DE102009009711A1

DE102009009711A1 - Abgasreinigungseinrichtung für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102009009711A1
Application number: DE102009009711A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rusche; Gerd Dr. Gaiser
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-08-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, bei welcher für die Reinigung des Abgases ein fluides Reduktionsmittel verwendet wird. Die Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge weist einen Tank (1) für ein fluides Reduktionsmittel (2), eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende Düse (3) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4) und eine Pumpe (6; 6') zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) über eine Fluidverbindung aus dem Tank (1) zur Düse (3) auf. Gemäß eines Aspekts weist die Abgasreinigungseinrichtung wenigstens einen Durchflussmesser (7) für das Reduktionsmittel (2) auf, der in der Fluidverbindung zwischen dem Tank (1) und der Düse (3) angeordnet ist. Gemäß eines weiteren Aspekts ist die Düse (3) eine gesteuert öffen- und schließbare Düse 3*), die über die Fluidverbindung mit dem Tank (1) und weiter mit einer Steuerung (10) verbunden ist, und ist weiter eine in der Fluidverbindung zwischen Tank (1) und Düse (3) angeordnete und mit der Steuerung (10) verbundene Druckänderungseinheit (60) vorgesehen, welche ausgebildet ist, den Einspritzdruck des über die Düse (3) in den Abgasstrom (4) eingespritzten Reduktionsmittels (2) in Abhängigkeit von einem von der Steuerung (10) empfangenen Steuersignal zu ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für Fahrzeuge, bei welcher für die Reinigung des Abgases ein fluides und insbesondere ein flüssiges Reduktionsmittel verwendet wird.
Bei der thermischen Verwertung von festen, gasförmigen und flüssigen natürlichen und fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Kohle, Gas, Öl und Holz treten Stickoxide No_x auf. Stickoxide sind insbesondere im Abgas von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge enthalten. Besonders hoch ist der Anteil von Stickoxiden im Abgas von dieselbetriebenen Verbrennungsmotoren.
Stickoxide stehen im Verdacht, die menschlichen Atmungsorgane zu reizen oder zu schädigen (insbesondere Stickstoffdioxid NO₂). Weiter werden Stickoxide mit der Entstehung des ”Sauren Regens” infolge von Bildung von Salpetersäure (HNO₃) durch Reaktion mit Wasser (H₂O) (2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂) oder durch Aufnahme von N₂O₅ in Aerosolpartikel und nachfolgender Bildung von NO₃- in flüssiger Phase in Verbindung gebracht. Weiter gelten Stickoxide als an der Bildung von Smog und (unter Einfluss von UV-Strahlung) Ozon (O₃) beteiligt.
In der Folge werden verstärkt Anstrengungen unternommen, den Gehalt von Stickoxiden im Abgas zu reduzieren. Hierfür wurde vorgeschlagen, ein ungiftiges fluides Reduktionsmittel aus Wasser (H₂O) und Harnstoff (CH₄N₂O) präzise dosiert in den (noch heißen) Abgasstrom einzuspritzen. Es entsteht Ammoniak (NH₃), der mit den Stickoxiden des Abgases in einem der Einspritzung entlang des Abgasstroms nachgeschalteten SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction = Selektive katalytische Reduktion) zu unschädlichem Stickstoff und Wasser reagiert. Unter dem Markennamen AdBlue kann als flüssiges Reduktionsmittel mit Wasser versetzter Harnstoff (32,5%-ige wässrige Harnstofflösung) bezogen werden. Die Einspritzung des Reduktionsmittels kann dabei beispielsweise als Aerosol mit Druckluft vermischt oder direkt in flüssiger Form erfolgen. Die direkte Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel anstelle von Harnstoff ist theoretisch möglich, aufgrund der ätzenden, umweltgefährdenden und giftigen Eigenschaft von Ammoniak jedoch problematisch.
Nachteilig an der Reinigung von Abgas mittels eines derartigen insbesondere flüssigen Reduktionsmittels ist neben der Tatsache, dass zusätzlich zum Brennstoff Reduktionsmittel bereitgestellt werden muss, dass das Reduktionsmittel in Abhängigkeit von einem jeweiligen Massenstrom, Zusammensetzung und Temperatur des Abgasstroms (und damit in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors) genau dosiert in den Abgasstrom eingespritzt werden muss. Eine Überdosierung ist zu vermeiden, um den Verbrauch an Reduktionsmittel und damit die mitzuführende Menge an Reduktionsmittel möglichst gering zu halten. Eine Unterdosierung ist zu vermeiden, da das Abgas sonst nur unzureichend gereinigt wird.
Bei herkömmlichen Abgasreinigungseinrichtungen wird die dosierte Menge an Reduktionsmittel indirekt bestimmt, beispielsweise über eine Messung des Drucks des Reduktionsmittels in Verbindung mit einer bekannten Durchflussblende oder durch Verwendung einer Dosierpumpe mit bekanntem Kammervolumen. Um die Genauigkeit der Dosiermenge zu erhöhen ist es weiter bekannt, einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Reduktionsmittels zu verwenden. Hierdurch können Schwankungen der Dichte und/oder Viskosität des Reduktionsmittels beispielsweise mittels einer empirisch ermittelten Kennlinie analytisch berücksichtigt werden.
Weiter ist bekannt, im Abgasstrom einer Abgasreinigungsanlage stromabwärts eines SCR-Katalysatorelements einen Stickoxidsensor vorzusehen, um den Stickoxidgehalt des gereinigten Abgases zu bestimmen und das Reduktionsmittel in Abhängigkeit von dem gemessenen Stickoxidgehalt geeignet zu dosieren. Die bei Verwendung eines Stickoxidsensors erreichbare Dosiergenauigkeit ist aufgrund von Unzulänglichkeiten der verfügbaren Sensoren und dem Vermögen des SCR-Katalysatorelements, im Abgasstrom zwischen einer Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels und dem Stickoxidsensor Ammoniak zu speichern, unbefriedigend.
Ein weiteres Problem bei der Dosierung des eingespritzten Reduktionsmittels stellen im Reduktionsmittel vorhandene Luftblasen dar. Luftblasen können im Reduktionsmittel vorhanden sein, da derartige Abgasreinigungseinrichtungen in der Regel nicht kontinuierlich betrieben werden, und die das Reduktionsmittel führenden Leitungen bei Inbetriebnahme der Abgasreinigungseinrichtung erst mit Reduktionsmittel gefüllt werden müssen. Zur Lösung dieses Problems ist bekannt, bei Inbetriebnahme der Abgasreinigungseinrichtung vor dem Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom ein Spülen der Leitungen mit Reduktionsmittel durchzuführen. Hierfür ist erforderlich, dass eine Rücklaufleitung für das Reduktionsmittel vorhanden ist, die über ein schaltbares Ventil verschlossen werden kann.
Bei der Reinigung von Abgas mittels Reduktionsmittel ist neben der Einbringung der optimalen Menge an Reduktionsmittel in den Abgasstrom auch wichtig, auf welche Art und Weise das Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingebracht wird. Der Grund ist, dass für eine gute Reinigung des Abgases eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels über den gesamten Querschnitt des Abgasstromes erforderlich ist. So ist beispielsweise zu vermeiden, dass sich Reduktionsmittel aufgrund zu großer Tröpfchengröße beim Einspritzen auf einer der Düse gegenüberliegenden Wand einer den Abgasstrom führenden Leitung niederschlägt. Niedergeschlagenes Reduktionsmittel verdampft langsamer als feine Tröpfchen, so dass die Gefahr besteht, dass der Abgasstrom nur unzureichend mit Reduktionsmittel versorgt wird. Bei Verwendung eines Regelkreises mit dem Stickoxidgehalt des gereinigten Abgases als Regelgröße wird zudem die Regelzeit länger. Bei zu kleiner Tröpfchengröße besteht hingegen die Gefahr, dass die Tröpfchen aufgrund ihrer geringen Masse unmittelbar an der Düse vom Abgasstromes mitgenommen werden oder verdampfen und sich so nicht über den ganzen Querschnitt des Abgasstromes verteilen können. In diesem Fall wird der Randbereich des Abgasstroms im Bereich der Düse mit Reduktionsmittel überversorgt, während andere Bereiche unterversorgt werden. Im ungünstigsten Fall können sich kleine Tröpfchen aufgrund von Verwirbelungen auf einer die Düse umgebenden Wand der den Abgasstrom führenden Leitung niederschlagen, was ebenfalls zu einer ungenügenden Versorgung des Abgases mit Reduktionsmittel führt.
Es wird vorgeschlagen, die Einspritzung des Reduktionsmittels in den Abgasstrom so auszulegen, dass sich für einen mittleren Massenstrom des Abgases und für eine mittlere Temperatur des Abgases eine möglichst gute Verteilung des Reduktionsmittels über den Querschnitt des Abgasstroms ergibt. Diese Auslegung erfolgt durch geeignete Wahl der verwendeten Düse in Abhängigkeit von der Wahl des konstanten Drucks, mit dem das Reduktionsmittel über die Düse in den Abgasstrom eingespritzt wird. Die Abhängigkeit der Wahl der Düse von dem Druck ergibt sich daraus, dass sich für eine Düse bei unterschiedlichen Drücken unterschiedliche Sprühbilder mit unterschiedlichen Tröpfchengrößen ergeben.
Eine Anpassung der eingespritzten Menge an Reduktionsmittel an einen sich ändernden Massenstrom des Abgases kann über eine Anpassung von entweder der Öffnungsdauer der Düse bei gleichem Abstand zwischen zwei Einspritzvorgängen oder des zeitlichen Abstandes zwischen zwei Einspritzvorgängen mit gleicher Öffnungsdauer erfolgen. Dies kann beispielsweise bei Verwendung von aktiven, d. h. gesteuert öffen- und schließbaren Düsen durch Kontrolle der Öffnungsdauer bzw. der Öffnungsfrequenz der Düse und bei passiven, d. h. nicht gesteuert öffen- und schließbaren Düsen durch entsprechende Ansteuerung einer das Reduktionsmittel fördernden Pumpe bzw. eines separaten Ventils erfolgen. Dabei weist die Kontrolle der Öffnungsdauer der Düse bei vorgegebener Frequenz den Nachteil auf, dass sich häufig lange Öffnungsdauer mit langen Pausen abwechseln. Die Kontrolle der Öffnungsfrequenz der Düse bei vorgegebener Öffnungsdauer weist den Nachteil auf, dass es bei sehr kurz aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen aufgrund von Nichtlinearitäten zu einer ungenauen Dosierung des Reduktionsmittels kommen kann. Diese Nichtlinearitäten treten aufgrund einer unzureichenden Ausbildung des Sprühbilds der Düse zu Beginn und am Ende eines jeden Einspritzvorgangs auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, bei welcher für die Reinigung des Abgases ein fluides Reduktionsmittel verwendet wird, und welche eine verbesserte Dosierung des fluiden Reduktionsmittels in einen zu reinigenden Abgasstrom mit kurzen Regelzeiten erlaubt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, bei welcher eine verbesserte Verteilung eines für die Reinigung des Abgases verwendeten fluiden Reduktionsmittels über den gesamten Querschnitt eines zu reinigenden Abgasstroms auch bei sich ändernden Massenströmen des zu reinigenden Abgases erzielt werden kann.
Ausführungsformen einer Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge weisen einen Tank für ein fluides und insbesondere flüssiges Reduktionsmittel, wenigstens eine in den Abgasstrom des Fahrzeugs mündende Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom und eine Pumpe zum Pumpen des Reduktionsmittels aus dem Tank zur Düse auf. Dabei erfolgt die Führung des Reduktionsmittels von dem Tank zur Düse über eine Fluidverbindung zwischen Tank und Düse. Diese Fluidverbindung kann von einem oder mehreren Bauteilen, welche das zwischen Tank und Düse strömende fluide Reduktionsmittel führen, bereitgestellt werden. Beispielsweise können Abschnitte der Fluidverbindung von einer Leitung, einer Pumpe, einem Ventil etc. gebildet werden. Auch der Tank oder die Düse können Abschnitte der Fluidverbindung bereitstellen. Weiter ist in der Fluidverbindung zwischen dem Tank und der Düse wenigstens ein Durchflussmesser (insbesondere ein Durchflussmengenmesser) für das Reduktionsmittel angeordnet. Der Durchflussmesser ist zum Erfassen der in der Fluidverbindung in einer Zeiteinheit geführten Menge des Reduktionsmittels ausgebildet.
Dabei bedeutet ”in der Fluidverbindung angeordnet”, dass der Durchflussmesser so angeordnet ist, dass er die Durchflussmenge des über die Fluidverbindung pro Zeiteinheit geführten Reduktionsmittels bestimmen kann. Beispielsweise kann der Durchflussmesser zwischen zwei Bauteilen, welche das zwischen Tank und Düse strömende Reduktionsmittel führen, angeordnet sein. Alternativ kann der Durchflussmesser in wenigstens ein Bauteil integriert sein, welche das Reduktionsmittel führt. Bei der Düse kann es sich beispielsweise um eine aktiv (d. h. gesteuert) oder passiv öffen- und schließbare Düse handeln. Eine aktiv öffen- und schließbare Düse ist z. B. eine Düse mit integriertem elektrischem, pneumatischem oder hydraulischem Schaltventil; eine passiv öffen- und schließbare Düse ist z. B. eine Düse mit Rückschlagventil. Alternativ kann es sich auch um eine nicht gesteuert öffen- und schließbare Düse handeln, und die Ausgabe des Reduktionsmittels über die Düse durch die Pumpe und/oder ein separates Ventil zwischen Pumpe und Düse gesteuert werden.
In der vorstehenden Ausführungsform werden die Nachteile der indirekten Bestimmung der dosierten Menge an Reduktionsmittel durch zusätzliche Verwendung eines Durchflussmessers gelöst, welcher die Menge des der Düse pro Zeiteinheit zugeführten Reduktionsmittels insbesondere unmittelbar bestimmt. Eine so ermittelte Menge kann für die Steuerung der Dosierung des Reduktionsmittels und/oder zu Kontrollzwecken verwendet werden. Die exakte Bestimmung der über die Düse ausgegebenen Reduktionsmittelmenge hat den weiteren Vorteil, dass ein geschlossener Regelkreis zur Regelung der aktuell benötigten Dosiermenge an Reduktionsmittel möglich ist. Dieser Regelkreis hat im Vergleich zur indirekten Bestimmung der über die Düse ausgegebenen Menge an Reduktionsmittel (z. B. mittels eines Stickoxidsensors im gereinigten Abgasstrom) eine kürzere Regelzeit, da er den mittels des Durchflussmessers gemessenen Durchfluss direkt als Regelgröße beinhaltet. Auf diese Weise können Abweichungen von Bauteilen der Abgasreinigungseinrichtung, wie sie durch Streuung im Fertigungsprozess auftreten, mittels des Regelkreises ausgeglichen werden. Eine aufwändige Kalibrierung der Abgasreinigungseinrichtung ist auch beim Austausch oder der Reparatur einzelner Bauteile nicht nötig. Auch Veränderungen der Bauteile der Abgasreinigungs einrichtung, wie sie beispielsweise durch Verschleiß auftreten, können so mittels des Regelkreises ausgeglichen werden. Weiter wird unter Annahme einer bekannten Abgasnachbehandlungsstrecke bei bekannter Dosiermenge des eingespritzten Reduktionsmittels eine indirekte Funktionskontrolle eines im Abgasstrom stromabwärts der Abgasnachbehandlung angeordneten Stickoxidsensors oder Ammoniaksensors ebenso ermöglicht, wie die Detektion eines Defekts eines Bauteils der Abgasreinigungseinrichtung oder einer Leckage der das Reduktionsmittel führenden Leitungen.
Ein weiterer Vorteil der vorstehenden Ausführungsform ist, dass sie unabhängig von der Art der Steuerung der Einspritzung des Reduktionsmittels (welche Steuerung beispielsweise über die Frequenz, Einspritzdauer oder den Einspritzdruck erfolgen kann) auf einfache und zuverlässige Weise eine genaue Bestimmung des pro Zeiteinheit zugeführten Reduktionsmittels ermöglicht. Dies gilt insbesondere auch für den Fall, in dem ein Einspritzdruck des über die Düse eingespritzten Reduktionsmittels änderbar ist. Bei Verwendung einer aktiv öffen- und schließbaren Düse ist beispielsweise eine Steuerung über die Frequenz, Öffnungsdauer oder den Nadelhub möglich, wohingegen ein Steuerung des Einspritzdrucks beispielsweise über eine steuerbaren Drossel oder steuerbaren Pumpe erfolgen kann. Die Verwendung von komplizierten Kennfeldern der verwendeten Bauteile und von komplizierten Rechenalgorithmen, welche zur indirekten Bestimmung der Durchflussmenge an Reduktionsmittel im Stand der Technik erforderlich sind, ist bei Verwendung eines Durchflussmessers nicht nötig.
Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Durchflussmesser ausgebildet, einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom des der Düse zugeführten Reduktionsmittels zu bestimmen. Wird der Massenstrom des der Düse zugeführten Reduktionsmittels bestimmt, können im Reduktionsmittel vorhandene oder entstehende Luftblasen bei der Dosierung des Reduktionsmittels berücksichtigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Abschnitt der Fluidverbindung zwischen Tank und Düse durch eine Verbindungsleitung zwischen dem Durchflussmesser und der Düse bereitgestellt, welche Verbindungsleitung ausschließlich einen Ausgang des Durchflussmessers mit einem Eingang der Düse verbindet. Zwischen dem Durchflussmesser und der Düse ist somit weder ein Zufluss von weiterem Reduktionsmittel noch ein Abfluss von Reduktionsmittel vorgesehen, so dass die von der Düse erhaltende Durchflussmenge an Reduktionsmittel durch den Durchflussmesser genau erfasst werden kann. Beispielsweise kann der Durchflussmesser im Strömungsweg des Reduktionsmittels zur Düse in eine Verbindungsleitung wie beispielsweise eine Schlauchleitung integriert und von dem Reduktionsmittel durchströmt sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem Tank und dem Durchflussmesser bzw. dem Tank und der Düse weiter eine Rücklaufleitung zum Rückführen des Reduktionsmittels in den Tank vorgesehen. Diese Rücklaufleitung ist somit mit einem Abschnitt der Fluidverbindung für das Reduktionsmittel zwischen dem Tank und dem Durchflussmesser bzw. der Düse verbunden. Ein derartiger Aufbau bietet die Möglichkeit, die Leitung für das Reduktionsmittel zu spülen. Weiter kann das Reduktionsmittel durch Einblasen von Luft aus der Leitung verdrängt und die Leitung so von Reduktionsmittel entleert werden (beispielsweise aus Frostschutzgründen).
Dabei kann in der Rücklaufleitung ein Rücklaufventil angeordnet sein. Durch getaktetes Schalten eines derartigen Rücklaufventils kann die Ausgabe des Reduktionsmittel über die Düse kontrolliert werden. Der Grund ist, dass die Düse in der Regel für das Reduktionsmittel einen deutlich größeren Flusswiderstand darstellt, als das geöffnete Rücklaufventil. Weiter kann so beispielsweise bei Verwendung einer passiv öffen- und schließbaren Düse der zum Schalten erforderliche Druck des Reduktionsmittels bereitgestellt werden.
In einer weiterten Ausführungsform ist in der Rücklaufleitung ein zweiter Durchflussmesser für das Reduktionsmittel angeordnet. In der Folge ist es durch Subtraktion des von dem zweiten Durchflussmessers ermittelten Wertes von dem durch den ersten Durchflussmesser ermittelten Wert auf einfache und zuverlässige Weise möglich, die über die Düse ausgegebene Menge an Reduktionsmittel zu bestimmen und die Leitung und/oder Düse dennoch mit Reduktionsmittel zu spülen. Ein derartiges Spülen kann beispielsweise erforderlich sein, um die Düse zu kühlen.
Die Düse und die Pumpe zum Pumpen des Reduktionsmittels aus dem Tank zur Düse können in Ausführungsformen einstückig ausgebildet sein und so eine Pumpe-Düse-Einheit bilden. Eine derartige Pumpe-Düse-Einheit kann Vorteile gegenüber einer Düse mit schaltbarem Ventil aufweisen. Beispielsweise ist es ausreichend, den Einspritzdruck erst unmittelbar vor der Düse auf kurzer Distanz bereitzustellen.
Dabei kann weiter eine Förderpumpe zum Fördern des Reduktionsmittels aus dem Tank zur Pumpe-Düse-Einheit vorgesehen sein. Bei Verwendung einer derartigen Förderpumpe kann die Pumpe der Pumpe-Düse-Einheit besonders kompakt ausgebildet werden. Weiter muss die Pumpe der Pumpe-Düse-Einheit dann keine besonderen Saugeigenschaften aufweisen.
In weiteren Ausführungsformen ist das Reduktionsmittel ein Ammoniak freisetzendes Reduktionsmittel und insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Weiter ist im Abgasstrom stromabwärts der Düse ein SCR-Katalysatorelement angeordnet, welches das Abgas mittels des eingespritzten Harnstoffs reinigt.
Dann kann die Abgasreinigungseinrichtung weiter einen im Abgasstrom stromaufwärts und/oder stromabwärts des SCR-Katalysatorelements angeordneten Stickoxidsensor zum Bestimmen des Stickoxidgehalts des Abgasstroms aufweisen.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Abgasreinigungseinrichtung, ferner wenigstens eine Steuerung, welche die Pumpe und/oder das Rücklaufventil und/oder die Düse steuert und als Eingangssignal ein Ausgangssignal des wenigstens einen Durchflussmessers und/oder des Stickoxidsensors erhält. Bei dieser Steuerung kann es sich beispielsweise um die Motorsteuerung eines das Abgas erzeugenden Verbrennungsmotors handeln. Die Steuerung kann jedoch auch getrennt von der Motorsteuerung vorgesehen sein.
Als Durchflussmesser kann in Ausführungsformen ein nach dem thermischen Messprinzip arbeitender Durchflusssensor, ein Ultraschalldurchflusssensor, ein Sensor nach dem Differenz druckverfahren oder ein magnetisch induktiver Durchflusssensor (MID) verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung einer bestimmen Bauart des Durchflussmessers beschränkt. Durch Verwendung eines Durchflusssensors, der die Dichte des zu messenden Mediums (hier des Reduktionsmittels) oder das Auftreten und die Verteilung von Gasblasen berücksichtigt, kann die Genauigkeit des Systems erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Pumpe eine Dosierpumpe und/oder ist die Düse eine Dosierdüse und/oder ist in der Fluidverbindung zwischen dem Tank und der Düse ein Dosierventil angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Durchflussmesser in die Düse integriert oder wird der Durchflussmesser durch die Düse bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Pumpe und der Durchflussmesser getrennte, über eine Verbindungsleitung verbundene Bauteile. Somit sind die Pumpe und der Durchflussmesser gemäß dieser Ausführungsform nicht als ein einziges Bauteil ausgebildet, und wird der Durchflussmesser gemäß dieser Ausführungsform nicht durch die Pumpe bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die auch mit den vorstehenden Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist die Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge einen Tank für ein fluides Reduktionsmittel, eine in den Abgasstrom des Fahrzeugs mündende, gesteuert öffen- und schließbare Düse, eine Pumpe zum Pumpen des Reduktionsmittels über die Fluidverbindung aus dem Tank zur Düse und eine mit der Düse verbundene Steuerung, um die Düse zu steuern, auf. Dabei ist die Düse über eine Fluidverbindung mit dem Tank verbunden und dient zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom. Weiter ist entweder die Düse selbst gesteuert öffen- und schließbar (es handelt sich dann um eine sogenannte aktive Düse), oder vor der Düse ist ein separates schaltbares Ventil angeordnet (welches Ventil auch an der Düse befestigt sein kann). Bei dieser Steuerung kann es sich beispielsweise um die Motorsteuerung eines das Abgas erzeugenden Verbrennungsmotors handeln. Die Steuerung kann jedoch auch getrennt von der Motorsteuerung vorgesehen sein. Gemäß einer Ausführungsform beträgt eine Länge einer Fluidverbindung für das Reduktionsmittel zwischen einer Düsenöffnung der Düse in den Abgasstrom und dem die Öffen- und Schließfunktion bereitstellenden Bauteil (z. B. einem in die Düse integrierten oder separat von der Düse vorgesehenen Ventil) maximal 10 cm und bevorzugt maximal 5 cm und weiter bevorzugt maximal 3 cm. Die Abgasreinigungseinrichtung weist weiter eine in der Fluidverbindung zwischen Tank und Düse angeordnete und mit der Steuerung verbundene Druckänderungseinheit auf, welche ausgebildet ist, den Einspritzdruck des über die Düse in den Abgasstrom eingespritzten Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einem von der Steuerung empfangenen Steuersignal zu ändern. Dabei bedeutet ”zu ändern”, dass sich der im Betrieb auftretende höchste Einspritzdruck um mehr als 10% und bevorzugt mehr als 20% und weiter bevorzugt mehr als 30% von dem im Betrieb auftretenden niedrigsten Einspritzdruck unterscheidet.
Durch Änderung des Einspritzdrucks des über die Düse in den Abgasstrom eingespritzten Lösungsmittels kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise sichergestellt werden, dass der Eintrag des Reduktionsmittels auch bei sich ändernden Massenströmen des zu reinigenden Abgases gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des zu reinigenden Abgasstroms erfolgt. Ohne Anpassung des Einspritzdruckes und damit der Austrittsgeschwindigkeit des Reduktionsmittels aus der Düse kann das eingespritzte Reduktionsmittel sich bei sehr großen Massenströmen des Abgases nicht über den ganzen Querschnitt des Abgasstromes verteilen, sondern wird von dem Abgasstrom in Nähe der Düse mitgerissen. Dann wird ein Randbereich in der Nähe der Düse mit dem Reduktionsmittel überversorgt, wohingegen andere Bereiche des Abgasstroms unterversorgt sind. Bei kleinen Massenströmen des zu reinigenden Abgases besteht ohne Anpassung des Einspritzdruckes hingegen die Gefahr, dass das eingespritzte Reduktionsmittel so tief in den Abgasstrom eindringt, dass es eine gegenüberliegende Wand einer den Abgasstrom führenden Leitung erreicht und benetzt, statt der Strömung des Abgasstromes zu folgen und auf kurzer Strecke zu verdampfen.
In Abhängigkeit von einer jeweils verwendeten Düsenöffnung ist es auch möglich, über den Einspritzdruck das Sprühbild der Düse und insbesondere einen Sprühwinkel der Düse zu beeinflussen. Bei entsprechender Ausgestaltung der Düsenöffnung ist es auch möglich, dass sich bei höherem Druck ein Randkegel aus besonders feinen Tröpfchen an Reduktionsmittel bildet, während beispielsweise der innere Bereich des Sprühbildes aus größeren Tröpfchen besteht.
Durch Kombination mit dem in den vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen Durchflussmesser für das Reduktionsmittel ist es auch in dieser Ausführungsform möglich, bei sich ändernden Einspritzdrücken die pro Zeiteinheit in den Abgasstrom eingebrachte Menge an Reduktionsmittel genau zu bestimmen. Dies ist besonders vorteilhaft, da insbesondere bei sich ändernden Einspritzdrücken Nichtlinearitäten auftreten können, welche eine Erfassung der pro Zeiteinheit eingespritzten Menge an Reduktionsmittel über Kennlinien der Düse erschwert oder unmöglich machen. Weiter ist so ein geschlossener Regelkreis möglich.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Druckänderungseinheit eine in der Fluidverbindung zwischen Pumpe und Düse angeordnete steuerbare Drossel oder ein steuerbares Ventil. Die Druckänderungseinheit kann auch in die Düse integriert sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Pumpe zum Pumpen des Reduktionsmittels aus dem Tank zur Düse eine Pumpe mit steuerbarem Ausgabedruck. Somit stellt die Pumpe die Druckänderungseinheit bereit, so dass ein separates Bauteil für die Druckänderungseinheit nicht erforderlich ist. Die Änderung des Ausgabedrucks kann beispielsweise bei rotierenden Pumpen wie z. B. einer Kreiselpumpe, Zahnradpumpe oder Drehschieberpumpe über eine Anpassung der Drehzahl erfolgen. Die Änderung des Ausgabedrucks kann beispielsweise bei einer oszillierenden Pumpe wie z. B. einer Kolbenpumpe oder Membranpumpe durch Anpassung der Hubfrequenz, der Hublänge und der Hubgeschwindigkeit erfolgen. Dabei treten bei einer solchen Anpassung Druckschwankungen auf. Diese Druckschwankungen können beispielsweise durch Kombination der vorstehenden Anpassungsmöglichkeiten reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abgasreinigungseinrichtung weiter einen in der Fluidverbindung zwischen der Druckänderungseinheit und der Düse angeordneten und mit der Steuerung verbundenen Drucksensor zum Messen des Drucks des der Düse zugeführten Reduktionsmittels auf. Dabei ist die Steuerung ausgebildet, die Druckänderungseinheit in Abhängigkeit von dem über den Drucksensor gemessenen Einspritzdruck des Reduktionsmittels zu steuern. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen Zieldruck und aktuellem Druck z. B. über einen PID-Regel-Algorithmus erfolgen (PID = Proportional-Integral-Differential).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abgasreinigungseinrichtung weiter einen mit der Fluidverbindung zwischen Druckänderungseinheit und Düse verbundenen Druckspeicher zum Speichern des in der Fluidverbindung zwischen Druckänderungseinheit und Düse aufgebauten Drucks auf. Durch Verwendung eines Druckspeichers können zum einen Druckschwankungen ausgeglichen werden, und kann zum anderen ein aufgebauter Druck gespeichert werden. Dieser Druckspeicher kann beispielsweise ein separates Bauteil in Form eines Hydraulikspeicher sein, oder auch ohne separates Bauteil durch Verwendung von dehnbaren Leitungen für das Reduktionsmittel entlang der Fluidverbindung zwischen Druckänderungseinheit und Düse realisiert sein. Gemäß einer Ausführungsform ist der Druckspeicher auf Drücke von zwischen 4 bar und 20 bar und bevorzugt von zwischen 5 bar und 9 bar ausgelegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abgasreinigungseinrichtung weiter eine Rücklaufleitung für das Reduktionsmittel auf, entlang welcher Rücklaufleitung ein mit der Steuerung verbundenes und durch die Steuerung gesteuertes Rücklaufventil angeordnet ist. Ein Ende der Rücklaufleitung steht mit der Fluidverbindung für das Reduktionsmittel zwischen Druckänderungseinheit und Düse in Verbindung. Das andere Ende der Rücklaufleitung ist mit dem Tank und/oder einer Einlassseite der Pumpe verbunden. Durch entsprechendes Ansteuern des Rücklaufventils ist es möglich, den in der Fluidverbindung zwischen Druckänderungseinheit und Düse aufgebauten Druck des Reduktionsmittels auch ohne Öffnung der Düse und auch bei Vorsehen eines Druckspeichers schnell gezielt zu reduzieren oder völlig abzubauen. Die Rücklaufleitung und das Rücklaufventil können beispielsweise als separate Bauteile ausgeführt oder in Form eines Bypasskanals in die Druckänderungseinheit (z. B. die Pumpe) integriert sein. Beispielsweise kann der Bypasskanal in eine Dichtung einer die Druckänderungseinheit bereitstellenden Pumpe integriert sein. Ein weiterer Vorteil des Vorsehens einer Rücklaufleitung und eines Rücklaufventils kann darin bestehen, dass bei abgeschalteter Abgasreinigungseinrichtung ein insbesondere selbsttätiger Abbau des Drucks in der Abgasreinigungseinrichtung möglich ist. Weiter kann so eine Entleerung von Leitungen der Abgasreinigungseinrichtung von Reduktionsmittel erfolgen, wodurch ein Schutz vor einer Beschädigung durch Gefrieren des Reduktionsmittels erreicht werden kann. Schließlich kann so auch ein Spülen der Düse mit Reduktionsmittel, um die Düse zu kühlen, ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Druckänderungseinheit so zu steuern, dass sich ein höherer Einspritzdruck des über die Düse in den Abgasstrom eingespritzten Reduktionsmittels und ein niedrigerer Einspritzdruck des über die Düse in den Abgasstrom eingespritzten Reduktionsmittels abwechseln. Dabei ist der höhere Einspritzdruck um wenigstens 10% und bevorzugt um wenigstens 20% und weiter bevorzugt um wenigstens 30% höher als der niedrige Einspritzdruck.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Düse so zu steuern, dass sich eine längere Öffnungsdauer der Düse und eine kürzere Öffnungsdauer der Düse abwechseln. Dabei ist die längere Öffnungsdauer um wenigstens 10% und bevorzugt um wenigstens 20% und weiter bevorzugt um wenigstens 30% länger als die kürzere Öffnungsdauer.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen weniger als 1000 ms und bevorzugt weniger als 100 ms und weiter bevorzugt weniger als 10 ms.
Auf diese Weise ist eine Einspritzung möglich, bei der ein Einspritzvorgang beispielsweise in zwei aufeinanderfolgende Teileinspritzungen mit unterschiedlichem Druck und/oder unterschiedlicher Öffnungsdauer der Düse aufgeteilt ist. Auf diese Weise können die Vorteile einer langen Öffnungsdauer der Düse pro Einspritzvorgang (große Eindringtiefe des eingespritzten Reduktionsmittels sowie saubere Ausbildung des Sprühbildes durch geringere Anfangs- und Endeffekte) mit den Vorteilen einer kurzen Öffnungsdauer der Düse (geringe Menge and eingebrachtem Reduktionsmittels und damit schnelle Verdampfung) kombiniert werden. Die Nachteile einer langen Öffnungsdauer der Düse (Einbringung einer großen Menge Reduktionsmittel auf einmal und damit möglicherweise unzureichende Verdampfung) und einer kurzen Öffnungsdauer (geringere Eindringtiefe des eingespritzten Reduktionsmittels sowie schlechtere Ausbildung des Sprühbildes aufgrund eines größeren Anteils von Anfangs- und Endeffekten) können vermieden werden. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung an sich ändernden Massenstrom des zu reinigenden Abgases. Beispielsweise kann bei einem sinkenden Massenstrom des Abgases der Anteil der Einspritzvorgänge mit kürzerer Öffnungsdauer vergrößert und bei einem steigenden Massenstrom des Abgases der Anteil der Einspritzvorgänge mit längerer Öffnungsdauer vergrößert werden. Auf diese Weise kann die Eindringtiefe des Reduktionsmittels an den Abgasstrom angepasst werden. Weiter kann beispielsweise bei sinkender Temperatur des Abgasstroms der Anteil der Einspritzvorgänge mit kürzerer Öffnungsdauer vergrößert und bei steigender Temperatur des Abgases der Anteil der Einspritzvorgänge mit längerer Öffnungsdauer der Düse vergrößert werden. Auf diese Weise kann der höheren Verdampfung bei höheren Temperaturen des Abgases Rechnung getragen werden. Die Menge des eingespritzten Reduktionsmittels kann dann jeweils über die Frequenz der Einspritzvorgänge und/oder den Einspitzdruck gesteuert werden.
Wird zusätzlich der Einspritzdruck des über die Düse eingespritzten Reduktionsmittels verändert, kann beispielsweise bei niedrigerer Temperatur und niedrigerem Massenstrom des zu reinigenden Abgases ein vergleichsweise hoher Einspritzdruck bei kurzer Öffnungsdauer der Düse zu einem Sprühbild mit kleinen Tröpfchen und geringer Eindringtiefe in den Abgasstrom führen. Auf diese Weise wird der geringeren Verdampfung bei niedrigen Temperaturen und dem geringeren Mitnehmen der Tröpfchen durch den gesunkenen Massenstrom des Abgases Rechnung getragen. Weiter kann beispielsweise bei höherer Temperatur und höherem Massenstrom des zu reinigenden Abgases ein höherer Einspritzdruck bei längerer Öffnungsdauer der Düse für die jeweiligen Einspritzvorgänge gewählt werden. Auf diese Weise sind größere Tröpfchen mit größerer Eindringtiefe möglich, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Reduktionsmittels über den gesamten Querschnitt des Abgases ermöglicht wird. In beiden Fällen ist eine Steuerung der pro Zeiteinheit eingespritzten Menge an Reduktionsmittel über die Frequenz der Einspritzvorgänge möglich.
Wird ein Einspritzvorgang in zwei aufeinanderfolgende Teileinspritzvorgänge mit unterschiedlich langer Öffnungsdauer und/oder unterschiedlich hohen Einspritzdrücken zerlegt, kann beispielsweise durch einen vorangehenden kürzeren Einspritzvorgang die Ausbildung des Sprühbildes in der Nähe der Düse und durch einen nachfolgenden längeren Einspritzvorgang die Ausbildung des Sprühbildes mit größerem Abstand zur Düse getrennt optimiert werden. Der Grund ist, dass für beide Einspritzvorgänge unterschiedliche Tropfengrößen und Eindringtiefen erzielt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abgasreinigungseinrichtung weiter einen in dem Abgasstrom benachbart zur Düse angeordneten und mit der Steuerung verbundenen Temperatursensor zum Bestimmen einer Temperatur des Abgasstroms im Bereich der Düse auf. Weiter ist die Steuerung ausgebildet, die Druckänderungseinheit in Abhängigkeit von der über den Temperatursensor gemessenen Temperatur des Abgasstroms zu steuern.
Durch Verwendung des Temperatursensors ist es in Abhängigkeit einer jeweils verwendeten Düse durch Veränderung des Einspritzdrucks möglich, das Sprühbild und insbesondere die Tropfengröße des eingespritzten Reduktionsmittels zu ändern und so eine Anpassung an eine Temperatur des Abgases vorzunehmen. Bei handelsüblichen Düsen führt ein niedrigerer Einspritzdruck zu größeren Tröpfchen sowie ein höherer Einspritzdruck zu einer besseren Zerstäubung und damit zur Bildung von kleineren Tröpfchen von Reduktionsmittel. Weiter nimmt bei höherem Einspritzdruck die Austrittsgeschwindigkeit der Tröpfchen aus der Düse zu. Bei kleiner Tropfengröße erfolgt eine schnellere Verdampfung des Reduktionsmittels, welches durch den Abgasstrom jedoch auch besonders leicht mitgerissen wird. Größere Tröpfchen des Reduktionsmittels werden weniger leicht vom Abgasstrom mitgerissen und dringen somit tiefer in den Querschnitt des Abgasstromes ein, brauchen jedoch auch entsprechend länger um zu verdampfen. Die mittels des Temperatursensors gemessene Temperatur des Abgasstroms kann auch für eine Anpassung des der Öffnungsdauer der Düse oder der Einspritzfrequenz der Düse verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abgasreinigungseinrichtung weiter einen mit der Steuerung verbundenen Abgasdurchflussmesser zum Bestimmen des Massenstroms des Abgases auf. Dabei beschreibt der Massenstrom die Masse eines Mediums, die sich in einer Zeiteinheit durch einen Querschnitt bewegt. Weiter ist die Steuerung ausgebildet, die Druckänderungseinheit in Abhängigkeit von dem bestimmten Massenstrom des Abgases zu steuern. Der Abgasdurchflussmesser kann beispielsweise im Abgasstrom selbst oder entlang des Abgasstroms angeordnet sein und den Massenstrom des Abgases direkt messen. Alternativ kann der Abgasdurchflussmesser den Massenstrom des Abgases indirekt bestimmen (z. B. Anhand der Menge an verbranntem Kraftstoff) und dann in die Steuerung integriert sein. Gemäß einer Ausführungsform kann der Abgasdurchflussmesser die angesaugte Luftmenge und die eingespritzte Kraftstoffmenge messen und daraus den Massenstrom des Abgases berechnen. Alternativ kann auch nur eines von der angesaugten Luftmenge und der eingespritzten Kraftstoffmenge gemessen und die jeweils andere Größe anhand von vorgegebenen Kennfeldern bestimmt werden. Weiter alternativ kann der Massenstrom des Abgases auch alleine durch Verwendung von vorgegebenen Kennfeldern beispielsweise anhand der Motordrehzahl und/oder des Motordrehmoments berechnet werden. Derartige Kennfelder können beispielsweise die bei einer jeweiligen Motordrehzahl und/oder einem jeweiligen Motordrehmoment typischerweise pro Zeiteinheit emittierte Menge an Stickoxiden angeben, und beispielsweise in tabellarischer Form oder in Form einer Formel hinterlegt sein. Üblicherweise werden derartige Kennfelder experimentell gewonnen, sie können jedoch auch analytisch berechnet sein.
Die Eindringtiefe des eingespritzten Reduktionsmittels sowie dessen Verteilung über den Querschnitt des Abgasstroms und dessen Vermischung mit dem Abgas wird neben der Temperatur auch maßgeblich von der Geschwindigkeit des Massenstroms des Abgases und dessen Verteilung über den Querschnitt des Abgasstromes beeinflusst. Durch Erfassen des Massenstroms des Abgases und entsprechende Steuerung des Einspritzdruckes und/oder der Öffnungsdauer der Düse pro Einspritzvorgang und/oder der Frequenzen der Einspritzvorgänge ist eine optimale Anpassung des Einspritzvorganges an den jeweiligen Abgasstrom möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abgasreinigungseinrichtung weiter einen mit der Steuerung verbundenen Stickoxidsensor zum Bestimmen der Stickoxidkonzentration im Abgas auf, wobei die Steuerung ausgebildet ist, die Druckänderungseinheit in Abhängigkeit von der bestimmten Stickoxidkonzentration zu steuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Druckänderungseinheit so zu steuern, dass der Einspritzdruck des über die Düse in den Abgasstrom eingespritzten Reduktionsmittels umgekehrt proportional zum von dem Abgasdurchflussmesser bestimmen Massenstrom des Abgases und/oder zur vom Temperatursensor gemessenen Temperatur des Abgases ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die auch mit einer der vorstehenden Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist die Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge einen Tank für ein fluides Reduktionsmittel, eine in den Abgasstrom des Fahrzeugs mündende, gesteuert öffen- und schließbare Düse, eine Pumpe zum Pumpen des Reduktionsmittels über die Fluidverbindung aus dem Tank zur Düse, einen Abgasdurchflussmesser zum Bestimmen des Massenstroms des Abgases und/oder einen Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur des Abgases und/oder einen Stickoxidsensor zum Bestimmen der Stickoxidkonzentration im Abgas und eine mit der Düse, dem Abgasdurchflussmesser und/oder dem Temperatursensor und/oder dem Stickoxidsensor verbundene Steuerung auf. Die Düse ist über eine Fluidverbindung mit dem Tank verbunden, und dient zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom. Die Steuerung dienst zum Steuern der Düse. Dabei ist die Steuerung ausgebildet, Öffnungsfrequenz und/oder Öffnungsdauer der gesteuert öffen- und schließbare Düse in Abhängigkeit von dem durch den Abgasdurchflussmesser bestimmten Massenstrom und/oder der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur des Abgases und/oder der vom Stickoxidsensor gemessenen Stickoxidkonzentration zu verändern. Dabei bedeutet ”zu ändern”, dass sich die im Betrieb auftretende längste Öffnungsfrequenz bzw. Öffnungsdauer um mehr als 10% und bevorzugt mehr als 20% und weiter bevorzugt mehr als 30% von der im Betrieb auftretenden kürzesten Öffnungsfrequenz bzw. Öffnungsdauer unterscheidet. Hinsichtlich der Vorteile einer kombinierten gleichzeitigen Steuerung von Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz der Düse wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
Alternativ zur Verwendung eines separaten Stickoxidsensors kann die Stickoxidkonzentration im Abgas auch alleine durch Verwendung von vorgegebenen Kennfeldern (beispielsweise anhand einer gemessenen Motordrehzahl und/oder eines gemessenen Motordrehmoments) berechnet werden. Kennfelder zur Bestimmung eines Schadstoffgehalts oder Schadstoffausstoßes werden auch als Emissionskennfelder bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Änderung der Öffnungsfrequenz umgekehrt proportional zur Änderung der Öffnungsdauer, so dass sich bei längerer Öffnungsdauer eine niedrigere Öffnungsfrequenz und damit ein längerer Abstand zwischen zwei Einspritzvorgängen ergibt. Auf diese Weise wird auch bei einer Veränderung der Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz für den gleichen Massenstrom des zu reinigenden Abgases pro Zeiteinheit die gleiche Menge an Reduktionsmittel eingespritzt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, die Düse so zu steuern, dass die Öffnungsdauer der Düse proportional zum durch den Abgasdurchflussmesser bestimmten Massenstrom und/oder der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur des Abgases und/oder der vom Stickoxidsensor gemessenen Stickoxidkonzentration ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Abgasreinigungseinrichtung weiter einen in der Fluidverbindung zwischen Pumpe und Düse angeordneten Temperatursensor zur Bestimmung einer Temperatur des Reduktionsmittels auf. Weiter ist die Steuerung ausgebildet, die Pumpe und/oder die Düse und/oder die Druckänderungseinheit in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor gemessenen Temperatur des Reduktionsmittels zu steuern. Auf diese Weise kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass das Reduktionsmittel bei unterschiedlichen Temperaturen des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Massenstrom des Abgases unterschiedlich schnell verdampft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die auch mit einer der vorstehenden Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist die Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge einen Tank für ein fluides Reduktionsmittel, eine in den Abgasstrom des Fahrzeugs mündende Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom, eine Pumpe zum Pumpen des Reduktionsmittels über eine Fluidverbindung aus dem Tank zur Düse, und eine Steuerung auf, welche Steuerung die Pumpe und/oder die Düse steuert. Weiter ist in der Fluidverbindung zwischen dem Tank und der Düse ein Luftsensor zum Detektieren von Luftblasen im Reduktionsmittel angeordnet. Dabei erhält die Steuerung wenigstens das Ausgangssignal des Luftsensors zum Detektieren von Luftblasen im Reduktionsmittel als Eingangssignal und steuert die Pumpe und/oder die Düse entsprechend.
Mittels des Luftsensors können im Reduktionsmittel vorhandene Luftblasen erkannt, und durch die Steuerung bei der Dosierung des über die Düse in den Abgasstrom einzuspritzenden Reduktionsmittels berücksichtigt werden. Auf diese Weise ist ohne Einbuße bei der Genauigkeit der Dosierung des eingespritzten Reduktionsmittels ein Entlüften der das Reduktionsmittel führenden Leitungen der Abgasreinigungseinrichtung über die Düse möglich. Ein Spülen der Leitungen mit Reduktionsmittel zur Vermeidung von Luftblasen ist daher nicht nötig, so dass auf eine Rücklaufleitung verzichtet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform bestimmt der Luftsensor eine Kapazität und/oder Induktivität und/oder einen elektrischen Widerstand und/oder eine Wärmeleitfähigkeit und/oder eine Wärmekapazität des die Fluidverbindung zwischen dem Tank und der Düse durchströmenden Reduktionsmittels, um so Luftblasen im Reduktionsmittel festzustellen. Kapazität, Induktivität, elektrischer Widerstand und Wärmeleitfähigkeit des Reduktionsmittels werden durch vorhandene Luftblasen verändert, so dass diese Größen gut geeignet sind, Rückschlüsse auf vorhandene Luftblasen zu ziehen. Zusätzlich können diese Größen auch verwendet werden, um zu überprüfen, ob die eingespritzte Flüssigkeit überhaupt Reduktionsmittel geeigneter Konzentration oder eine andere Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die auch mit einer der vorstehenden Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist die Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge einen Tank für ein fluides Reduktionsmittel, eine in den Abgasstrom des Fahrzeugs mündende, gesteuert öffen- und schließbare Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom, welche Düse über eine Fluidverbindung mit dem Tank verbunden ist, und eine Pumpe zum Pumpen des Reduktionsmittels über eine Fluidverbindung aus dem Tank zur Düse auf. Dabei wird das zu reinigende Abgas in einer Abgasleitung geführt, welche entlang einer Strömungsrichtung des Abgases eine erste Querschnittsfläche, eine zweite Querschnittsfläche und eine dritte Querschnittsfläche aufweist. Dabei wird unter Querschnittsfläche jeweils die an der jeweiligen Stelle kleinste Fläche verstanden die von dem Abgasstrom durchströmt wird. Eine Flächennormale auf die zweite Querschnittsfläche schließt mit einer Flächennormalen auf die erste Querschnittsfläche einen ersten Winkel α ein. Eine Flächennormale auf die dritte Querschnittsfläche schließt mit einer Flächennormalen auf die erste Querschnittsfläche einen zweiten Winkel β ein. Dabei ist der erste Winkel α größer als der zweite Winkel β. Somit hat die Abgasleitung einen gebogenen, insbesondere S-förmigen Verlauf. Die Düse mündet zwischen der ersten und der dritten Querschnittsfläche in die Abgasleitung. Eine Einspritzrichtung der Düse schließt mit einer Flächennormalen auf die erste Querschnittsfläche einen dritten Winkel γ ein. Dabei ist der erste Winkel α größer als der dritte Winkel γ und dieser größer als der zweite Winkel β. Dies hat zur Folge, dass die Einspritzung nicht parallel zur Flächennormalen der dritten Querschnittsfläche und zur Durchtrittsrichtung des Abgases durch die dritte Querschnittsfläche erfolgt. Gemäß einer Ausführungsform wird die Einspritzrichtung durch eine Verbindung des Massenschwerpunkts einer Sprühwolke des eingespritzten Reduktionsmittels mit der Düsenöffnung festgelegt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die Einspritzrichtung durch eine Bohrung der Austrittsöffnung der Düse oder eine Symmetrieachse der Düse in Einspritzrichtung festgelegt. Die Abgasleitung kann Teil der Abgasreinigungseinrichtung sein, muss es aber nicht.
Die vorstehende Orientierung der Düse zum Abgasstrom erlaubt auch bei sich ändernden Massenströmen des Abgases eine besonders gute Verteilung des eingespritzten Reduktionsmittels über den gesamten Querschnitt des Abgasstroms.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der dritte Winkel γ wenigstens 5° und bevorzugt wenigstens 10° und weiter bevorzugt wenigstens 15° und weiter bevorzugt wenigstens 20°.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der zweite Winkel β höchstens 30° und bevorzugt höchstens 20° und weiter bevorzugt höchstens 10°.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der erste Winkel α höchstens 90° und bevorzugt höchstens 80° und weiter bevorzugt höchstens 70°.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der erste Winkel α wenigstens 20° und bevorzugt wenigstens 30° und weiter bevorzugt wenigstens 40°.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden, soweit möglich, gleiche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente zu verweisen. Dabei zeigt:
1 schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß einer ersten Ausführungsform;
2A schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß einer zweiten Ausführungsform;
2B schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform;
3 schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß einer vierten Ausführungsform;
5A bis 5D Beispiele von Sprühbildern bei unterschiedlichen Massenströmen des zu reinigenden Abgases, unterschiedlichen Einspritzdrücken des Reduktionsmittels und unterschiedlich geformten Abgasleitungen;
6 schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß einer fünften Ausführungsform;
7A bis 7C schematisch Zeitdiagramme der Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz einer Düse gemäß einer Ausführungsform;
8A bis 8C schematisch Zeitdiagramme der Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz einer Düse gemäß einer alternativen Ausführungsform;
9A und 9B schematisch Zeitdiagramme der Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz einer Düse gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform;
10A und 10B schematisch ein Zeitdiagramm der Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz einer Düse bzw. ein Beispiel eines resultierenden Sprühbildes gemäß einer weiteren Ausführungsform;
11A bis 11D schematisch ein Zeitdiagramm der Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz einer Düse bzw. Beispiele resultierender Sprühbilder gemäß einer weiteren Ausführungsform;
12A bis 12C schematisch die Anordnung einer Düse im Abgasstrom sowie die sich ergebenden Sprühbilder gemäß einer weiteren Ausführungsform;
13 schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß einer siebten Ausführungsform;
14A bis 14D schematisch beispielhaft verschiedene Arten von Luftsensoren, welche in einer Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß der siebten Ausführungsform verwendet werden können.
Wie aus 1 ersichtlich weist das System zum Zuführen eines fluiden Reduktionsmittels in einen Abgasstrom einen Tank 1 für das insbesondere flüssige Reduktionsmittel 2 auf. Über einen an dem Tank 1 ausgebildeten Einfüllstutzen 12 kann Reduktionsmittel 2 in den Tank 1 zugeführt werden.
Das Reduktionsmittel 2 wird durch eine Pumpe 6 über einen Reduktionsmittelfilter 16 und eine erste Leitung 51 aus dem Tank 1 angesaugt und unter Druck gesetzt. Der Reduktionsmittelfilter 16 filtert in dem Reduktionsmittel 2 möglicherweise vorhandene Fremdkörper heraus. Das unter Druck gesetzte Reduktionsmittel 2 wird durch die Pumpe 6 an eine zweite Leitung 52 ausgegeben. Die zweite Leitung 52 ist über einen Durchflussmesser (insbesondere Durchflussmengenmesser) 7 und eine dritte Leitung 53 mit einer Düse 3 verbunden. Die Düse ist in einem Abgasstrom 4 stromaufwärts eines SCR-Katalysatorelements 9 und stromabwärts einer Verbrennungskraftmaschine 15 angeordnet. Stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 15 und stromaufwärts der Düse 3 sind im Abgasstrom 3 ein Stickoxidsensor 14, ein Drucksensor 14' und ein Temperatursensor 14'' angeordnet. Stromabwärts des SCR-Katalysatorelements 9 sind im Abgasstrom 3 ein Strickoxidsensor 11, ein Drucksensor 11' sowie ein Temperatursensor 11'' angeordnet. Anstelle des Stickoxidsensors 11 oder zusätzlich zu diesem kann beispielsweise auch ein Ammoniaksensor oder anderer Sensor zur Bestimmung der Abgaszusammensetzung verwendet werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Reduktionsmittel 2 mit Wasser versetzter Harnstoff (32,5%-ige wässrige Harnstofflösung), der unter dem Markennamen AdBlue bezogen wer den kann. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Reduktionsmittel beschränkt. Allgemein kann jedes beliebige Reduktionsmittel, welches der Abgasbehandlung förderlich ist, verwendet werden. In Verbindung mit dem stromabwärts der Düse 3 im Abgasstrom 4 angeordneten SCR-Katalysator 9 ist die Verwendung eines Ammoniak freisetzenden fluiden und insbesondere flüssigen Reduktionsmittels vorgesehen. Dabei wird betont, dass der Abgasstrom 4 und der SCR-Katalysator 9 Teil der erfindungsgemäßen Abgasreinigungseinrichtung sein können aber nicht müssen.
Bei der in 1 gezeigten Düse handelt es sich um eine Druckventildüse und damit um eine passiv öffen- und schließbare Düse, die automatisch öffnet, sobald zugeführtes Reduktionsmittel einen Schwellendruck überschreitet. Die Verwendung einer passiv öffen- und schließbaren Düse hat den Vorteil, dass im heißen Abgasstrom 4 kein komplexes und insbesondere elektronisches Bauteil angeordnet werden muss. Alternativ kann jedoch beispielsweise auch eine aktiv geschaltete Ventildüse oder auch eine ungeschaltete Düse verwendet werden. Weiter handelt es sich in der gezeigten Ausführungsform bei der Pumpe 6 um eine Dosierpumpe. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung einer bestimmten Pumpenart beschränkt.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die zweite Leitung 52 zwischen Pumpe 6 und Durchflussmesser 7 ferner über eine vierte Leitung 54 und ein in der vierten Leitung 54 angeordnetes Rücklaufventil mit dem Tank 1 verbunden. Dieser Aufbau ermöglicht die mittelbare Schaltung der öffen- und schließbaren Düse 3 infolge einer Druckerhöhung durch Schließen des Rücklaufventils 8.
Durch Verwendung der Dosierpumpe in Verbindung mit der passiv geschalteten Düse ist insbesondere durch Teilhübe pro Zeiteinheit eine sehr kleine Menge an Reduktionsmittel über die Düse ausgebbar. Diese Kleinstmengen (z. B. 0,02 l/h) an pro Zeiteinheit zur Düse 3 geführtem Reduktionsmittel können mittels des Durchflussmessers 7 genau bestimmt werden. Alternativ kann es sich bei der Pumpe jedoch beispielsweise auch um eine Strömungspumpe handeln, wenn beispielsweise eine aktiv öffen- und schließbare Dosierdüse oder eine Düse mit vorgeschaltetem Dosierventil zur Dosierung des Reduktionsmittels verwendet wird. In diesem Fall kann der Durchfluss pro Zeiteinheit an Reduktionsmittel (und insbesondere Massenstrom oder Volumenstrom des Reduktionsmittels) auch über die Öffnungsdauer der Dosierdüse bzw. des Dosierventils gemessen werden. In diesem Fall kann der Durchflussmesser somit durch die Dosierdüse oder das Dosierventil selbst bereitgestellt werden. Auf ein separates Vorsehen des Durchflussmessers kann dann verzichtet werden.
Weiter ist eine Steuerung 10 vorgesehen, die mit dem Durchflussmesser 7, den Stickoxidsensoren 11 und 14, den Drucksensoren 11' und 14' sowie den Temperatursensoren 11'' und 14'' verbunden ist und die Pumpe 6 sowie das Rücklaufventil 8 steuert. Da die über die Düse pro Zeiteinheit ausgegebene Menge an Reduktionsmittel 2 durch Verwendung des Durchflussmessers 7 genau bekannt ist, kann die ermittelte Menge durch die Steuerung 10 als Regelgröße und Kontrollgröße verwendet werden. Somit ist es möglich, die dosierte Menge an Reduktionsmittel 2 in einem geschlossenen Regelkreis (z. B. Stellgröße: Fördermenge der Pumpe 6 oder Taktung der Düse 3 bzw. des Rücklaufventils 8; Regelgröße: Massenstrom des über die Düse 3 ausgegebenen Reduktionsmittels 2) zu regeln. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die direkte Bestimmung der Reduktionsmittelmenge die Regelung kleinster Dosiermengen ermöglicht wird, um gerade im kritischen Mengenbereich höchste Genauigkeit zu erzielen.
Weiter ist die Steuerung 10 ausgebildet, in regelmäßigen Abständen eine Plausibilitätsprüfung zwischen den vom Durchflussmesser 7 und dem Stickoxidsensor 11 und/oder dem Stickoxidsensor 14, und/oder dem Drucksensor 11' und/oder dem Drucksensor 14', und/oder dem Temperatursensor 11'' und/oder dem Temperatursensor 14'' ausgegebenen Werten durchzuführen. Hierdurch können beispielsweise Undichtheiten in der Zuführung des Reduktionsmittels bzw. (bei bekannter Abgasstrecke) Fehlfunktionen des Durchflussmessers 7 oder der Stickoxidsensoren 11 und/oder 14, und/oder den Drucksensoren 11' und/oder 14', und/oder den Temperatursensoren 11'' und/oder 14'' durch die Steuerung 10 erkannt werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2A und 2B eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Da die in 2A und 2B gezeigte zweite Ausführungsform der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sehr ähnlich ist, wird nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen näher eingegangen.
Bei der in den 2A und 2B gezeigten zweiten Ausführungsform findet als Düse 3' ebenfalls eine indirekt mit tels eines Rücklaufventils 8 passiv gesteuerte Düse Verwendung. Die vierte Leitung 54' ist in der zweiten Ausführungsform an der Düse 3' mit der dritten Leitung 53 verbunden, und nicht mit der zweiten Leitung 52 zwischen Pumpe 6 und Durchflussmesser 7. In der Folge ist im Betrieb eine kontinuierliche Spülung und damit Kühlung der Düse 3' möglich. Hierfür weist die Düse 3' eine Spülkammer auf, welche mit der dritten und vierten Leitung 53, 54' in Fluidverbindung steht.
Die in 2B gezeigte Alternative der in 2A gezeigten zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dieser nur darin, dass in der in 2B gezeigten Alternative der Durchflussmesser 7 zwischen der ersten und der zweiten Leitung 51, 52 angeordnet ist, so dass das Reduktionsmittel von der Pumpe 6 über den Filter 16, die erste Leitung 51, den Durchflussmesser 7 und die zweite Leitung 52 angesaugt und über die dritte Leitung 53 an die Düse 3' ausgegeben wird.
Da der in 2A zwischen der zweiten und dritten Leitung 52, 53 und in 2B zwischen der ersten und zweiten Leitung 51, 52 vorgesehene Durchflussmesser 7 aufgrund dieses Aufbaus auch von dem zur Spülung verwendeten Reduktionsmittel 2 durchflossen wird, ist in der vierten Leitung 54' ein zweiter Durchflussmesser 7' angeordnet. Durch Differenzbildung der von dem ersten und zweiten Durchflussmesser 7, 7' ermittelten Werte kann die über die Düse pro Zeiteinheit ausgegebene Menge an Reduktionsmittel durch die Steuerung 10 genau ermittelt werden.
In der zweiten Ausführungsform ist weiter auf das Vorsehen eines Stickoxidsensors, Temperatursensors oder Drucksensors verzichtet worden. Selbstverständlich kann jedoch auch in der zweiten Ausführungsform ein beliebiger Sensor für den Abgasstrom 4 vorgesehen sein. Weiter ist in der zweiten Ausführungsform eine den Abgasstrom 4 bereitstellende Quelle wie beispielsweise die in der ersten Ausführungsform gezeigte Verbrennungskraftmaschine nicht dargestellt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 3 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die in 3 gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2A gezeigten zweiten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass die zur Dosierung verwendete Pumpe 6' in die Düse 3'' integriert ist. Pumpe 6' und Düse 3'' bilden so eine Pumpe-Düse-Einheit. Zur Bereitstellung des für die Spülung erforderlichen Durchflusses an Reduktionsmittel 2 ist zwischen der ersten und zweiten Leitung 51, 52 eine eigene Förderpumpe 13 vorgesehen. Die Förderpumpe 13 dient somit weniger zum Bereitstellen des Einspritzdrucks des Reduktionsmittels 2, sondern vielmehr zum Umwälzen des Reduktionsmittels 2.
Da in der dritten Ausführungsform die Pumpe 6' in die Düse 3'' integriert ist, wird durch Ansteuerung der Pumpe 6' aktiv eine Ausgabe des Reduktionsmittels 2 in den Abgasstrang 4 bewirkt. Auf das Vorsehen eines gesteuerten Rücklaufventils in der vierten Leitung 54 zwischen Düse 3'' und Tank 1 kann daher verzichtet werden.
Es wird betont dass die vorstehenden Ausführungsformen nur beispielhaft sind und den durch die Ansprüche vermittelten Schutzumfang nicht beschränken sollen. Weiter können die vorstehenden Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. So kann in allen Ausführungsformen wahlweise eine aktiv oder passiv schaltbare, d. h. elektrisch gesteuert öffen- und schließbare Düse oder aber eine nicht schaltbare, d. h. nicht elektrisch gesteuert öffen- und schließbare Düse verwendet werden. Weiter kann eine Leitung zum Ermöglichen eines Rückflusses von durch die Pumpe gepumpten, aber nicht über die Düse ausgegebenen Reduktionsmittels vorgesehen sein. Dies ist jedoch nur fakultativ, ebenso wie das Vorsehen eines aktiven oder passiven Rückflussventils oder Durchflussmessers in der Rückflussleitung. Als Pumpe kann jede beliege zum Umwälzen des Reduktionsmittels geeignete Pumpe verwendet werden, wie beispielsweise Verdrängerpumpen und Strömungspumpen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 4 eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die in 4 gezeigte Abgasreinigungseinrichtung wird aus einem Tank 1 für das insbesondere flüssige Reduktionsmittel 2 mit einem Einfüllstutzen 12, einer den Tank 1 mit einer Pumpe 6* verbindenden ersten Leitung 51, einer die Pumpe 6* mit einer Düse 3* zum Einsprühen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom verbindenden zweiten Leitung 52, einem Drucksensor 61 zum Messen eines Drucks des Reduktionsmittels 2 in der zweiten Leitung 52 sowie einer mit der Pumpe 6*, dem Drucksensor 61 sowie der Düse 3* verbundenen Steuerung 10* gebildet.
Bei der Düse 3* handelt es sich in dieser Ausführungsform um eine in Abhängigkeit von einem von der Steuerung 10* empfangenen Steuersignal gezielt öffen- und schließbare Düse. Dabei wird die Öffen- und Schließfunktion unmittelbar in der Düse 3* selbst bewirkt (beispielsweise über einen Linearmotor, der eine Düsennadel verlagert, welche eine Düsenöffnung verschließt). Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf den Fall beschränkt, in dem die Düse selbst die Öffen- und Schließfunktion bereitstellt.
Weiter ist die Pumpe 6* ausgebildet, das Reduktionsmittel 2 in der zweiten Leitung 52 bei geschlossener Düse 3* mit unterschiedlichen Drücken unter Druck zu setzten. Im vorliegenden Beispiel ist die Pumpe 6* eine Rotationspumpe und erfolgt die Änderung des Druckes durch Änderung der Drehzahl. Alternativ kann jedoch beispielsweise auch eine oszillierende Pumpe, wie beispielsweise eine Kolbenpumpe verwendet werden, bei welcher eine Änderung des Drucks beispielsweise über Änderung von Hubfrequenz, Hubgeschwindigkeit oder Hublänge möglich ist. Bei geschlossener Düse 3* kann so über die Steuerung 10* mittels der Pumpe 6* in der zweiten Leitung 52 ein gewünschter Einspritzdruck für das Reduktionsmittel aufgebaut und über den Drucksensor 61 kontrolliert werden. Auf diese Weise kann das Reduktionsmittel mit unterschiedlichen Drücken in den Abgasstrom eingesprüht werden. Dabei bedeutet ”mit unterschiedlichen Drücken”, dass sich der im Betrieb auftretende höchste Einspritzdruck um mehr als 10% und bevorzugt mehr als 20% und weiter bevorzugt mehr als 30% von dem im Betrieb auftretenden niedrigsten Einspritzdruck unterscheidet.
Die sich bei unterschiedlichen Einspritzdrücken und unterschiedlichen Massenströmen w1, w2 des zu reinigenden Abgases ergebenden Sprühbilder für die vierte Ausführungsform sind beispielhaft in den 5A bis 5D gezeigt.
Die 5A und 5B zeigen gerade Abgasleitungen 70 wohingegen die 5C und 5D S-förmig gebogene Abgasleitungen 70 zeigen.
Dabei zeigen die 5A und 5C ein beispielhaftes Sprühbild, wenn bei einem niedrigen Massenstrom w1 des zu reinigenden Abgases mit einem niedrigen Einspritzdruck Reduktionsmittel in den Abgasstrom 4 eingesprüht wird.
5B und 5D zeigen ein beispielhaftes Sprühbild, wenn bei einem relativ hohen Massenstrom w2 des zu reinigenden Abgases Reduktionsmittel mit relativ hohem Druck in den Abgasstrom 4 eingespritzt wird.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 6 eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die in 6 gezeigte fünfte Ausführungsform baut wesentlich auf der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform auf, so dass im Folgenden auf eine Beschreibung von identischen Elementen verzichtet und nur auf Unterschiede eingegangen wird.
Wie in der vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsform wird in der fünften Ausführungsform eine durch die Steuerung 10 öffen- und schließbare Düse 3* verwendet. In der dritten Leitung 53 zwischen Durchflussmesser 7 und Düse 3* ist zusätzlich eine mit der Steuerung 10 verbundene und durch die Steuerung 10 gesteuerte Drossel 60 angeordnet. Durch Änderung des Öffnungsdurchmesser der Drossel 60 kann ein Druck des Reduktionsmittels 2 in der dritten Leitung 53 eingestellt werden. Auch wenn in dieser Ausführungsform die Druckänderungseinrichtung durch eine separate Drossel 60 bereitgestellt wird, wird betont, dass dies nur beispielhaft ist. So kann die Druckänderungseinrichtung auch wie in der vierten Ausführungsform durch die Pumpe selbst oder aber beispielsweise durch ein Ventil realisiert sein.
Weiter weist die fünfte Ausführungsform einen mit der dritten Leitung 53 zwischen der Drossel 60 und der Düse 3* verbundenen Druckspeicher 62 auf. Der Druckspeicher 60 speichert den in der dritten Leitung 53 aufgebauten Druck des Reduktionsmittels. Ein entsprechender Druckspeicher kann auch in der vorstehenden vierten Ausführungsform zwischen Pumpe und Düse vorgesehen sein.
Mit der dritten Leitung 53 sind weiter ein Drucksensor 61 zum Bestimmen eines Drucks des Reduktionsmittels in der dritten Leitung 53 sowie ein Temperaturfühler 64 zur Bestimmung einer Temperatur des Reduktionsmittels in der Nähe der Düse 3* verbunden. Wie auch der Stickoxidsensor 11, Drucksensor 11', Temperatursensor 11'' sowie Stickoxidsensor 14, Drucksensor 14' und Temperatursensor 14'' und der Durchflussmesser 7 sind der Drucksensor 61 und der Temperaturfühler 64 mit der Steuerung 10 verbunden. Die entsprechenden Verbindungen sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht eigens gezeigt.
Weiter ist in der in 6 gezeigten Ausführungsform ein Abgasdurchflussmesser 63 zur Bestimmung eines Massenstroms des zu reinigenden Abgases vorgesehen. Auch der Abgasdurchflussmesser 63 ist mit der Steuerung 10 verbunden.
In Abhängigkeit von den durch die diversen Sensoren gemessenen Werte ist die Steuerung 10 ausgebildet, die Düse 3* mit variabler Öffnungsfrequenz, variabler Öffnungsdauer und variablem Einspritzdruck zu steuern. Dabei können sowohl Frequenz, Öffnungsdauer als auch Einspritzdruck jeweils variabel oder eine dieser Größen festgelegt sein. Die Menge an eingespritztem Reduktionsmittel 2 wird in dieser Ausführungsform mittels des Durchflussmessers 7 und die benötigte Menge and Reduktionsmittel 2 mittels des Abgasdurchflussmessers 63 bestimmt. Alternativ kann jedoch auch auf den Abgasdurchflussmessers 63 verzichtet werden, wenn die Menge des zu reinigenden Abgases indirekt über Kennlinien, wie beispielsweise der verbrannten Menge an Brennstoff bestimmt wird.
Bei der in 6 gezeigten fünften Ausführungsform ist die vierte Leitung 54'' statt mit der zweiten Leitung 52 mit der dritten Leitung 53 verbunden. Auf diese Weise erlaubt die vierte Leitung 54'' durch entsprechendes Ansteuern des Rücklaufventils 8 trotz des Druckspeichers 62 eine schnelle Absenkung des Drucks in der dritten Leitung 53. Es wird betont, dass die vierte Leitung 54'' und das Rücklaufventil 8 nur optional sind. Wenn die Druckände rungseinrichtung in die Pumpe 6* integriert ist, und auf die Blende 60 somit verzichtet werden kann, kann die vierte Leitung 54'' mit dem Rücklaufventil 8 beispielsweise in Form eines Bypass direkt in der Düse 3* oder auch in der Pumpe 6* realisiert sein.
Wesentliche Einflussgrößen, um das Reduktionsmittel 2 auch bei sich ändernden Massenströmen des zu reinigenden Abgases über den gesamten Querschnitt des zu reinigenden Abgasstromes 4 gleichmäßig einzuspritzen, sind neben dem Massenstrom des zu reinigenden Abgases die Abgastemperatur und die Temperatur des Reduktionsmittels 2.
Sollte mittels der der Abgasreinigung nachgelagerten Sensoren 11 bis 11'' oder dem Durchflussmesser 7 für das Reduktionsmittel festgestellt werden, dass in einem Einspritzvorgang zu wenig oder zu viel Reduktionsmittel 2 eingespritzt wurde, so kann dies wahlweise im nächsten Einspritzvorgang oder verteilt auf eine Reihe von nächsten Einspritzvorgängen durch die Steuerung 10 ausgeglichen werden.
In den 7A bis 7C sowie 8A bis 8C sind schematisch Zeitdiagramme der Öffnungsdauer und Öffnungsfrequenz einer Düse gemäß zweier Ausführungsformen gezeigt, wie sie bei der Abgasreinigungseinrichtung nach der vierten oder fünften Ausführungsform auftreten können.
Dabei wird im Beispiel nach 7A bis 7C die Frequenz bzw. die Dauer der Öffnung der Düse 3* variiert. Die offene Düse 3* ist durch den sie durchströmenden Massenstrom m_s an Reduktionsmittel 2 gekennzeichnet. Die Frequenz ergibt sich aus den zeitlichen Abständen T1, T2 und T3 zwischen den Einspritzvorgängen. Die Öffnungsdauer ist als O, O1, O2, O3 und O4 bezeichnet.
In den 8A bis 8C wird zudem der Einspritzdruck des Reduktionsmittels 2 variiert, so dass sich pro Zeiteinheit unterschiedliche Massenströme an Reduktionsmittel 2 ergeben. Die pro Einspritzvorgang eingespritzte Menge an Reduktionsmittel ergibt sich dann aus der Fläche des jeweiligen Einspritzvorganges, wie es in 8C durch Schraffur schematisch gezeigt ist. In 8C entsprechen Fläche mit der gleichen Schraffur der gleichen Menge an pro Einspritzvorgang eingespritztem Reduktionsmittel.
In den 9A und 9B sind zwei weitere Zeitdiagramme von Öffnungsdauer und Frequenz der Öffnung der Düse 3* gezeigt. Dabei zeigt die x-Achse von 9A ein Schaltsignal S der Steuerung, welches die Düse 3* öffnet, und von 9B den durch die Düse 3* strömenden Massenstrom m_s an Reduktionsmittel 2.
Wie in 9B vergrößert dargestellt, kommt es zu Beginn und am Ende der Ansteuerung der Düse 3* zu einer Divergenz zwischen dem Steuersignal S und dem tatsächlichen Massenstrom m_s an Reduktionsmittel 2. Ursächlich hierfür sind beispielsweise die Trägheit eines in die Düse 3* integrierten Ventils. Auch mögliche Volumenänderungen durch Dehnung der Leitungen 52 und 53 können zu solchen Nichtlinearitäten beitragen. Diese Nichtlinearitäten führen dazu, dass die durch die Steuerung 10 vorgegebene Menge an einzuspritzen dem Reduktionsmittel 2 bei kurzen Ansteuerzeiten nicht oder nicht exakt genug erreicht wird. Dies kann in der vorliegenden Ausführungsform durch den Durchflussmesser 7 für das Reduktionsmittel erfasst und korrigiert werden.
In der in 6 gezeigten fünften Ausführungsform ist die Steuerung 10 weiter ausgebildet, einen Einspritzvorgang für das Reduktionsmittel in mehrere Teil-Einspritzvorgänge zu zerlegen wie es in den 10A und 10B gezeigt ist. Um dabei als ein einheitlicher Einspritzvorgang zu gelten, darf ein zeitlicher Abstand τ zwischen den beiden Teil-Einspritzvorgängen nicht mehr als 30% und bevorzugt nicht mehr als 20% und weiter bevorzugt nicht mehr als 10% des kürzeren der beiden Teil-Einspritzvorgänge betragen. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn der zeitliche Abstand τ zwischen den beiden Teil-Einspritzvorgängen nicht mehr als 5 ms und bevorzugt nicht mehr als 2 ms und weiter bevorzugt nicht mehr als 1 ms beträgt.
In dem in 10A gezeigten Beispiel besteht ein Einspritzvorgang aus zwei zeitlich kurz aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen, wobei der erste Einspritzvorgang eine kürzere und der zweite Einspritzvorgang eine längere Öffnungsdauer aufweist. Dabei bedeutet kürzer und länger, dass die längere Öffnungsdauer wenigstens doppelt so lang wie die kürzere Öffnungsdauer ist. In 10A ist die längere Öffnungsdauer etwa 4-mal so lang wie die kürzere Öffnungsdauer.
Bei der kürzeren Öffnungsdauer überwiegen Nichtlinearitäten, so dass auch bei gleichem Einspritzdruck eine von der längeren Öffnungsdauer unterschiedliche Tropfengröße und Eindringtiefe der Tropfen erzielt werden kann. Dies ist schematisch in 10B gezeigt. Dabei sind die sich aus der kürzeren Öffnungsdauer ergebenden Tröpfchen als Kreuze und die sich aus der längeren Öffnungsdauer ergebenden Tröpfchen als Kreise dargestellt.
Die in der fünften Ausführungsform gezeigte Steuerung 10 ist weiter ausgebildet, den Einspritzdruck während eines Einspritzvorgangs zu variieren. Dies ist im Zeitdiagramm von 11A gezeigt. Die sich ergebenden Sprühbilder sind in 11B bis 11D dargestellt. Dabei sind die sich bei dem Einspritzvorgang mit der kürzeren Öffnungsdauer ergebenden Tröpfchen wiederum durch Kreuze dargestellt. Die 11B bis 11D unterscheiden sich in der Ausformung der Abgasleitung 70 und der Anordnung der Düse 3*.
Durch eine Veränderung der Verhältnisse des Einspritzvorganges mit längerer Öffnungsdauer und kürzerer Öffnungsdauer zueinander ist eine Verteilung des eingespritzten Reduktionsmittels 2 über den Querschnitt des Abgasstromes 4 einstellbar. Beispielsweise ist der Einspritzvorgang mit der längeren Öffnungsdauer zu verlängern, wenn eine größere Reduktionsmittelmenge in größerem Abstand von der Düse 3* benötigt wird. Dahingehend ist der Druck des Einspritzvorgangs mit der kurzen Öffnungsdauer zu erhöhen, wenn mehr Reduktionsmittel 2 in der Nähe der Düse 3* benötigt wird.
In der 12A ist die Anordnung einer Einspritzdüse 3* in einer Abgasleitung 70 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Anord nung kann in der Abgasreinigungseinrichtung gemäß jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
In dieser sechsten Ausführungsform wird das zu reinigende Abgas in einer Abgasleitung 70 geführt, die einen S-förmigen Verlauf aufweist. Somit weist die Abgasleitung entlang einer Strömungsrichtung des Abgases 4 nacheinander eine erste Querschnittsfläche D1, eine zweite Querschnittsfläche D2 und eine dritte Querschnittsfläche D3 auf. Eine zweite Flächennormale N2 auf die zweite Querschnittsfläche D2 schließt mit einer ersten Flächennormale N1 auf die erste Querschnittsfläche D1 einen ersten Winkel α von etwa 60° ein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen ersten Winkel α von 60° beschränkt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der erste Winkel α höchstens 90° bevorzugt höchstens 80° und weiter bevorzugt höchstens 70° beträgt.
Weiter schließt eine dritte Flächennormale N3 auf die dritte Querschnittsfläche D3 mit der ersten Flächennormalen N1 auf die erste Querschnittsfläche D1 einen zweiten Winkel β von 0° ein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen zweiten Winkel β von 0° beschränkt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der zweite Winkel β höchstens 30° bevorzugt höchstens 20° weiter bevorzugt höchstens 10° beträgt. Weiter ist es ausreichend, wenn der Winkel α wenigstens 20° und bevorzugt wenigstens 30° und weiterhin bevorzugt wenigstens 40° beträgt.
Dabei soll der erste Winkel α stets größer als der zweite Winkel β sein, um einen in etwa S-förmigen Verlauf der Abgasleitung 70 sicherzustellen.
Die Düse 3* mündet zwischen der ersten und der dritten Querschnittsfläche D1 und D3 in die Abgasleitung 70. Eine Einspritzrichtung der Düse 3* schließt mit der ersten Flächennormale N1 auf die erste Querschnittsfläche D1 einen dritten Winkel γ von etwa 20° ein. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Einspritzrichtung der Düse 3* durch eine Bohrung der Austrittsöffnung der Düse 3* festgelegt. Alternativ kann die Einspritzrichtung auch durch eine Symmetrieachse der Düse 3* insgesamt in Einspritzrichtung oder durch eine Verbindung eines Massenschwerpunktes einer Sprühwolke eingespritzten Reduktionsmittels 2 mit der Düsenöffnung der Düse 3* festgelegt sein. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen dritten Winkel γ Von 20° beschränkt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der dritte Winkel γ wenigstens 5° und bevorzugt wenigstens 10° und weiter bevorzugt wenigstens 15° und weiter bevorzugt wenigstens 20° beträgt.
Dabei gilt, dass der erste Winkel α stets größer als der dritte Winkel γ ist. Bei einer derartigen Anordnung der Düse 3* im Abgasstrom ergibt sich eine besonders gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Reduktionsmittels 2 über den gesamten Querschnitt des Abgasstromes 4, wie es in den 12B und 12C beispielhaft gezeigt ist.
Dabei zeigt 12B das Sprühbild bei einem niedrigen Massenstrom w1 des zu reinigenden Abgases und 12C das sich ergebende Sprühbild bei einem hohen Massenstrom w2 des zu reinigenden Abgases.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 13 eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Die in 13 gezeigte siebte Ausführungsform baut wesentlich auf der in 4 gezeigten vierten Ausführungsform auf, so dass im Folgenden auf eine Beschreibung von identischen Elementen verzichtet und nur auf Unterschiede eingegangen wird.
Insbesondere ist in der siebten Ausführungsform anstatt des Drucksensor 61 ein Luftsensor 80 vorgesehen. Anders als in der vierten Ausführungsform braucht die Pumpe 6 in der siebten Ausführungsform nicht ausgebildet zu sein, das Reduktionsmittel 2 in der zweiten Leitung 52 bei geschlossener Düse 3* mit unterschiedlichen Drücken unter Druck zu setzten. Auch ist die Verwendung einer in Abhängigkeit von einem von der Steuerung 10 empfangenen Steuersignal gezielt öffen- und schließbaren Düse in dieser Ausführungsform nur fakultativ. So kann beispielsweise auch eine passive Düse verwendet werden.
Mittels des Luftsensors 80 können im Reduktionsmittel 2 vorhandene Luftblasen detektiert, und durch die Steuerung 10 bei der Dosierung des über die Düse 3 in den Abgasstrom einzuspritzenden Reduktionsmittels 2 berücksichtigt werden.
Beispiele für verwendbare Luftsensoren 80 sind in 14A bis 14D schematisch gezeigt. Die Luftblasen sind mit dem Bezugszeichen 81 bezeichnet. Die Strömungsrichtung des Reduktionsmittels 2 in der zweiten Leitung 52 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Der in 14A gezeigte Luftsensor 80' detektiert vorhandene Luftblasen 81 durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit. Hierfür sind zwei Elektroden 86, 86' vorgesehen, die mit Abstand voneinander in der zweiten Leitung 52 angeordnet sind. Die Anordnung der Elektroden 86, 86' kann in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels 2 (linke Abbildung) oder quer zur Strömungsrichtung des Reduktionsmittels 2 (rechte Abbildung) erfolgen.
Der in 14B gezeigte Luftsensor 80'' detektiert vorhandene Luftblasen 81 durch Messung der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Wärmekapazität. Hierfür sind eine Heizung 82 und ein Temperaturfühler 83 vorgesehen, die mit Abstand voneinander in der zweiten Leitung 52 angeordnet sind. Die Anordnung der Heizung 82 und des Temperaturfühlers 83 kann mit niedrigem Abstand (z. B. kleiner 5 mm) oder größerem Abstand (z. B. größer 5 mm) erfolgen. Bei niedrigem Abstand wird primär die Wärmeabfuhr von der Heizung 82, bei größerem Abstand der Wärmetransport von Heizung 82 zu Temperaturfühler 83 gemessen. Der Temperaturfühler 83 ist in Strömungsrichtung hinter der Heizung 82 anzuordnen.
Der in 14C gezeigte Luftsensor 80''' detektiert vorhandene Luftblasen 81 durch Messung der Induktivität. Hierfür sind in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels 2 zwei Spulen 84, 84' vorgesehen, die mit Abstand voneinander entlang der zweiten Leitung 52 angeordnet sind und diese jeweils umschließen.
Der in 14D gezeigte Luftsensor 80'''' detektiert vorhandene Luftblasen durch Messung der Kapazität. Hierfür sind quer zur Strömungsrichtung des Reduktionsmittels 2 zwei Metallplatten 85, 85' vorgesehen, die parallel zueinander angeordnet sind. Dabei ist die zweite Leitung 52 zwischen den Metallplatten 85, 85' angeordnet.
Es wird betont dass der Luftsensor auch in der ersten bis dritten, fünften und sechsten Ausführungsform Verwendung finden kann.

Claims

Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, aufweisend: einen Tank (1) für ein fluides Reduktionsmittel (2); eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende Düse (3) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4); und eine Pumpe (6; 6') zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) über eine Fluidverbindung aus dem Tank (1) zur Düse (3); gekennzeichnet durch, wenigstens einen Durchflussmesser (7) für das Reduktionsmittel (2), der in der Fluidverbindung zwischen dem Tank (1) und der Düse (3) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Durchflussmesser (7; 7') ausgebildet ist, wenigstens eines von einem Massenstrom und einem Volumenstrom des der Düse (3) zugeführten Reduktionsmittels zu bestimmen.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abschnitt der Fluidverbindung zwischen dem Tank (1) und der Düse (3) durch eine Verbindungsleitung (53) zwischen dem Durchflussmesser (7) und der Düse (3) bereitgestellt wird, welche Verbindungs leitung (53) ausschließlich einen Ausgang des Durchflussmessers (7) mit einem Eingang der Düse (3) verbindet.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen dem Tank (1) oder einer Einlassseite der Pumpe (6; 6') und dem Durchflussmesser (7) oder der Düse (3) eine Rücklaufleitung (54) zum Rückführen des Reduktionsmittels (2) in den Tank (1) vorgesehen ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei in der Rücklaufleitung (54) ein Rücklaufventil (8) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei in der Rücklaufleitung (54) ein zweiter Durchflussmesser (7') für das Reduktionsmittel (2) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Düse (3) und die Pumpe (6') zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) aus dem Tank (1) zur Düse (3) einstückig ausgebildet sind und so eine Pumpe-Düse-Einheit bilden.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 7, weiter umfassend eine Förderpumpe (13) zum Fördern des Reduk tionsmittels (2) aus dem Tank (1) zur Pumpe-Düse-Einheit.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Reduktionsmittel (2) ein Ammoniak freisetzendes Reduktionsmittel (2) und insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung ist; und wobei im Abgasstrom (4) stromabwärts der Düse (3) ein SCR-Katalysatorelement (9) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 9, weiter umfassend einen stromaufwärts und/oder stromabwärts des SCR- Katalysatorelements (9) im Abgasstrom (4) angeordneten Stickoxidsensor (11) zum Bestimmen des Stickoxidgehalts des Abgasstroms (4).
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Durchflussmesser (7) ein nach dem thermischen Messprinzip arbeitender Durchflusssensor, ein Ultraschalldurchflusssensor, ein Sensor nach dem Differenzdruckverfahren oder ein Magnetisch Induktiver Durchflusssensor MID ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Pumpe (6; 6'; 6'') eine Dosierpumpe ist und/oder die Düse (3) eine Dosierdüse ist und/oder in der Fluidverbindung zwischen Tank und Düse ein Dosierventil angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Durchflussmesser (7) in die Düse (3) integriert ist oder der Durchflussmesser (7) durch die Düse (3) bereitgestellt wird.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Pumpe (6; 6'; 6'') und der Durchflussmesser (7) getrennte, über eine Verbindungsleitung (52) verbundene Bauteile sind.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter umfassend wenigstens eine Steuerung (10), welche die Pumpe (6, 6', 6'') und/oder das Rücklaufventil (8) und/oder die Düse (3) steuert und als Eingangssignal wenigstens ein Ausgangssignal des wenigstens einen Durchflussmessers (7; 7') und/oder Stickoxidsensors (11) erhält.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 15, wobei die Düse (3) eine gesteuert öffen- und schließbare Düse (3*) ist, die über die Fluidverbindung mit dem Tank (1) verbunden ist, und wobei die Düse (3) weiter mit der Steuerung (10) verbunden ist und durch diese gesteuert wird; und wobei die Abgasreinigungseinrichtung weiter eine in der Fluidverbindung zwischen Tank (1) und Düse (3) angeordnete und mit der Steuerung (10) verbundene Druckänderungseinheit (60) aufweist, welche ausgebil det ist, den Einspritzdruck des über die Düse (3) in den Abgasstrom (4) eingespritzten Reduktionsmittels (2) in Abhängigkeit von einem von der Steuerung (10) empfangenen Steuersignal zu ändern.
Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, aufweisend: einen Tank (1) für ein fluides Reduktionsmittel (2); eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende, gesteuert öffen- und schließbare Düse (3*) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4), welche Düse (3*) über eine Fluidverbindung mit dem Tank (1) verbunden ist; eine Pumpe (6) zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) über die Fluidverbindung aus dem Tank (1) zur Düse (3*); und eine mit der Düse (3*) verbundene Steuerung (10), um die Düse (3*) zu steuern; gekennzeichnet durch, eine in der Fluidverbindung zwischen Tank (1) und Düse (3*) angeordnete und mit der Steuerung (10) verbundene Druckänderungseinheit (60), welche ausgebildet ist, den Einspritzdruck des über die Düse (3*) in den Abgasstrom (4) eingespritzten Reduktionsmittels (2) in Abhängigkeit von einem von der Steuerung (10) empfangenen Steuersignal zu ändern.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Druckänderungseinheit (60) eine in der Fluidverbindung zwischen Pumpe (6) und Düse (3*) angeordnete steuerbare Drossel oder ein steuerbares Ventil ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Pumpe (6) zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) aus dem Tank (1) zur Düse (3*) eine Pumpe mit steuerbarem Ausgabedruck ist, und so die Druckänderungseinheit (60) bereitstellt.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, weiter aufweisend einen in der Fluidverbindung zwischen der Druckänderungseinheit (60) und der Düse (3*) angeordneten und mit der Steuerung (10) verbundenen Drucksensor (61) zum Messen eines Drucks des der Düse (3*) zugeführten Reduktionsmittels (2), wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Druckänderungseinheit (60) in Abhängigkeit von dem über den Drucksensor (61) gemessenen Einspritzdruck des Reduktionsmittels (2) zu steuern.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, weiter aufweisend einen mit der Fluidverbindung zwischen Druckänderungseinheit (60) und Düse (3*) verbundenen Druckspeicher (62) zum Speichern des in der Fluidverbindung zwischen Druckänderungseinheit (60) und Düse (3*) aufgebauten Drucks.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, weiter aufweisend eine mit der Fluidverbindung zwischen Druckänderungseinheit (60) und Düse (3*) sowie dem Tank (1) verbundene Rücklaufleitung (54) für das Reduktionsmittel, in welcher Rücklaufleitung ein mit der Steuerung (10) verbundenes und durch die Steuerung (10) gesteuertes Rücklaufventil (8) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Druckänderungseinheit (60) so zu steuern, dass sich ein höherer Einspritzdruck des über die Düse (3*) in den Abgasstrom (4) eingespritzten Reduktionsmittels (2) und ein niedrigerer Einspritzdruck des über die Düse (3*) in den Abgasstrom (4) eingespritzten Reduktionsmittels (2) abwechseln, wobei der höhere Einspritzdruck um wenigstens 10% und bevorzugt um wenigstens 20% und weiter bevorzugt um wenigstens 30% höher als der niedrige Einspritzdruck ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Düse (3*) so zu steuern, dass sich eine längere Öffnungsdauer der Düse (3*) und eine kürzere Öffnungsdauer der Düse (3*) abwechseln, wobei die längere Öffnungsdauer um wenigstens 10% und bevorzugt um wenigstens 20% und weiter bevorzugt um wenigstens 30% länger als die kürzere Öffnungsdauer ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, weiter aufweisend einen in dem Abgasstrom (4) benachbart zur Düse (3*) angeordneten und mit der Steuerung (10) verbundenen Temperatursensor (14'') zum Bestimmen einer Temperatur des Abgasstroms (4) im Bereich der Düse, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Druckänderungseinheit (60) in Abhängigkeit von der über den Temperatursensor (14'') gemessenen Temperatur des Abgasstroms (4) zu steuern.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, weiter aufweisend einen mit der Steuerung (10) verbundenen Abgasdurchflussmesser (63) zum Bestimmen des Massenstroms des Abgases, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Druckänderungseinheit (60) in Abhängigkeit von dem bestimmten Massenstrom des Abgases zu steuern.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, weiter aufweisend einen mit der Steuerung (10) verbundenen Stickoxidsensor (14) zum Bestimmen der Stickoxidkonzentration im Abgas, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Druckänderungseinheit (60) in Abhängigkeit von der bestimmten Stickoxidkonzentration zu steuern.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 25, 26 oder 27, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Druckänderungseinheit (60) so zu steuern, dass der Einspritzdruck des über die Düse (3*) in den Abgasstrom (4) eingespritzten Reduktionsmittels (2) umgekehrt proportional zum von dem Abgasdurchflussmesser (63) bestimmen Massenstrom des Abgases und/oder zur vom Temperatursensor (14'') gemessenen Temperatur des Abgases ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, Öffnungsfrequenz und/oder Öffnungsdauer der gesteuert öffen- und schließbare Düse (3*) in Abhängigkeit von dem durch den Abgasdurchflussmesser (63) bestimmten Massenstrom und/oder der von dem Temperatursensor (14'') gemessenen Temperatur des Abgases und/oder der vom Stickoxidsensor (14) gemessenen Stickoxidkonzentration zu verändern.
Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, aufweisend: einen Tank (1) für ein fluides Reduktionsmittel (2); eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende, gesteuert öffen- und schließbare Düse (3*) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4), welche Düse (3*) über eine Fluidverbindung mit dem Tank (1) verbunden ist; eine Pumpe (6) zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) über die Fluidverbindung aus dem Tank (1) zur Düse (3*); einen Abgasdurchflussmesser (63) zum Bestimmen des Massenstroms des Abgases und/oder einen Temperatursensor (14'') zum Bestimmen der Temperatur des Abgases und/oder einen Stickoxidsensor (14) zum Bestimmen der Stickoxidkonzentration im Abgas; und eine mit der Düse (3*), dem Abgasdurchflussmesser (63) und/oder dem Temperatursensor (14'') verbundene Steuerung (10), um die Düse (3*) zu steuern; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) ausgebildet ist, Öffnungsfrequenz und/oder Öffnungsdauer der gesteuert öffen- und schließbare Düse (3*) in Abhängigkeit von dem durch den Abgasdurchflussmesser (63) bestimmten Massenstrom und/oder der von dem Temperatursensor (14'') gemessenen Temperatur des Abgases zu verändern.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 29 oder 30, wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Düse (3*) so zu steuern, dass die Öffnungsdauer der Düse (3*) proportional zum durch den Abgasdurchflussmesser (63) bestimmten Massenstrom und/oder der von dem Temperatursensor (14'') gemessenen Temperatur des Abgases und/oder der vom Stickoxidsensor (14) gemessenen Stickoxidkonzentration ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 31, weiter aufweisend einen in der Fluidverbindung zwischen Pumpe (6) und Düse (3*) angeordneten Temperatursensor (64) zur Bestimmung einer Temperatur des Reduktionsmittels (2), wobei die Steuerung (10) ausgebildet ist, die Pumpe und/oder die Düse (3*) und/oder die Druckänderungseinheit (60) in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor (64) gemessenen Temperatur des Reduktionsmittels (2) zu steuern.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 32, wobei an der Fluidverbindung zwischen dem Tank (1) und der Düse (3) wenigstens ein Luftsensor (80) zur Detektion von Luftblasen im Reduktionsmittel (2) angeordnet ist; und wobei die Steuerung (10) als Eingangssignal zur Steuerung der Pumpe (6, 6', 6'') und/oder der Düse (3) wenigstens das Ausgangssignal des Luftsensors (80) erhält.
Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, aufweisend: einen Tank (1) für ein fluides Reduktionsmittel (2); eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende Düse (3) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4); eine Pumpe (6; 6') zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) über eine Fluidverbindung aus dem Tank (1) zur Düse (3); und eine Steuerung (10), welche die Pumpe (6, 6', 6'') und/oder die Düse (3) steuert; gekennzeichnet durch, einen Luftsensor (80) zur Detektion von Luftblasen im Reduktionsmittel (2), welcher an der Fluidverbindung zwischen dem Tank (1) und der Düse (3) angeordnet ist, wobei die Steuerung (10) als Eingangssignal wenigstens das Ausgangssignal des Luftsensors (80) erhält.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 33 oder 34, wobei der Luftsensor (80) eine Kapazität und/oder Induktivität und/oder einen elektrischen Widerstand und/oder eine Wärmeleitfähigkeit und/oder eine Wärmekapazität des die Fluidverbindung zwischen dem Tank (1) und der Düse (3) durchströmenden Reduktionsmittels (2) bestimmt, und so Luftblasen im Reduktionsmittel (2) feststellt.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zu reinigende Abgas in einer Abgasleitung (70) geführt wird, welche entlang einer Strömungsrichtung des Abgases eine erste Querschnittsfläche (D1), eine zweite Querschnittsfläche (D2) und eine dritte Querschnittsfläche (D3) aufweist; wobei eine Flächennormale (N2) auf die zweite Querschnittsfläche (D2) mit einer Flächennormalen (N1) auf die erste Querschnittsfläche (D1) einen Winkel α und eine Flächennormale (N3) auf die dritte Querschnittsfläche (D3) mit einer Flächennormalen (N1) auf die erste Querschnittsfläche (D1) einen Winkel β einschließt; wobei der Winkel α größer als der Winkel β ist; wobei die Düse (3*) zwischen der ersten und der dritten Querschnittsfläche (D1, D3) in die Abgasleitung (70) mündet, und eine Einspritzrichtung der Düse (3*) mit einer Flächennormalen (N1) auf die erste Querschnittsfläche (D1) einen Winkel γ einschließt; und wobei der Winkel α größer als der Winkel γ und dieser größer als der Winkel β ist.
Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, aufweisend: einen Tank (1) für ein fluides Reduktionsmittel (2); eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende Düse (3*) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4), welche Düse (3*) über eine Fluidverbindung mit dem Tank (1) verbunden ist; und eine Pumpe (6; 6') zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) über eine Fluidverbindung aus dem Tank (1) zur Düse (3*); wobei das zu reinigende Abgas in einer Abgasleitung (70) geführt wird, welche entlang einer Strömungsrichtung (S) des Abgases eine erste Querschnittsfläche (D1), eine zweite Querschnittsfläche (D2) und eine dritte Querschnittsfläche (D3) aufweist; wobei eine Flächennormale (N2) auf die zweite Querschnittsfläche (D2) mit einer Flächennormalen (N1) auf die erste Querschnittsfläche (D1) einen Winkel α und eine Flächennormale (N3) auf die dritte Querschnittsfläche (D3) mit einer Flächennormalen (N1) auf die erste Querschnittsfläche (D1) einen Winkel β einschließt; wobei der Winkel α größer als der Winkel β ist; wobei die Düse (3*) zwischen der ersten und der dritten Querschnittsfläche (D1, D3) in die Abgasleitung (70) mündet, und eine Einspritzrichtung der Düse (3*) mit einer Flächennormalen (N1) auf die erste Querschnittsfläche (D1) einen Winkel γ einschließt; und dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α größer als der Winkel γ und dieser größer als der Winkel β ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 oder 37, wobei der Winkel γ wenigstens 5° und bevorzugt wenigstens 10° und weiter bevorzugt wenigstens 15° und weiter bevorzugt wenigstens 20° beträgt.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 38, wobei der Winkel β höchstens 30° und bevorzugt höchstens 20° und weiter bevorzugt höchstens 10° beträgt.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 39, wobei der Winkel α höchstens 90° und bevorzugt höchstens 80° und weiter bevorzugt höchstens 70° beträgt.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 40, wobei der Winkel α wenigstens 20° und bevorzugt wenigstens 30° und weiter bevorzugt wenigstens 40° beträgt.