DE102009035940A1

DE102009035940A1 - SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE102009035940A1
Application number: DE102009035940A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Zapf; Alexandre Branco; Heico Stegmann
Original assignee: Hydraulik Ring GmbH
Current assignee: Cummins Ltd
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: US20110023466A1; CN101988409A; DE102009035940B4; US8938949B2; DE102009035940C5; CN101988409B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere für dieselmotorische Verbrennungsmotoren (155) mit sehr großem Abgasvolumen und/oder aufgeteilten Abgassträngen (177). Um diese SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung auch bei hohem Vermischungsgrad von Abgas und HWL kostengünstig herstellen zu können, wird vorgeschlagen, mehrere Dosiereinheiten (D, D, D) vorzusehen, die jeweils eine Zerstäuberdüse (101) aufweisen, welche die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang (177) eindüsen. Dabei ist der in einer gemeinsamen Leitung (50) für alle Dosiereinheiten (D, D, D) vorhandene Druck mittels eines Drucksensors ermittelbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß dem einteiligen Patentanspruch 1.
Aus der DE 198 17 994 A1 – erste Ausführungsform – ist bereits eine Abgasnachbehandlungseinrichtung bekannt, bei welcher eine Pumpe Ammoniak aus einem Ammoniakreservoir in eine Leitung pumpt und dort unter einen konstanten Druck setzt. Von der Leitung gehen vier Dosierventile ab. Jedes dieser Dosierventile leitet das Ammoniak in den Teilstrang eines Abgaskrümmers ein, welcher einem Brennraum eines Verbrennungsmotors zugeordnet ist. Damit sollen die Stickoxide (NO_x) im Abgas reduziert werden.
Die DE 699 10 605 T2 betrifft in deren Ausführungsform 2A einen SCR-Katalysator bei welchem Harnstoff mittels drei Dosierventilen gestuft direkt am Anfang, in der Mitte und am Ende dem SCR-Katalysator zugeführt wird.
Die DE 41 04 382 A1 betrifft eine Gasturbine, bei welcher mittels drei Düsen an Stellen verschiedener Verdichtung eine Ammoniak-Wasser-Lösung zugeführt wird.
Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2008 012 780 betrifft eine SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung, bei welcher eine Versorgungseinheit mit einer Membranpumpe und einem Druckfilter Anwendung findet. Ferner ist eine Dosiereinheit vorgesehen, die einen Drucksensor, ein Ventil und einen Zerstäuber aufweist. Eine Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittel läuft in einem offenen Kreislauf um. Der offene Kreislauf gewährleistet neben anderen Maßnahmen, dass sich unter dem Gefrierpunkt ausdehnende Harstoff-Wasser-Lösung die SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nicht schädigen kann. Um trotz dem offenen Kreislauf am Ventil dennoch den ausreichenden Druck für den Zerstäuber aufzubauen, ist eine Rücklaufblende in der Dosiereinheit vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung für Verbrennungsmotoren mit sehr großem Abgasvolumen und/oder aufgeteilten Abgassträngen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Im folgenden wird die Harnstoff-Wasser-Lösung kurz als HWL bezeichnet.
In besonders vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung Anwendung finden insbesondere bei Schiffsdieselmotoren, stationären Dieselmotoren, Baumaschinenmotoren, großen Notstromaggregaten und Motoren mit geteilten Zylinderbänken wie V-Motoren und W-Motoren.
Erfindungsgemäß sind mehrere Dosiereinheiten vorgesehen, die ein Dosierventil und einen Zerstäuberdüse aufweisen, so dass die HWL an mehreren Stellen des großen Abgasvolumens bzw. des geteilten Abgasstranges eingedüst werden kann. Dies alleine stellt schon eine bessere Verteilung sicher bzw. ermöglicht diese erst bei einem geteilten Abgasstrang. Die Zerstäubung hat zudem gegenüber dem Einspritzen – insbesondere gegenüber der Einspritzung eines kaum verteilten HWL-Strahls auf eine heiße Fläche des Abgasrohres – den Vorteil einer erheblich besseren Verteilung mit einer entsprechend großen reaktiven Oberfläche der HWL. Damit wird ein sehr hoher Anteil der HWL vollständig umgesetzt, so dass bei geringem HWL-Verbrauch besonders gute Abgaswerte erreicht werden. Das ist insbesondere bei großen Abgasvolumina von Vorteil, die ohnehin ein Problem mit der Vermischung haben. Auch ist keine heiße Fläche notwendig, die beim Startvorgang bzw. in der Warmlaufphase zusätzlich beheizt werden müsste. Eine Zerstäuberdüse kann beispielsweise mittels mehrerer Scheiben verwirklicht werden, die derartige Schlitze und/oder Löcher aufweisen, welche die HWL mehrfach umleiten, so dass die HWL beim Austritt aus der Zerstäuberdüse einen starken Drall bekommt. Dieser Drall sorgt für eine Zerstäubung der HWL beim Eintritt in den Abgasstrom. Solche Dralldüsen sind aus dem gattungsfremden Gebiet der Heizbrenner bekannt. Dralldüsen werden als Fachausdruck auch mit der englischen Bezeichnung „pressure swirl atomizer” versehen.
Erfindungsgemäß ist ein Drucksensor vorhanden, der gegenüber einer rein mechanischen – d. h. federgesteuerten – Druckregelung eine genaue Regelung des Druckes ermöglicht. Diese genaue Regelung des Druckes ermöglicht wiederum eine besonders hohe Dosiergenauigkeit. In diesem Drucksensor kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Funktion eines Temperatursensors integriert sein. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Drucksensor in der Dosiereinheit angeordnet, so dass die Temperatur der Harnstoff-Wasser-Lösung direkt in örtlicher Nähe vor der Eindüsung in den Abgasstrom gemessen wird. Mit dieser Konfiguration kann ein relativ hoher Druck aufgebracht werden, der die feine Zerstäubung im großen Abgasvolumen unterstützt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Aufbringen dieses hohen Druckes eine Membranpumpe verwendet, welche auch bei diesem hohen Druck den Pumpenantrieb aufgrund der abdichtenden Membran im besonderen Maße vor der aggressiven HWL schützt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Membran der Membranpumpe von einem Kurbeltrieb bzw. von einem Excentergetriebe vor und zurück bewegt. Mit einem solchen Antrieb der Membranpumpe lassen sich sehr hohe Drücke erzielen, was eine noch feinere Zerstäubung der HWL im Abgasstrom mit den zuvor genannten Vorteilen ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist ein Proportionalventil vorgesehen, welches den Durchfluss von den Dosiereinheiten zum HWL-Tank regelt, von wo die HWL wieder über die Pumpe und die gemeinsame Leitung zu den von dieser abgehenden Dosierventilen gepumpt wird. Mit diesem Kreislauf ist sichergestellt, dass stets gekühlte HWL zu den Dosierventilen gelangen kann und die vom heißen Abgas zugeführte Hitze abführen kann. Zudem lässt sich mit dem Proportionalventil eine passive Einfriersicherheit des Kreislaufs umsetzen, wenn sichergestellt ist, dass sich das Proportionalventil ohne Stromversorgung in der offenen Stellung befindet. Damit ist auch nach dem Abschalten des Systems sicher gestellt, dass sich in der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung keine unter Druck stehende HWL mehr befindet. Auch die gemeinsame Leitung, von der die Dosiereinheiten die HWL beziehen, ist damit gegen Einfrierschäden gesichert. Diese Einfriersicherung funktioniert auch dann, wenn kein Pumpennachlauf mehr möglich ist weil beispielsweise wegen Nutzung des „Notaus” die Stromversorgung zur SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung unterbrochen ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen sämtliche Dosiereinheiten einen eigenen Drucksensor auf. Aus den Druckwerten der Drucksensoren kann dann für die Steuerung der Pumpe der Mittelwert gebildet werden. Insbesondere bei Verwendung einer Membranpumpe mit elektromotorischen Kurbelantrieb kann die Drehzahl des Elektromotors der Membranpumpe geregelt werden. Dies ermöglicht in kostengünstiger Weise ein Baukastensystem, bei dem die gleichen Dosiereinheiten verwendet werden, die auch bei Fahrzeugen mit nur einer Dosiereinheit in der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung verwendet werden. Diese an sich „überflüssige” Verwendung von Drucksensoren ist wirtschaftlich sinnvoll, da die Stückzahlen für die eingangs genannten speziellen Motoren – Schiffsdieselmotoren, stationäre Dieselmotoren, W-Motoren etc. – im Verhältnis zu Standardmotoren relativ gering sind. Zu den Standardmotoren zählen insbesondere die Reihenmotoren mit drei bis sechs Zylindern, wie sie in Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen Anwendung finden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Dosiereinheiten mit den Zerstäuberdüsen klassifiziert wobei an der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nur Dosiereinheiten einer Klasse Verwendung finden. Damit können die Toleranzen der Dosiereinheiten und insbesondere die Toleranzen der Zerstäuberdüsen kompensiert werden. So variiert fertigungsbedingt der Druck, der aufgebracht werden muss, um eine definierte Menge HWL durch die jeweilige Zerstäuberdüse zu bringen. Jedoch besitzen die Drucksensoren in den Dosiereinheiten eine Auswerteelektronik mit einem Kennfeld in dem die Ausgabespannung über den Druck aufgetragen ist. Dieses Kennfeld ist kalibrierbar.
Damit ist es möglich, bei jeder Dosiereinheit zu messen, welcher Druck notwendig ist, um eine definierte Menge HWL auszudüsen. Entsprechend wird das Kennfeld des Drucksensors kalibriert, so dass sich die Dosiereinheiten in Klassen einteilen lassen. Ist beispielsweise bekannt, dass die Zerstäuber um +/–6% variieren, so lassen sich durch Kalibrierung der Kennlinie der Auswerteelektronik des Drucksensors folgende Klassen einteilen:
Klasse A: 94% Nenndruck bis 96% Nenndruck
Klasse B: > 96% Nenndruck bis 98% Nenndruck
Klasse C: > 98% Nenndruck bis 100% Nenndruck
Klasse D: > 100% Nenndruck bis 102% Nenndruck
Klasse E: > 102% Nenndruck bis 104% Nenndruck
Klasse F: > 104% Nenndruck bis 106% Nenndruck
An einem bestimmten Verbrennungsmotor dürfen dann nur Dosiereinheiten einer der Klassen A bis F verwendet werden. Dadurch ist auch die Wartung und Versorgung mit Ersatzteilen vereinfacht, da keine Einstellung verändert werden muss, sondern nur auf die Verwendung von Ersatzteilen der selben Klasse geachtet werden muss. Den Sollwert für den Regelkreis des Pumpendrucks bildet dann der Mittelwert aller Ausgangsspannungen der Drucksensoren.
Insbesondere bei dem oben beschriebenen Baukastensystem, bei dem nahezu die gleichen Dosiereinheiten für den Massenmarkt von Verbrennungsmotoren verwendet werden, wie für großvolumige Verbrennungsmotoren mit mehreren HWL-Eindüsungspunkten, können die Dosiereinheiten für den Massenmarkt mit einmalig eingestellten unveränderlichen Rückflussblenden ausgeführt sein, wohingegen die Dosiereinheiten für die großvolumigen Verbrennungsmotoren ohne die Rückflussblenden ausgeführt sind und stattdessen das eine weiter oben beschriebene zentrale stufenlos verstellbare Proportionalventil für alle Dosiereinheiten aufweisen.
Gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung ist in der Versorgungseinheit ein feiner Druckfilter vorgesehen, der die Zerstäuberdüsen der Dosiereinheiten vor Verstopfung schützt. Dabei ist dieser feine Druckfilter im HWL-Fluss nach der Membranpumpe angeordnet. Damit macht sich der Druckverlust am feinen Druckfilter weniger bemerkbar, als wenn dieser Druckfilter im Saugkanal vor der Membranpumpe angeordnet wäre. Die Membran kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mittels eines groben Ansaugfilters vor grober Verschmutzung geschützt sein, wobei an diesem groben Ansaugfilter nur ein geringer Druckverlust auftritt. Damit ist auch die Membranpumpe – insbesondere sind deren Rückschlagventile – vor Schmutzpartikeln geschützt. Somit kann die Funktionssicherheit der Membranpumpe im besonders hohen Maße gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Membranpumpe in die Versorgungseinheit integriert. Eine thermisch belastete Platine dieser Steuerungseinheit kann dabei in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung staubgeschützt innerhalb eines Gehäuses an einer nach außen gerichteten Metallplatte befestigt sein, so dass die Hitze der Platine aus dem Gehäuse heraus geleitet wird. Um diese Abkühlung der Platine zu verstärken, kann die Metallplatte außerhalb des Gehäuses mit Kühlrippen versehen sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Versorgungseinheit an den Kühlwasserkreislauf des Kraftfahrzeugantriebsmotors angeschlossen sein. Somit kann beispielsweise die HWL und oder die Steuerungseinheit vom Kühlwasserkreislauf des Kraftfahrzeugantriebsmotors aufgetaut werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann eine elektrische Heizung für die Dosiereinheit zum schnellen Auftauen vorgesehen sein.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervor.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen
1 den Schaltplan einer SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer Versorgungseinheit und mehreren Dosiereinheiten,
2 im Detail die in 1 nur schematisch dargestellte Versorgungseinheit, welche eine Membranpumpe mit einer Membran umfasst,
3 ein Detail der Membranpumpe aus 2 im Bereich der Membran,
4 die Versorgungseinheit aus 2 in einer Ansicht von unten, wobei die Pumpeinheit im Bereich von HWL-Anschlüssen und einem Druckbegrenzungsventil ausgebrochen dargestellt ist und
5 die Versorgungseinheit aus 2 4 in einer Ansicht von oben, wobei die Versorgungseinheit im Bereich eines komprimierbaren Ausgleichselements ausgebrochen dargestellt ist,
6 die Versorgungseinheit aus 2 bis 5 in einer Ansicht von oben, wobei die Versorgungseinheit im Bereich eines Kühlwasseranschlusses ausgebrochen dargestellt ist,
7 eine Stanzplatine, welches vom Kunststoff der Versorgungseinheit umspritzt ist,
8 in einer ersten Ansicht die erste Dosiereinheit der in 1 nur schematisch dargestellten Dosiereinheiten,
9 die Dosiereinheit aus 8 in einer zweiten Ansicht,
10 eine Düsenscheibe einer Zerstäuberdüse, welche Anwendung in den Dosiereinheiten findet,
11 eine weitere Düsenscheibe, welche zusammen mit der Düsenscheibe gemäß 10 ein Düsenscheibenpaket bildet und
12 eine Adapterplatte welche zwischen dem Düsenscheibenpaket und einem Ventilsitz der Dosiereinheiten angeordnet ist.
1 zeigt den Schaltplan einer SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung. Mittels dieser SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung wird eine HWL in einen Abgasstrang 177 eines hubraumstarken Verbrennungsmotors 155 – insbesondere Dieselmotors – eingedüst. Dazu ist eine Versorgungseinheit 1 mit einer Pumpe 2 vorgesehen. Diese Versorgungseinheit 1 saugt dabei die HWL aus einem Tank 200 an, setzt diese unter Druck und leitet sie unter Druck über eine gemeinsame Leitung 50 an mehrere Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n.
Diese Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n düsen über Zerstäuberdüsen 101 einen Teil der HWL in den heißen Abgasstrom ein. Außerdem werden die Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n von der im Kreislauf zwischen der Versorgungseinheit 1 und den Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n umlaufenden HWL gekühlt.
2 zeigt, dass die Versorgungseinheit 1 außer der besagten Pumpe 2 auch einen Druckfilter 3 und eine Steuerungseinheit 4 umfasst.
Die Pumpe 2 ist als Membranpumpe ausgeführt und umfasst einen bürstenlosen Elektromotor 5 mit einem ähnlich einem Kurbeltrieb arbeitenden Excentergetriebe 6. Dieses Excentergetriebe 6 bewegt den mittigen Bereich einer Membran 7 hin und her, welche an deren Umfang in einem Zwischengehäuse 8 eingespannt ist. In diesem Zwischengehäuse 8 sind außerdem zwei im Detail 3 näher ersichtliche Kunststoffscheiben 207, 208 eingelegt, die als Spritzgussteile ausgeführt sind. Dabei ist die obere Kunststoffscheibe 207 auf die untere Kunststoffscheibe 208 gelegt, so dass sich infolge zungenartiger Ausformungen im Kontaktbereich der beiden Kunststoffscheiben 207, 208 zwei Rückschlagventile 9, 10 bilden. Diese beiden Rückschlagventile 9, 10 sind als Flatterventile ausgeführt. In die Kunststoffscheiben 207, 208 sind ferner die für den HWL-Durchfluss notwendigen Kanäle vorgesehen. Das eine Rückschlagventil 10 öffnet in die eine Richtung, so dass ein von der Membran 7 unter Druck setzbarer Druckraum 190 unter Druck stehende HWL abgeben kann. Das andere Rückschlagventil 9 öffnet in die entgegen gesetzte Richtung, so dass der Druckraum 190 HWL ansaugen kann. Von jedem Rückschlagventil 9, 10 geht ein eigener in das Zwischengehäuse 8 eingearbeiteter Kanal ab. Diese Kanäle sind mittels O-Ringen 240, 241 abgedichtet. Von diesen Kanälen ist in 2 nur ein Teilstück 11 ersichtlich. Das HWL ansaugende Rückschlagventil 9 saugt die HWL über das Teilstück 11 und einen von diesem abgehenden weiteren Kanal 242 von einem HWL-Sauganschluss 12 an. Dieser weitere Kanal 242 und ein davor angeordneter Saugfilter 243 sind in 4 ersichtlich. Der Saugfilter 243 schützt dabei die Pumpe 2 vor grober Verschmutzung. Dieser Saugfilter 243 ist im HWL-Sauganschluss 12 eingebaut.
Aus dem Druckraum 190 wird die HWL von der Membran 7 über das andere Rückschlagventil 10 und den von diesem abgehenden nicht näher ersichtlichen Kanal zu dem Druckfilter 3 geleitet. Von diesem Druckfilter 3 wird die HWL zu einem in 5 ersichtlichen HWL-Druckanschluss 153 geleitet. Mittels dieses Druckfilters 3 werden die Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n vor Schmutzpartikeln und damit vor Verstopfung geschützt. Über die in 1 ersichtliche gemeinsame Leitung 50 ist der HWL-Druckanschluss 153 mit den Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n verbunden. Über die HWL-Leitung 151 ist der HWL-Sauganschluss 12 der Versorgungseinheit 1 mit dem HWL-Tank 200 verbunden. Jede der Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n weist zwei Dosiereinheitanschlüsse 156a, 157a, 156b, 157b auf. Die HWL ableitenden Dosiereinheitanschlüsse 156a, 156b sind über parallele Leitungen zu einer weiteren HWL-Leitung 201 zusammengeführt. Diese HWL-Leitung 201 ist über ein Proportionalventil 223 mit dem HWL-Tank 200 verbunden, so dass sich über das im Öffnungsgrad stufenlos regelbare Proportionalventil 223 ein Kreislauf für die umlaufend die Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n kühlende HWL bildet. Der Öffnungsgrad des Proportionalventils 223 wird in Abhängigkeit von der Menge HWL geregelt, die über die Dosierventile 34 und die Zerstäuberdüsen 101 in den Abgasstrang 177 eingedüst wird. Dazu sind die Dosierventile 34 über Steuerleitungen mit der Steuerungseinheit 4 verbunden, welche über den CAN-Bus in Signalübertragung mit der Motorsteuerung ECU steht.
Der Druckfilter 3 umfasst eine Filterpatrone 15, die in einen Topf 16 eingesetzt ist. Dieser Topf 16 weist dabei ein Außengewinde 17 auf, welches in ein Innengewinde 14 einer Hülse 13 eingeschraubt ist. Das Innengewinde 14 ist dabei an dem einen Ende der Hülse 13 angeordnet. An deren anderem Ende ist die Hülse 13 bewegungsfest mit dem Zwischengehäuse 8 verbunden. Somit wird die Filterpatrone 15 dicht gegen das Zwischengehäuse 8 gezogen.
Um die Membran 7 hin und zurück zu biegen, dreht sich der Elektromotor 5, der platzsparend als Außenläufer ausgeführt ist. Demzufolge ist ein ruhender Stator 18 des Elektromotors 5 radial innerhalb eines Rotors 19 von letzterem umschlossen. Der Stator 18 weist Spulen mit Leitungen 20 auf, die zu einer Motorsteuerungsplatine 205 innerhalb der Steuerungseinheit 4 führen. Der Rotor 19 ist auf der vom Excentergetriebe 6 abgewandten Seite mit einer zentral gelochten Scheibe 21 verbunden, durch deren zentrales Loch eine Welle 22 derart gesteckt ist, dass der Rotor 19 und die Welle 22 drehfest zueinander sind. Die Welle 22 ist im Bereich des Excentergetriebes 6 in zwei Wälzlagern 23, 24 wälzgelagert. Diese beiden Wälzlager 23, 24 sind in einem Lagergehäuse 25 aufgenommen, welches bewegungsfest mit dem Zwischengehäuse 8 verbunden ist. Dazu ist eine Verschraubung 26 vorgesehen. Dabei wird die Membran 7 mittels dieser Verschraubung 26 zwischen einer Trägerplatte 206 des Lagergehäuses 25 und der oberen Kunststoffscheibe 207 eingespannt. Im Bereich zwischen den beiden Wälzlagern 23, 24 ist ein Excenter 27 reibschlüssig auf die Welle 22 gepresst. Die Zentralachse dieses Excenters 27 ist parallel versetzt zur Rotationsachse der Welle 22. Koaxial auf dem Excenter 27 ist ein Wälzlager 28 eines Pleuels 29 angeordnet. Dessen anderes Ende ist über einen Gewindebolzen 30 mit einer Stützbuchse 31 verschraubt, welche bewegungsfest mit einer ausgerundeten Anpresshülse 32 verbunden ist. Die Stützbuchse 31 ist in die Membran 7 einvulkanisiert. Die Anpresshülse 32 dient zur Abstützung der Membran 7 beim Druckhub. Der Gewindebolzen 30 ist mittig mit einem Sechskant 33 versehen, und weist an dessen beiden Enden Gewinde auf.
Die Wälzlager 23, 24 und 28 weisen zur Schmierung eine Dauerfettfüllung auf.
Die Steuerungseinheit 4 ist innerhalb eines Steuergehäuses 37 angeordnet, welches einteilig mit einem Pumpengehäuse 38 ausgeführt ist. Das Steuergehäuses 37 ist mittels einer Trennwand 39 öldicht vom Pumpengehäuse 38 getrennt, wobei die besagten Leitungen 20 der Spulen mittels Leiterbahnen 40, die in den Spitzguss-Kunststoffwerkstoff des Pumpengehäuses 38 eingelegt sind, mit der Motorsteuerungsplatine 205 verbunden sind. Auf einer weiteren Platine 41 befinden die Funktionen Dosiersteuerung, Druckregelung, Sensorauswertung und CAN-Kommunikation. Die weitere Platine 41 ist auf eine Seite einer Aluminiumplatte 42 geschraubt, auf deren anderer Seite Kühlrippen 43 angeordnet sind. Diese Aluminiumplatte 42 ist derart in eine Öffnung des Steuergehäuses 37 gesetzt, dass die Kühlrippen 43 nach außen weisen und so die Wärme von der Platine 41 mit der Elektronik hinfort nach außen leiten. Zur Verbindung von

– der Motorsteuerungsplatine 205,
– der weiteren Platine 41 und
– dem CAN-Bus des Fahrzeuges

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– Steuerung bzw. Stromversorgung von deren Dosierventilen 34,
– Steuerung bzw. Stromversorgung von elektrischen Heizungen 265,
– Stromversorgung von Drucksensoren 221, die zudem die Funktion eines Temperatursensors haben und
– Signalaufnahme von diesen Drucksensoren 221.

Der 7-polige Kontaktstecker 212 stellt die Verbindung zur Fahrzeugelektronik und zur Spannungsversorgung her. Die Kommunikation erfolgt dabei über CAN-Bus-Signale.
Auf der dem Sauganschluss 12 gegenüber liegenden Seite des Zwischengehäuses 8 sind zwei Kühlwasseranschlüsse 46, 154 vorgesehen, die insbesondere in 4 bis 6 ersichtlich sind. Diese beiden Kühlwasseranschlüsse 46, 154 führen an die beiden Enden eines Kühlkanals 47, der in das Zwischengehäuse 8 eingearbeitet ist. Da die beiden Kühlwasseranschlüsse 46, 154 andererseits in einen nicht näher ersichtlichen Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors 155 geschaltet sind, kann somit die Versorgungseinheit 1 durch das heiße Kühlwasser vom Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors 155 aufgetaut bzw. in betriebswarmer Temperatur gehalten werden.
In 8 und 9 ist die erste Dosiereinheit D₁ der gleichartig ausgestalteten Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n in zwei geschnittenen Ansichten dargestellt. Diese Dosiereinheit D₁ umfasst das elektromagnetische Dosierventil 34. Dieses elektromagnetische Dosierventil 34 weist einen Elektromagneten 158 mit einem Anker 159 auf, der eine Schraubendruckfeder 161 gegen deren Federkraft zusammendrücken kann, so dass der HWL-Druck eine Nadel 160 in die geöffnete Stellung schieben kann. Die Schraubendruckfeder 161 stützt sich dabei an einem Gewindebolzen 191 ab, mit welchem die Vorspannung der Schraubendruckfeder 161 einstellbar ist. Wird der Elektromagnet 158 nicht über seine Anschlüsse 162 bestromt, so drückt die Schraubendruckfeder 161 die Nadel 160 wieder gegen einen Ventilsitz 102 in eine geschlossene Stellung. Die Nadel 160 ist dabei relativ lang und einerseits in einem Linear-Gleitlagern 163 geführt. Andererseits erfolgt die Führung mittels einer Dichtungsmembran 164, die den Elektromagneten 158 vor der aggressiven HWL schützt. Zwischen diesen beiden Führungen ist ein Kühlkanal 165 vorgesehen, der den Kreislauf zwischen den beiden besagten Dosiereinheitanschlüssen 156a, 157a schließt. Der erste Dosiereinheitanschluss 156a ist dazu an die Leitung 201 angeschlossen, wohingegen der zweite Dosiereinheitanschluß 157a an die Leitung 50 angeschlossen ist. Von dem einen als Zulauf ausgebildeten Dosiereinheitanschluss 157a wird die HWL über ein Filtersieb 260 durch mehrere Ausnehmungen im vorderen Linear-Gleitlager 163 zum Ventilsitz 102 geleitet. Wird die HWL im bestromten Zustand des Elektromagneten 158 durch eine zentrale Öffnung im Ventilsitz 102 hindurch gelassen, so wird die HWL durch eine Zerstäuberdüse 101 geleitet. Diese Zerstäuberdüse 101 ist als Dralldüse ausgeführt und weist die beiden in 10 und 11 dargestellten übereinander gelegten Düsenscheiben 167, 168 auf. Diese beiden Düsenscheiben 167, 168 sind dabei mittels eines Austrittsdüseneinsatzes 169 gegen den Ventilsitz 102 gespannt, wobei noch eine in 12 ersichtliche Adapterplatte 170 zwischen den Düsenscheiben 167, 168 und dem Ventilsitz 102 verspannt ist. Zur Herstellung der Verspannung der Adapterplatte 170 und der Düsenscheiben 167, 168 ist eine nicht näher dargestellte Verbördelung am Austrittsdüseneinsatz 169 vorgesehen. Dieser Austrittsdüseneinsatz 169 weist einen – nicht näher ersichtlichen – sich trichterförmig aufweitendem Austritt auf. Durch die Formgebung von Öffnungen 180, 181 der Düsenscheiben 167, 168 erfährt die ausströmende HWL einen Drall, der die HWL beim Austritt zerstäubt.
Eingedüst wird die HWL entsprechend 1 in einen Bereich eines Abgasstranges 177, der vor einem Katalysator 178 liegt.
Über das besagte Proportionalventil 223 aus 1 wird die ständige Durchströmung der Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n mit HWL sichergestellt. Dadurch wird zum einen die Temperatur der Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n niedrig gehalten. Zum anderen wird beim Ausschalten der Stromversorgung der Druck in der Abgasnachbehandlungseinrichtung auf Tankdruck abgebaut, ohne das dafür Energie zum Öffnen eines Ventils notwendig ist.
Alle Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung sind so ausgeführt, dass ein Einfrieren der drucklosen HWL nicht zu Beschädigungen führt. Dies gilt auch so für die Dosiereinheiten D₁, D₂, D_n. Im elektromagnetischen Dosierventil 34 kann sich die HWL gegen die Dichtungsmembran 164 ausdehnen. Im Druck- und Temperatursensor 221 ist ein Faltenbalg 224 aus Metall eingebaut, der sich gegen eine Druckfeder 225 ausdehnen kann.
Dies gilt aber auch für die Versorgungseinheit 1. In dieser Versorgungseinheit 1 kann sich die HWL gegen

– die Membran 7,
– eine in 4 ersichtliche Begrenzermembran 244 und
– ein in 5 ersichtliches komprimierbares Ausgleichselement 245

Die in 4 ersichtliche Begrenzermembran 244 ist einem auch in 1 ersichtlichem Druckbegrenzungsventil 246 zugehörig. Auf der vom Druckbegrenzungsventil 246 abgewandten Seite der Begrenzermembran 244 ist ein Stichkanal 252 vorgesehen, der in den HWL-Fluss im Zwischengehäuse 8 eingebunden ist. Das Druckbegrenzungsventil 246 weist ein Begrenzergehäuse 250 auf, dass fest mit dem Zwischengehäuse 8 verschraubt ist. Innerhalb des Begrenzergehäuses 250 stützt sich die Berenzermembran 244 über eine zentrales Stütz- und Führungsscheibe 247 und eine Schraubendruckfeder 248 elastisch an einem Einstellelement 249 ab. Dieses Einstellelement 249 ist von außen in das Begrenzergehäuse 250 eingeschraubt. Mittels Ein- und Ausschrauben lässt sich die Vorspannung der Schraubendruckfeder 248 einstellen.
Das in 5 ersichtliche komprimierbare Ausgleichselement 245 wird mittels eines Deckels 251 in einer Aussparung des Zwischengehäuses 8 gehalten. Mittels eines Stichkanals 253 ist das komprimierbare Ausgleichselement 245 in dem HWL-Fluss zum HWL-Druckanschluss 153 eingebunden. Um einen Austritt der aggressiven HWL zu verhindern, ist ein O-Ring zwischen dem Deckel 251 und dem Zwischengehäuse 8 dichtend angeordnet.
Ein komprimierbares Ausgleichselement ähnlich dem Ausgleichselement 245 kann auch im oder neben dem Druckfilter 3 angeordnet sein.
Die übrigen Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung, d. h. insbesondere

– der Tank 200,
– die Leitungen 50, 151, 201,
– der HWL-Sauganschluss 12,
– der HWL-Druckanschluss 153 und
– die Dosiereinheitanschlüsse 156a, 156b, 157a, 157b

Sind einzelne oder sämtliche Komponenten in einer alternativen Ausführungsform nicht einfriersicher ausgestaltet, so kann auch eine Vorrichtung vorgesehen sein, die es ermöglicht, die HWL aus der Pumpeinheit abzusaugen oder abzupumpen, so dass bei Außentemperaturen unter dem Nullpunkt nicht die Gefahr einer Zerstörung infolge sich ausdehnender HWL besteht.
Insbesondere anstelle der Flatterventile aus Kunststoff können auch Kugelrückschlagventile aus Edelstahl Anwendung finden.
Die Eindüsung in den Abgasstrang kann derart erfolgen, dass jedes der Dosierventile HWL in den Teilstrang des Abgaskrümmers einleitet, welcher einem Brennraum eines Verbrennungsmotors zugeordnet ist. Alternativ können auch mehrere Dosierventile auf einem Umfang eines Sammlerrohres des Abgasstranges angeordnet sein, so dass ein Abgasstrom mit besonders großem Querschnitt näherungsweise homogen mit HWL-Nebel vermischt wird.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19817994 A1 [0002]
- DE 69910605 T2 [0003]
- DE 4104382 A1 [0004]
- DE 102008012780 [0005]

Claims

SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung, bei welcher eine Pumpe (2) eine Harnstoff-Wasser-Lösung in einer Leitung (50) unter Druck setzt, die zu Zulaufanschlüssen (157a, 157b) mehrerer Dosiereinheiten (D₁, D₂, D_n) führt, die jeweils ein Dosierventil (34) und einen Zerstäuberdüse (101) aufweisen, welche die Harnstoff-Wasser-Lösung in einen Abgasstrang (177) eindüsen, wobei Ablaufanschlüsse (156a, 156b) der Dosiereinheiten (D₁, D₂, D_n) über ein Proportionalventil (223) zu einem Tank (200) führen, wobei der in der Leitung (50) vorhandene Druck mittels eines Drucksensors (221) ermittelbar ist.
SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (223) bei maximaler einzudüsender Menge Harnstoff-Wasser-Lösung gänzlich geschlossen ist.
SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Dosiereinheiten (D₁, D₂, D_n) einen Drucksensor (221) aufweist.
SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheiten (D₁, D₂, D_n) mit den Zerstäuberdüsen (101) klassifiziert sind, wobei an der SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nur Dosiereinheiten (D₁, D₂, D_n) einer Klasse Verwendung finden.
SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass den vorrangigen Sollwert für die Regelung der Pumpe (2) der Mittelwert von Ausgangssignalen der Drucksensoren (221) bildet.
SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad des Proportionalventils (223) von einem Steuergerät (ECU) in Abhängigkeit von der Einspritzmenge der Harnstoff-Wasser-Lösung geregelt wird.
SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (223) im stromlosen Zustand offen ist.