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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für eine Flüssigkeit, insbesondere zur Zugabe von flüssigem Reduktionsmittel hin zu einem mobilen Abgassystem eines Kraftfahrzeuges. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Anordnung, welche einen Tank mit einem Tankboden und einer Fördereinheit für eine Flüssigkeit hat, wobei die Flüssigkeit insbesondere ein flüssiges Reduktionsmittels zur Abgasnachbehandlung ist.
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Zur Entfernung von Stickoxiden (NOx) im Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen wird bevorzugt ein flüssiges Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingespritzt, um die im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide mittels eines Katalysators in elementaren Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umzuwandeln. Als flüssiges Reduktionsmittel wird bevorzugt eine aktive Substanz, beispielsweise Ammoniak (NH3) und/oder Harnstoff (CH4N2O), in Wasser gelöst und hinzugegeben. Zur Bevorratung des flüssigen Reduktionsmittels ist ein Tank vorgesehen, der mit einer Fördereinheit zusammenwirkt, so dass eine Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank hin zum Abgasstrom ermöglicht ist.
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Bei der Förderung bzw. der Bevorratung dieses Reduktionsmittels sind eine Reihe technischer Probleme gegeben, um unter allen Betriebsbedingungen eine vorgegebene Menge des Reduktionsmittels hin zum Abgasstrom zuzugeben. Diese Probleme sind insbesondere darin begründet, dass das flüssige Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, einfrieren kann. Um das Einfrieren des flüssigen Reduktionsmittels zu verhindern, kann beispielsweise Anti-Frostschutzmittel hinzugesetzt werden, so dass der Gefrierpunkt von wässriger Harnstofflösung, der üblicherweise bei ca. –11°C liegt, auf bis zu –40°C erniedrigt werden.
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Selbst bei Einsatz eines solchen Anti-Frostschutzmittels bzw. Gefrierpunkterniedrigers muss gleichwohl sichergestellt werden, dass die Stickoxide im Abgasstrom auch bei sehr tiefen Temperaturen in der Umgebung des Kraftfahrzeuges reduziert werden. Zu diesem Zweck ist es gegebenenfalls erforderlich, das Reduktionsmittel zunächst aufzutauen bzw. abzuschmelzen. Hierfür wurden bereits diverse Lösungen zum Beheizen des Tanks und/oder einem Teilvolumen des Tanks vorgeschlagen. Diese Lösungen sind jedoch teilweise nicht geeignet, wiederholtes Antauen und Zufrieren in der Weise durchzuführen, dass sicher flüssiges Reduktionsmittel zum Abgasstrom hinzugegeben werden kann.
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Besondere Schwierigkeiten ergeben sich dann, wenn eine Entnahme des flüssigen Reduktionsmittels nahe des Tankbodens und durch den Tankboden hindurch erfolgt. Für diesen Fall wurde beispielsweise herausgefunden, dass das gefrorene Reduktionsmittel mittels einer Heizung am Tankboden zwar aufgetaut werden kann, dass darüber liegende Bereiche der gefrorenen Flüssigkeit jedoch nicht erreicht werden können und sich somit eine dicke Eishülle um die Entnahmestelle bestehen bleibt. Das Absaugen des verflüssigten Reduktionsmittels führt jedoch zu einem Vakuum, gegen das die hier üblicherweise eingesetzten Pumpen nicht arbeiten können.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen.
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Als weitere Aufgabe ist anzuführen, dass Maßnahmen angegeben werden sollen, die gerade beim Auftau-Vorgang bzw. kurz nach dem Auftau-Vorgang eine einwandfreie Entnahme von flüssigem Reduktionsmittel ermöglicht, so dass insbesondere eine im Wesentlichen blasenfreie Förderung ermöglicht ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen vorzuschlagen, mit denen genauere Erkenntnisse über den Auftau-Grad bzw. den Füllstand an flüssigem Reduktionsmittel während des Auftau-Vorgangs bzw. kurz nach dem Auftau-Vorgang vorliegen.
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Zudem wird ein Ziel darin gesehen, Maßnahmen anzugeben, mit denen eine Überwachung und/oder Regelung der Fördereinheit und/oder des Injektors möglich ist. Dabei soll der technische Aufwand gering sein, wobei ggf. eine verbesserte Messwerterfassung über Zustandsgrößen, insbesondere hinsichtlich des Drucks, in dem Fördersystem erreicht werden soll.
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Zur Lösung wenigstens einer der vorstehenden Aufgaben wird eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen, die sich gegebenenfalls auf weitere Aufgaben der Erfindung beziehen, sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt zusätzliche Ausführungsbeispiele an.
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Demnach wird hier eine Vorrichtung, umfassend einen Injektor für eine Flüssigkeit, vorgeschlagen, die mit wenigstens einem Drucksensor, bevorzugt einem integrierten Drucksensor, ausgeführt ist.
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Unter einem „Injektor” wird insbesondere ein Zugabemittel verstanden, das zu vorgegebenen Zeitpunkten einen Leitungsabschnitt für die Flüssigkeit freigibt bzw. verschließt/absperrt. Zwar ist grundsätzlich möglich, dass solche Injektoren selbstöffnend ausgestaltet sind, also bei Anliegen eines vorgegebenen Drucks der Flüssigkeit vor dem Injektor selbst den Strömungsquerschnitt freigeben, vielfach werden jedoch Injektoren eingesetzt, die elektrisch betrieben werden. Ein solcher Injektor ist insbesondere nach Art einer Einspritzdüse ausgeführt. Eine solche Einspritzdüse umfasst gegebenenfalls ein Nadelventil, dessen Nadel durch vorgespannte Federn in Düsenhaltern auf einen Ventilsitz gedrückt wird. Ein Flüssigkeitsdruck verteilt sich in der Druckkammer, die über der Düsenöffnung liegt und öffnet die Düse durch Druck gegen in der Druckkammer liegende kegelige Druckschulter der Düsennadel. Gegebenenfalls kann das Abheben der Nadel auch durch einen Antrieb erfolgen, insbesondere mittels eines elektrisch betrieben Magnetantriebs. Grundsätzlich kann ein solcher Injektor am Auslass eine Düse aufweisen, beispielsweise eine Zapfendüse und/oder eine Lochdüse.
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Während es bislang üblich war, einen Drucksensor zur Ermittlung eines Drucks der Flüssigkeit in der Zuleitung zum Injektor bzw. an einer Stelle des Leitungssystems zwischen Pumpe und Injektor durchzuführen, wird hier vorgeschlagen, dass der Drucksensor in den Injektor integriert ist oder lösbar mit dem Drucksensor verbunden ist. Das heißt mit anderen Worten auch, dass der Drucksensor mit Flüssigkeit, die sich bereits im Injektor befindet und/oder mit Komponenten, die drucksensibel mit der Flüssigkeit zusammenwirken und in bzw. am Injektor angeordnet sind, in Verbindung steht. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Drucksensor mit einem Anschluss des Injektors an eine Injektionsleitung zur Zuführung der Flüssigkeit zum Injektor verbunden ist. Dies kann insbesondere so erfolgen, dass der Drucksensor an den Anschluss angeschraubt ist oder aber mit diesem oder in diesen integriert ist.
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Weiterhin ist eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der der Injektor ein Nadelventil mit einer Druckkammer umfasst und der Drucksensor in Fluidverbindung mit der Druckkammer ausgebildet ist.
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Dies ermöglicht eine sehr präzise Messung des Drucks, mit dem die Flüssigkeit der Injektion durch den Injektor zugeführt wird.
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Mit dieser Erfindung wird erreicht, dass die Bereitstellung eines Drucksensors sehr platzsparend erfolgen kann. Zudem können die zum Teil für den Betrieb des Injektors vorliegenden elektrischen Leiter bzw. Signalleiter auch zur Auswertung des Drucks im Injektor verwendet werden. Folglich ist auch eine technisch einfache Lösung angegeben. Zudem ist zu berücksichtigen, dass gerade auch zur Überwachung der gesamten Fördereinheit eine Messung einer Zustandsgröße, wie beispielsweise des Drucks, nahe der Auslassöffnung hin zum Abgassystem vorteilhaft ist, so dass besonders genaue Messwerte erreicht werden können.
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Unter einer „Flüssigkeit” wird insbesondere eine Substanz verstanden, die zumindest bei Raumtemperatur einen flüssigen Aggregatszustand hat. Ganz besonders bevorzugt ist die Flüssigkeit ein Reduktionsmittel zur Behandlung von Stickoxiden, wie sie im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen auftreten. Unter einem flüssigen Reduktionsmittel wird beispielsweise neben Ammoniak auch ein Ammoniakvorläufer verstanden, wie beispielsweise Harnstoff. Das flüssige Reduktionsmittel kann zusätzlich wenigstens eine gefrierpunktserniedrigende Substanz aufweisen, ebenso wie kleine, die Förderung nicht behindernde, Partikel. Insofern ist mit „Flüssigkeit” ein Oberbegriff insbesondere für genau diese Reduktionsmittelarten angegeben.
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Weiterhin wird auch vorgeschlagen, dass der wenigstens eine integrierte Drucksensor in einem Gehäuse des Injektors angeordnet ist.
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Ganz besonders bevorzugt ist demnach, dass der Drucksensor von dem Gehäuse des Injektors eingeschlossen bzw. geschützt ist. Auf diese Weise ist es auch möglich, den Drucksensor gegen die Umgebungsbedingungen nahe des Abgassystems zu schützen, beispielsweise durch entsprechende Dichtungen, Isolierungen etc.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zudem eine Anordnung vorgeschlagen, die zumindest einen Tank mit einem Tankboden und eine Fördereinheit für eine Flüssigkeit umfasst, wobei die Fördereinheit in einer Kammer am Tankboden angeordnet und mit einem Injektor für eine Flüssigkeit verbunden ist, der an einer Abgasleitung positionierbar ist, wobei zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet ist.
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Der Tank kann grundsätzlich mit Metall und/oder mit Kunststoff ausgeführt sein. Regelmäßig weist der Tank eine komplexe Geometrie auf, weil er sich den Gegebenheiten bzw. den räumlichen Bedingungen im Kraftfahrzeug anpasst. Der Tank kann einstückig hergestellt sein, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Regelmäßig können dem Tank ein Tankboden, eine bzw. mehrere Tankseiten und eine Tankdecke zugeordnet werden, die zusammen den Tankinnenraum bzw. das Tankvolumen definieren. Selbstverständlich ist auch möglich, dass der Tank in mehrere Teil-Volumina unterteilt ist, so dass in den unterschiedlichen Teil-Volumina (verschiedene) Mengen an Flüssigkeit bevorratet werden.
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Die Anordnung hat zudem zumindest eine Fördereinheit, wobei regelmäßig genau eine (einzelne) Fördereinheit vorgesehen sein wird. Die Fördereinheit umfasst dabei Komponenten, mit denen die Flüssigkeit aus dem Tank herausgefördert werden kann (passive Komponenten wie z. B. flüssigkeitsführende Leitungen und aktive Komponenten wie z. B. Apparate zur Behandlung, Umwandlung, Erwärmung, etc. der Flüssigkeit). Diesbezüglich umfasst die Fördereinheit bevorzugt zumindest eine Pumpe und entsprechende Förderleitungen für die Flüssigkeit. Gegebenenfalls ist möglich, dass die Fördereinheit noch weitere Komponenten aufweist, wie beispielsweise mindestens einen Filter, mindestens einen Sensor und/oder mindestens ein Ventil. Auch können in der Fördereinheit elektronische bzw. elektrische Komponenten integriert sein, wie beispielsweise Schaltungen, Speicher, Rechner oder dergleichen.
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Die Fördereinheit der erfindungsgemäßen Anordnung ist dabei in einer Kammer am Tankboden angeordnet. Die Kammer stellt insbesondere eine nach innen gerichtete Einwölbung, Einbuchtung, Rücksprung oder dergleichen vom benachbarten Tankboden dar. Damit bildet die Kammer, ausgehend vom Tankboden, eine Kammerhöhe aus. Die Kammer ist frei von der Flüssigkeit, die im Tank bevorratet wird, und nimmt zumindest teilweise die Fördereinheit auf. Die Kammer kann ein integrales oder separates Anschluss-Teil des Tankbodens sein. Bevorzugt ist weiter, dass die Kammer, vorzugsweise auf Höhe des benachbarten Tankbodens, verschlossen ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Kammer außermittig bezogen auf den Tank, also nahe einer Tankseite, angeordnet ist.
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Weiter ist hier bevorzugt, dass die Kammer zumindest eine Heizung aufweist. Ganz besonders bevorzugt ist dabei, dass die Heizung mit elektrischer Energie betrieben wird. Die Heizung kann grundsätzlich separat ausgeführt sein, Teil der Fördereinheit sein und/oder in bzw. auf einer Kammerwand angeordnet sein.
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Die hier vorgeschlagene Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen. Die in den Tank hineinragende Kammer erlaubt eine platzsparende Anordnung der Fördereinheit. Die Bodennähe der Fördereinheit erlaubt auch eine vollständige Leerung des Tanks bezüglich der Flüssigkeit unabhängig von der Bauform des Tanks, beispielsweise im Vergleich zu Tanks, bei denen die Flüssigkeit über eine an der Tankdecke angeordnete Fördereinheit entnommen wird. Außerdem erlaubt die in den Tank hineinragende Kammer mit ihrer Heizung, dass die Wärme beim Auftauen tiefer bzw. weiter in das Innere in das Eis hineingebracht wird. Auch wird so lokal die beheizte Oberfläche vergrößert. Die bevorzugte Kontur der Kammer mit relativ steilen (praktisch fast senkrecht zum Tankboden verlaufenden) Kammerseitenwänden führt auch dazu, dass eine gerichtete Strömung von aufgetautem Reduktionsmittel hin zu einem vorgegebenen Bereich des Tankbodens erfolgt, so dass hier schnell eine große Menge der Flüssigkeit aufgetaut und zu einer Entnahmestelle transportiert werden kann.
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Auch wenn hier eine bevorzugte Ausprägung der Anordnung beschrieben wurde, kann der erfindungsgemäße Injektor mit integriertem Sensor auch mit anderen Anordnungen zusammenwirken. Hierbei können ggf. auch andere bzw. mehrere Zustandsgrößen (Druck, Temperatur, Leitwert, etc.) gleichzeitig bestimmende Sensoren integriert sein.
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Bevorzugt ist die Anordnung nach Art einer Reduktionsmittel-Bereitstellungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, wobei die Abgase in einem Abgassystem geführt werden und Reduktionsmittel in das Abgassystem (geregelt) abgeben wird. Die Reduktionsmittel-Bereitstellungsvorrichtung ist dabei in das Kraftfahrzeug integriert, indem der Tank an dem Kraftfahrzeug befestigt ist. Die Reduktionsmittel-Bereitstellungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, insbesondere unter Einsatz einer entsprechenden Steuerung, bedarfsgerecht Reduktionsmittel hin zum Abgassystem hinzuzuführen.
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Gerade bei einer solchen Anordnung wird versucht, die Fördereinheit sehr klein zu bauen, so dass eine geringere Anzahl von Komponenten in der Kammer gleichzeitig das Tankvolumen vergrößert. Außerdem ist gerade bei der Anwendung im Bereich der Personenkraftfahrzeuge zu berücksichtigen, dass die Injektionsleitung relativ lang sein kann, beispielsweise länger als 3 m oder sogar länger als 4 m. Um nunmehr konkrete Aussagen mit hoher Genauigkeit über die Injektionsleitung und den tatsächlich am Injektor anliegenden Druck bereitstellen zu können, wird hier eine erfindungsgemäße Ausbildung des Injektors als besonders vorteilhaft angesehen.
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Darüber hinaus wird insbesondere die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder der erfindungsgemäßen Anordnung zur Zugabe von flüssigem Reduktionsmittel hin zu einer Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figur schematisch eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante zeigt, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
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1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 22 zur Bevorratung einer Flüssigkeit 2, insbesondere zur Bevorratung von flüssigem Reduktionsmittel wie eine wässrige Harnstofflösung. Der Tank 1 bildet einen Innenraum durch seine Begrenzungswände, die hier mit einer oberen Tankdecke 7, einem unten angeordneten Tankboden 5 und dazwischen liegenden Tankseiten 6 gebildet sind. Der hier dargestellte Tank 1 weist zudem in der Tankdecke 7 eine Füllöffnung 3 auf, über die der Tank 1 bedarfsgerecht mit Flüssigkeit 2 befüllt werden kann. Üblich ist auch, dass ein solcher Tank 1 einen oder mehrere Füllstandsmesser 4 aufweist, mit der der aktuelle Füllstand der Flüssigkeit 2 im Tank 1 bestimmt werden kann.
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Außermittig am Tankboden 5 ist nun eine Kammer 9 ausgebildet, in der eine Fördereinheit 8 angeordnet ist. In der Kammer 9 befindet sich keine Flüssigkeit 2, sondern dort sind die Komponenten zur Förderung der Flüssigkeit 2 aus dem Tank 1 hin zu einem Injektor 17 angeordnet. Die Fördereinheit 8 entnimmt dabei Flüssigkeit 2 über einen Ablauf 10, der ebenfalls in der Nähe des Tankbodens 5 angeordnet ist, aus dem Inneren des Tanks 1. Die Fördereinheit 8 umfasst (in der hier angegebenen Reihenfolge der Durchströmung, ausgehend von dem Ablauf 10) zunächst einen Filter 13, dann eine Pumpe 14 und ein Ventil 16, mit denen die Flüssigkeit hin zum Injektor 17 geleitet wird. In dem Leitungsabschnitt zwischen der Pumpe 14 und dem Ventil 16 kann ein Temperatursensor 25 (oder gegebenenfalls ein anderer Sensor) vorgesehen sein. Der Injektor 17 weist zudem ein Gehäuse 26 auf, in dem ein Drucksensor 15 integriert ist.
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Das Ventil 16 ermöglicht alternativ zur Weiterleitung der Flüssigkeit 2 bin zu einem Injektor 17 auch die Förderung hin zu einem Rücklauf 11, über den die Flüssigkeit 2 wieder dem Tank 1 zugeführt wird und folglich aus der Kammer 9 in den Tank wieder austritt.
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Für den Betrieb der Pumpe 14, des Ventils 16, des Injektors 17 und/oder weiterer Komponenten kann eine Steuerung 18 vorgesehen sein, die mit Signalleitern 23 mit den Komponenten verbunden ist. Zusätzlich kann die Steuerung 18 mit verschiedenen Sensoren (z. B. auch dem integrierten Drucksensor 15) und/oder übergeordneten Steuerungen (wie beispielsweise einer Motorsteuerung) verbunden sein, um bedarfsgerecht die Förderung bzw. Heizung anzustoßen. Die Steuerung 18 kann ebenfalls in die Kammer 9 integriert sein. Die mit der Fördereinheit 8 geförderte Flüssigkeit 2 wird über den Injektor 17 einer Abgasleitung 19 zugeführt, durch die Abgas mit einer vorgegebenen Strömungsrichtung 20 strömt. Dabei kann eine Verdampfung (z. B. eine Thermophorese) bzw. Umsetzung (z. B. eine Hydrolyse) der Flüssigkeit 2 hin zu einem Reduktionsmittel für Stickoxide erfolgen, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von katalytisch aktiven Substanzen. Dieses Gemisch aus Reduktionsmittel und Abgas kann dann einer Abgasbehandlungseinheit 21, insbesondere einem Katalysator, zugeführt werden, so dass die Stickoxide in der Abgasleitung 19 reduziert werden. Die Zugabe der Flüssigkeit 2 erfolgt dabei bevorzugt unter Berücksichtigung der in der Abgasleitung 19 benötigten Menge an Flüssigkeit 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tank
- 2
- Flüssigkeit
- 3
- Füllöffnung
- 4
- Füllstandsmesser
- 5
- Tankboden
- 6
- Tankseite
- 7
- Tankdecke
- 8
- Fördereinheit
- 9
- Kammer
- 10
- Ablauf
- 11
- Rücklauf
- 12
- Injektionsleitung
- 13
- Filter
- 14
- Pumpe
- 15
- Drucksensor
- 16
- Ventil
- 17
- Injektor
- 18
- Steuerung
- 19
- Angasleitung
- 20
- Strömungsrichtung
- 21
- Abgasbehandlungseinheit
- 22
- Kraftfahrzeug
- 23
- Signalleiter
- 24
- Heizung
- 25
- Temperatursensor
- 26
- Gehäuse
