittelführenden Strang hinter der Pumpe 3, d. h. auf der Druckseite der Pumpe 3, der Pulsationsdämpfer 9 in Form eines eine Gasblase enthaltenden Behälters angeordnet. In diesem Dämpfungsglied 9, d. h. dem Behälter 9, enden die von der Kolbenpumpe 3 ausgehenden Druckschwankungen, bevor die Reduktionsmittellösung über den Anschluss 51 an die Zweistoffdüse 5 weitergeleitet wird. In der Düse 5 erfolgt die Zerstäubung mittels der Druckluft, die über den Anschluss 52 zur Düse geleitet wird.
Mittels des Dämpfungsgliedes 9 werden Druckspitzen im reduktionsmittelführenden Strang abgefangen und Druckschwankungen ausgeglichen, bevor das Reduktionsmittel zur Düse 5 geleitet wird.
Durch die Elastizität des Dämpfungsgliedes 9 ist es ferner möglich, bei Beendigung der Dosierung die Zweistoffdüse 5 von Reduktionsmittel zu reinigen, indem die Druckluftförderung etwas später abgeschaltet wird.
Verschiedene mögliche Abschaltroutinen zur Entfernung der Harnstofflösung aus der Zweistoffdüse 5 sind in den 5 bis 8 dargestellt und werden nachfolgend erläutert. Dargestellt ist jeweils der zeitliche Verlauf des Absolutdrucks der Luft P_abs Luft [bar] über der Zeit t.
Bei der Abschaltroutine gemäß 5 erfolgt bis zum Zeitpunkt 100 eine kontinuierliche Dosierung, d. h. Zerstäubung des Reduktionsmittels bei gewöhnlichem Betrieb. Zum Zeitpunkt 100 erfolgt die Abschaltung der Dosierung durch Abschaltung der Pumpe.
Anschließend erfolgt ein Freiblasen während eines Zeitabschnittes 110, respektive es wird eine Luftblase an einen Drucksensor gebracht.
Der Regler des Luftventils der Dosierung wird so voreingestellt, damit das Ventil nicht schließt, um Tropfen von der Düse während eines Zeitraumes 120 wegzublasen.
In einem dritten Zeitabschnitt 130 wird der Luftdruck bzw. die Luftmenge langsam erhöht, bis kurz vor Öffnen des Rückschlagventils, damit ein möglichst starker Unterdruck in der harnstofflösungführenden Leitung entsteht und somit die erzeugte Luftblase am Drucksensor gedehnt wird und Reduktionsmittel aus der Leitung dosiert wird, d. h. es wird Reduktionsmittel aus der Leitung herausgezogen.
Nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne wird beim Zeitpunkt 140 das Luftventil vorzugsweise schlagartig geschlossen und der Unterdruck in der harnstoffmittelführenden Leitung verschwindet. Die Luftblase am Drucksensor zieht sich wieder zusammen und es wird die in der Düse befindliche Harnstofflösung in die Dosierleitung zurückgezogen. In bestimmten Situationen kann auch ein nicht schlagartiges Schließen mit einem gewissen zeitlichen Profil erforderlich sein.
Nach Abschaltung kann durch zusätzliches Einbringen von Luft mittels Überdruckventil aus dem Luftzweig somit die Gasblase vergrößert werden. Diese Gasblase kann mit der Unterdruckerzeugung (Saugwirkung) der Düse „gedehnt” werden, indem eine spezielle Dosierung der Luftzufuhr zur Düse wie zuvor erläutert realisiert wird. Nach dem Abschalten der Luft (Zeitpunkt 140) zieht sich die Gasblase wieder auf das Volumen mit Umgebungsdruck zusammen und zieht somit das Reduktionsmittel aus der Düse zurück in die Dosierleitung.
In 6 ist dargestellt eine weitere Abschaltroutine. Hier erfolgt die Abschaltung der Dosierung durch Abschaltung der Förderpumpe zum Zeitpunkt 200. Während eines darauf folgenden Zeitraumes 210 erfolgt ein Freiblasen, d. h. es wird wiederum eine Luftblase an den Drucksensor gebracht. Anschließend erfolgt während eines nächsten Zeitraumes 220 eine weitere Förderung der Druckluft, wobei der Regler des Luftventils so voreingestellt wird, dass der Luftdruck bis kurz vor Öffnen des Rückschlagventils eingestellt wird, damit durch den Luftstrom ein möglichst starker Unterdruck in der Harnstoffleitung entsteht und somit die erzeugte Luftblase am Drucksensor gedehnt wird und Harnstoff aus der Leitung dosiert wird, d. h. etwas Harnstofflösung wird aus der Leitung herausgezogen.
Anschließend erfolgt beim Zeitpunkt 230 vorzugsweise ein schlagartiges Schließen des Luftventils. Der Unterdruck in der Harnstoffmittelleitung verschwindet und die Luftblase am Drucksensor zieht sich wieder zusammen, so dass die Harnstofflösung an der Düse in die Dosierleitung zurückgezogen wird und die Düse somit von Harnstoff befreit wird. In bestimmten Situationen kann auch ein nicht schlagartiges Schließen mit einem gewissen zeitlichen Profil erforderlich sein.
Eine dritte Variante der Abschaltroutine ist in 7 dargestellt. Zum Zeitpunkt 300 erfolgt die Abschaltung der Dosierpumpe. Der Regler des Luftventils ist so voreingestellt, dass sich der Luftdruck bis kurz vor Öffnen des Rückschlagventils einstellt während des Zeitraumes 310, damit durch den Luftstrom ein möglichst starker Unterdruck in der Harnstoffleitung entsteht und somit das Dämpfungsglied (beispielsweise eine flexible Leitung) sich zusammenzieht und Harnstoff aus der Leitung herausgezogen wird.
Anschließend wird zum Zeitpunkt 320 das Luftventil vorzugsweise schlagartig geschlossen und der Unterdruck in der Harnstoffleitung verschwindet. Hierdurch erfolgt ein Ausdehnen des Dämpfungsgliedes und das in der Düse befindliche so genannte AdBlue, d. h. die Harnstofflösung wird aus der Düse in die Dosierleitung zurückgezogen. In bestimmten Situationen kann auch ein nicht schlagartiges Schließen mit einem gewissen zeitlichen Profil erforderlich sein.
Eine vierte mögliche Abschaltroutine ist in 8 dargestellt. Dabei erfolgt zum Zeitpunkt 400 die Abschaltung der Dosierpumpe während dessen die Druckluftförderung auf dem identischen Druckniveau während des Zeitraumes 410 weiter erhalten beleibt. Während des auf die Abschaltung 400 folgenden Zeitraumes 410 bleibt der Luftstrom unverändert erhalten und durch den Unterdruck in der Harnstoffleitung wird die Luftblase am Drucksensor gedehnt und es wird etwas Reduktionsmittellösung herausgezogen.
Zum Zeitpunkt 420 wird das Luftventil vorzugsweise schlagartig geschlossen, d. h. die Druckluftförderung wird schlagartig eingestellt und der Unterdruck in der Harnstoffleitung verschwindet, wodurch sich die Luftblase am Drucksensor etwas zusammenzieht und die Harnstofflösung an der Düse in die Dosierleitung zurückgezogen wird. In bestimmten Situationen kann auch ein nicht schlagartiges Schließen mit einem gewissen zeitlichen Profil erforderlich sein.
Dadurch dass die Druckluftförderung zeitlich nach der Harnstoffförderung eingestellt wird, wird in vorteilhafter Weise die Wirkung des Dämpfungsgliedes 9 genutzt, um die Düse 5 nach Abschaltung der Dosierung von Reduktionsmittel zu reinigen, um somit einem möglichen Verstopfen durch Auskristallisierung vorzubeugen. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Dosiersystem nach einer Unterbrechung der Dosierung jederzeit wieder unmittelbar in Betrieb genommen werden kann zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.
Ein Rechenbeispiel für den beschriebenen Effekt der sich bildenden Luftblase ist nachfolgend angegeben:
Beispielvorgaben:

Luftblase = 5 ml
Luftdruck = Umgebungsdruck ~1000 mbar
Erzeugter Unterdruck durch den Luftstrom = 20 mbar
Volumenänderung der Luftblase nach dem Abstellen der Luft:
Differenz Volumen = 5 ml [980 mbar mit Luftstrom] – 5 ml·1000 mbar/980 mbar [1000 mbar Luftstrom aus] = 5 ml – 5·980/1000 ml = 5 ml – 4,9 ml = 0,1 ml

Das heißt, 0,1 ml Reduktionsmittellösung, z. B. AdBlue werden aus der Düse in die Dosierleitung zurückgezogen.
Zum Beispiel bei einer 2 mm Bohrung in der Düse ist dies eine Strecke von:
zurückgezogene Flüssigkeitsstrecke = Volumen/Bohrungsfläche
= 0,1 ml/(2 mm·2 mm·3,1415/4)
mit 1 ml = 1000 mm³
= 100 mm³/3,1415 mm²
= ca. 32 mm
Unter den gegebenen Annahmen stellt sich somit eine Säule von über 30 mm ein, die von Harnstofflösung befreit wird. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Düse 5 nach Abschaltung der Dosierung nicht verstopfen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 70070 [0003]
- DIN 70070 [0003]
- DIN 70070 [0012]

Claims

Dosiersystem zur Eindüsung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstofflösung, in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei das Dosiersystem mit einem Tank (1), aus dem Reduktionsmittel entnehmbar ist, verbindbar/verbunden ist, welches mittels einer Pumpe (3) gefördert wird, wobei das Dosiersystem einen ersten reduktionsmittelführenden Strang (4) aufweist, und wobei das Dosiersystem eine Druckluftversorgung (6) und einen zweiten druckluftführenden Strang (8) und zumindest eine Düse (5) aufweist, die mit beiden Strängen (4, 8) gekoppelt ist und durch die das Reduktionsmittel zusammen mit der Druckluft in den Abgasstrom eindüsbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem in dem reduktionsmittelführenden Strang (4) zumindest ein Dämpfungsglied (9) zum Ausgleich von Druckschwankungen aufweist.
Dosiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (9) durch einen oder mehrere dehnbare Leitungsabschnitte und/oder zumindest eine Gasblase gebildet ist.
Dosiersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem eine Dosierpumpe (3) zur Förderung des Reduktionsmittels aufweist, insbesondere eine diskontinuierlich fördernde Pumpe, insbesondere eine Membranpumpe oder eine Kolbenpumpe.
Dosiersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der druckluftfördernde Strang (8) ein Drosselventil und/oder ein Regelventil (7) aufweist, insbesondere dass der Druck und/oder die Luftmenge und/oder Ventilöffnungszeiten in dem druckluftfördernden Strang (8) regelbar sind/geregelt werden.
Dosiersystem nach einem dervorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Luftventil (7) im druckluffördernden Strang (8) und der Düse (5) ein Sensor zur Messung des Druckes und/oder der Luftmenge in dem druckluftfördernden Strang (8) angeordnet ist.
Dosiersystem nach einem dervorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem Mittel zur Berechnung des Abgasmassenstromes oder einen Sensor zur Messung des Abgasmassenstromes und/oder einen Sensor zur Messung der Abgastemperatur aufweist.
Dosiersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversorgung einen Kompressor aufweist.
Dosiersystem nach einem dervorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Strang (4) und dem zweiten Strang (8) eine Verbindungsleitung angeordnet ist, wobei die Verbindungsleitung ein Rückschlagventil (14) aufweist.
Dosiersystem nach einem dervorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem ein Steuergerät aufweist, mittels dessen eine Dosierpumpe (3) und/oder ein Luftventil (7) und/oder ein Drosselventil und/oder ein Verdichter in Abhängigkeit der von einem oder mehreren Sensor/en erfassten Messwerte/n steuerbar ist/gesteuert wird.
Dosiersystem nach einem dervorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem einen Reduktionsmitteltank, insbesondere einen Harnstofflösungstank (1), aufweist.