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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Hamstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Demnach umfasst eine solche Vorrichtung eine Pumpe und ein Dosierventil sowie wenigstens eine zwischen der Pumpe und dem Dosierventil angeordnete, das Reduktionsmittel führende Leitung.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden zur Abgasnachbehandlung in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Stickoxid-Emissionen zu reduzieren. Hierzu werden in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges Reduktionsmittel eindosiert, insbesondere Harnstoff oder wässrige Harnstofflösungen, welche die Bildung von Ammoniak bewirken, der in einem nachgeschalteten Katalysator mit den Stickoxiden zu harmlosen Stickstoff und Wasser reagiert. Derartige Einrichtungen sind auch unter der Bezeichnung SCR(=Selective Catalytic Reduction)-Katalysator bekannt.
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Die vorwiegend als Reduktionsmittel eingesetzte wässrige Hamstofflösung weist jedoch die Eigenschaft auf, bei Temperaturen unter -11°C zu gefrieren und sich dabei auszudehnen. Um Schäden durch Eisdruck insbesondere bei Stillstand des Fahrzeugs zu verhindern, werden daher die Reduktionsmittel führenden Leitungen der Dosiervorrichtung mit dessen Abschaltung entleert. Die Entleerung der Vorrichtung kann beispielsweise durch Umschalten der Förderrichtung einer das Reduktionsmittel fördernden Pumpe und/oder durch Betätigung entsprechender Ventile erfolgen. Derartige Systeme setzen jedoch eine elektrische Spannung voraus, um die Förderpumpe und/oder die Ventile zu betätigen. Da die Entleerung in der Regel nach Abschalten des Fahrzeugmotors erfolgt, gilt es daher bis zur Entleerung der Leitungen eine elektrische Spannung aufrecht zu erhalten. Bei modernen Kraftfahrzeugen mit Not-Aus-Schaltungen wird jedoch das gesamte System stromlos gestellt, so dass eine Entleerung auf die vorstehend genannte Art nicht stattfinden kann. Dies gilt in entsprechender Weise bei Gefahrguttransporten mit einem Batterietrennschalter, welcher bei Betätigung den Verbrennungsmotor ausschaltet (ADR-Funktion). Bei derartigen Fahrzeugen muss demnach die Entleerung der reduktionsmittelführenden Leitungen in anderer Weise vorgenommen werden.
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Aus der
DE 10 2008 000 594 A1 geht eine Vorrichtung zum Entleeren einer Reduktionsmittelvorrichtung einer Brennkraftmaschine hervor, welche keine elektrische Energie benötigt, sondern mechanische, wie sie in einem mechanischen Energiespeicher, beispielsweise einer Feder gespeichert werden kann. Der mechanische Energiespeicher beaufschlagt hierbei eine mechanische Saug- und/oder Druckvorrichtung, die ein Saug- und/oder Druckorgan aufweist und das Reduktionsmittel in einen Tank befördert.
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Aus der
DE 10 2008 044 708 A1 ist ferner ein SCR-System bekannt, das ein Kompensationselement mit einem Volumen umfasst, das im Betrieb des Systems von einem gefrierfähigen Reduktionsmittel durchströmt wird. Zur Vermeidung von Schäden durch Eisdruck ist das Kompensationselement in der Lage, sein Volumen zu vergrößern. Das Kompensationselement kann hierzu in Form eines Faltenbalgs gestaltet sein oder eine Teilfläche aufweisen, die gegen den Reduktionsmitteldruck vorgespannt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dosiervorrichtung für ein Reduktionsmittel anzugeben, welche bei Stillstand des Fahrzeuges bzw. nach Abschalten des Verbrennungsmotors nicht mehr entleert werden muss. Des Weiteren soll die angegebene Vorrichtung derart ausgelegt sein, dass insbesondere die empfindlichen Komponenten wie Pumpe und Dosierventil im Falle des Gefrierens des Reduktionsmittels nicht beschädigt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß besitzt die wenigstens eine zwischen der Pumpe und dem Dosierventil angeordnete, das Reduktionsmittel führende Leitung im Anschlussbereich an die Pumpe und/oder an das Dosierventil eine Verengung ihres Durchströmungsquerschnitts oder ein Anschlussstück mit einem gegenüber dem Durchströmungsquerschnitt der Leitung verengtem Durchströmungsquerschnitt. Die Vorteile eines derart ausgebildeten Anschlussbereiches kommen insbesondere bei Leitungen zum Tragen, die aus hydraulischen Gründen relativ steif ausgelegt sind. Denn aufgrund der steifen Auslegung und der in der Regel geometrisch einfachen Querschnittsform der Leitung führt das in der Leitung gefrierende Reduktionsmittel zu einem erhöhten Eisdruck, der wiederum zur Folge hat, dass ein Teil des Reduktionsmittels in eine an die Leitung angrenzende bzw. angeschlossene Komponente gedrückt wird. Handelt es sich bei der Komponente um ein besonders empfindliches Bauteil, wie beispielsweise die Pumpe und/oder das Dosierventil, welche relativ weich ausgelegt sind, kann zusätzliches Reduktionsmittel, das aus der Leitung in die Komponente gedrückt wird, zu einer Beschädigung derselben führen. Denn in der Regel ist das Bauteil nicht in der Lage, dem erhöhten Druck Stand zu halten.
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Die Erfindung sieht daher vor, im Anschlussbereich der Leitung an die Pumpe und/oder an das Dosierventil den Durchströmungsquerschnitt der Leitung oder den Durchströmungsquerschnitt eines Anschlussstückes, das die Leitung mit der Pumpe oder dem Dosierventil verbindet, derart zu verengen, dass eine Ausdehnung des gefrierenden Reduktionsmittels über den Anschlussbereich hinaus deutlich erschwert wird. Die über den Anschlussbereich angeschlossene Komponente muss demnach kein oder kaum zusätzliches Reduktionsmittel aus der Leitung aufnehmen, so dass der Druck innerhalb der Komponente selbst nicht oder nur geringfügig erhöht wird. Denn während des Gefriervorgangs bauen sich die in dem Reduktionsmittel enthaltenen Wassermoleküle zu einem hexagonalen Kristallgitter auf, wobei die Moleküle ihre Beweglichkeit verlieren, da sie in das Kristallgitter fest eingebunden werden. Der Verlust der Fließfähigkeit hat zur Folge, dass das den Aggregatzustand wechselnde Reduktionsmittel nicht mehr in der Lage ist, den Engpass zu passieren. Des Weiteren trägt die Verengung des Durchströmungsquerschnitts dazu bei, dass das hierin befindliche Reduktionsmittel schneller gefriert. In kurzer Zeit bildet sich somit im Bereich der Verengung ein Eispropfen, der ebenfalls ein Abströmen des Reduktionsmittels aus der Leitung verhindert.
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Darüber hinaus bewirkt die Verengung des Durchströmungsquerschnitts eine hydraulische Dämpfung. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei Systemen zum Tragen, die nicht regelmäßig entleert und mit Luft befüllt werden. Denn bei Systemen, welche regelmäßig entleert und mit Luft gefüllt werden, bilden sich beim Wiederbefüllen kleine Lufttaschen aus, welche im Betrieb der Vorrichtung dämpfend wirken. D.h., dass Druckschwingungen, welche durch die Pumpe und/oder das zyklische Schalten des Dosierventils entstehen, gering gehalten werden. Systeme jedoch, die nicht regelmäßig entleert und mit Luft befüllt werden, weisen nicht die Bildung derartiger dämpfender Lufttaschen auf. Durch eine erfindungsgemäße Ausbildung des Anschlussbereichs einer Leitung an die Pumpe oder an das Dosierventil kann die Querschnittsverengung jedoch die hydraulische Dämpfung der Druckschwingungen bewirken, so dass der Mangel an dämpfenden Lufttaschen durch die Querschnittsverengung kompensiert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verengung des Durchströmungsquerschnitts sprunghaft. Beispielsweise kann innerhalb des den Durchströmungsquerschnitt definierenden Innendurchmessers der Leitung oder des Anschlussstücks wenigstens eine Stufe ausgebildet sein. Weiterhin vorzugsweise ist die Stufe als radialer Absatz innerhalb der Leitung oder im Übergang der Leitung zum Anschlussstück ausgebildet. Die Stufe weist demnach bevorzugt eine radial verlaufende Schulterfläche auf, an welcher sich die Kristallgitterstruktur des gefrierenden Reduktionsmittels abstützen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließt sich an die Verengung des Durchströmungsquerschnitts von der Leitung kommend ein Druckausgleichsraum mit erweitertem Innendurchmesser an. D.h., dass auf die Verengung des Durchströmungsquerschnitts eine Erweiterung desselben erfolgt. Entsprechend der Verengung kann auch die Erweiterung des Durchströmungsquerschnitts bzw. der Druckausgleichsraum in der Leitung oder dem Anschlussstück ausgebildet sein. Durch die Querschnittserweiterung wird eine weitere bevorzugt radial verlaufende Schulterfläche ausgebildet, welche die Ausbreitung von Druckschwingungen, die durch die Pumpe oder das Dosierventil verursacht werden, zu unterbinden vermag. Dies liegt darin begründet, dass der auf die radiale Schulterfläche auftreffende Teil der Druckwelle an der Schulterfläche reflektiert und damit an der Weiterleitung gehindert wird.
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Eine die Erfindung weiterbildende Maßnahme sieht vor, dass die Leitung im Anschlussbereich an die Pumpe und/oder an das Dosierventil eine Vergrößerung ihrer Außenumfangsfläche oder ein Anschlussstück mit einer vergrößerten Außenumfangsfläche aufweist. Zur Vergrößerung der Außenumfangsfläche kann die Leitung oder das Anschlussstück Ausstülpungen und/oder Einschnürungen aufweisen. Beide Maßnahmen bewirken, dass bei niedrigen Außentemperaturen ein erhöhter Wärmeaustausch über die vergrößerte Außenumfangsfläche stattfindet, so dass im Anschlussbereich der Leitung bzw. im Anschlussstück befindliches Reduktionsmittel schneller gefriert. Auf diese Weise kann die Bildung eines den Durchströmungsquerschnitt verschließenden Einspropfens beschleunigt werden.
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Weiterhin bevorzugt weist die Leitung oder das Anschlussstück zur Vergrößerung der Außenumfangsfläche wenigstens eine Rippe und/oder Nut auf. Die Rippe und/oder die Nut sind vorzugweise umlaufend, d.h. ringförmig ausgebildet und im Anschlussbereich der Leitung an die Pumpe oder das Dosierventil angeordnet.
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Um ein schnelles Gefrieren des Reduktionsmittels im Bereich der Querschnittsverengung zu bewirken, ist die vergrößerte Außenumfangsfläche durch Ausbildung von Rippen und/oder Nuten vorzugsweise auf Höhe der Querschnittsverengung ausgebildet. Die Rippen dienen gleichsam als Kühlrippen, wobei die Ausbildung umlaufender Nuten im Wesentlichen den gleichen Effekt besitzt.
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Als unterstützende Maßnahme kann weiterhin vorgesehen sein, dass in eine reduktionsmittelführende Kammer der Pumpe und/oder des Dosierventils ein elastisch verformbarer Körper eingesetzt ist, der einen Druckausgleich innerhalb der Kammer durch Volumenvergrößerung ermöglicht. Dadurch ist sichergestellt, dass in der Pumpe oder dem Dosierventil befindliches Reduktionsmittel beim Gefrieren nicht zu einer Beschädigung der jeweiligen Komponente führt. Denn die elastischen Einlagen geben zumindest in geringem Umfang einem steigenden Druck nach, so dass sich das Reduktionsmittel ausdehnen kann. Dadurch wird der Eisdruck gering gehalten und eine Beschädigung der Komponente wirksam verhindert.
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Sofern ein Anschlussstück im Anschlussbereich der Leitung mit der Pumpe oder dem Dosierventil vorgesehen ist, kann dieses einstückig mit der Leitung verbunden oder als separates Teil ausgebildet sein, das in den Anschlussbereich ggf. auch nachträglich einsetzbar ist. Somit besteht über die Ausbildung des Anschlussstücks als separates Teil, beispielsweise als Adapter, die Möglichkeit bestehende Dosiervorrichtungen nachzurüsten. Somit sind auch die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei bereits bestehenden Systemen realisierbar.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Anschlussstück in eine an die Leitung anzuschließende Komponente intergiert wird. So kann beispielsweise die Pumpe oder das Dosierventil eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Anschlussstücks aufweisen. Die Ausbildung von außenumfangsseitig angeordneten Rippen und/oder Nuten zur Vergößrerung der Außenumfangsflächen zwecks Beschleunigung des Wärmeabflusses ist dann entbehrlich.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass neben der Pumpe und/oder dem Dosierventil auch weitere Komponenten der Dosiervorrichtung über eine erfindungsgemäße Anschlussausbildung an eine Reduktionsmittelführende Leitung angeschlossen werden können. Die Erfindung ist demnach nicht auf den Anschlussbereich einer Leitung an eine Pumpe oder an einem Dosierventil beschränkt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges,
- 2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
- 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, und
- 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Wie der schematischen Darstellung der 1 zu entnehmen ist, dient die Leitung 3 der Verbindung einer Pumpe 1 mit einem Dosierventil 2, das der Einspritzung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung 12 dient. Die Aufgabe der Pumpe 1 ist es, das Reduktionsmittel aus einem Vorratstank 11 dem Dosierventil 2 zuzuführen. Da eine Entleerung der Vorrichtung zur Verhinderung von Schäden durch Eisdruck entbehrlich ist, kann die Pumpe 1 derart ausgelegt sein, dass eine Umkehr der Förderrichtung nicht bewirkbar ist. Beispielsweise kann die Pumpe 1 eine Membranpumpe sein. Im Anschlussbereich der Leitung 3 mit der Pumpe 1 sowie mit dem Dosierventil 2 ist an die Leitung 3 jeweils ein Anschlussstück 5 angesetzt, dass im Vergleich zum Durchströmungsquerschnitt der Leitung 3 zumindest über einen Teilbereich einen verringerten Durchströmungsquerschnitt besitzt. Die erfindungsgemäße Verengung des Durchströmungsquerschnitts 4 wird demnach im Übergang von der Leitung 3 zum jeweiligen Anschlusstück 5 ausgebildet. Alternativ zur Ausführungsform der 1 kann die Verengung 4 jedoch auch in der Leitung 3 selbst ausgebildet werden, so dass die Anschlussstücke 5 entbehrlich sind. In den nachfolgend im Detail darsgestellten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Anschlussstück 5 jeweils integraler Bestandteil der Leitung 3, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Im Hinblick auf die Darstellung der 1 bleibt zu ergänzen, dass die Vorrichtung neben der Pumpe 1 und dem Dosierventil 2 weitere Komponenten umfassen kann, welche über die Leitung 3 oder eine weitere Leitung 3 in Verbindung mit den übrigen Komponenten stehen. Deratige Komponenten können beispielsweise Filtereinrichtungen, Ventile, Sensoren oder dergleichen sein (nicht dargestellt). Die Anschlüsse dieser Komponenten an die Leitung 3 oder eine weitere Leitung 3 sind dann vorzgusweise ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen Verengung des Durchströmungsquerschnitts 4 ausgebildet.
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Die Darstellung der 2 zeigt zwei Anschlussbereiche einer Leitung 3, wobei die linke Seite den Anschluss der Leitung 3 an einer Pumpe 1 und die rechte Seite den Anschluss der Leitung 3 an ein Dosierventil 2 zeigt. Die Pumpe 1 und das Dosierventil 2 sind lediglich schematisch als Rechteck dargestellt. Die Leitung 3 ist mit einem Reduktionsmittel, vorzugsweise einer wässrigen Hamstofflösung, befüllt, das bei Temperaturen unter -11 °C gefriert und sich dabei ausdehnt. Dieser Effekt, auch als Eisdruck bezeichnet, bewirkt einen Druckanstieg innerhalb der Leitung 3, so dass ein erhöhter Druck an der Innenwandung der Leitung 3 anliegt, siehe radial verlaufende Pfeile. Im Anschlussbereich an die Pumpe 1 bzw. an das Dosierventil 2 weist die Leitung 3 eine Verengung 4 ihres Durchströmungsquerschnitts in Form einer Stufe 6 auf, an welcher eine radiale verlaufende Schulterfläche 7 ausgebildet ist. Die radial verlaufende Schulterfläche 7 verhindert eine Ausdehnung des gefrierenden Reduktionsmittels in axialer Richtung, so dass durch die Schulterfläche 7 bzw. die Stufe 6 eine Übertragung des Eisdrucks aus der Leitung 3 in die Pumpe 1 bzw. in das Dosierventil 2 verhindert oder zumindest verringert wird. Die hierbei auf die radial verlaufende Schulterfläche 7 wirkende Druckkraft des Eisdrucks wird durch die schwarzen in axialer Richtung verlaufenden Pfeile dargestellt. Die Verengung 4 ist im Ausführungsbeispiel der 2 nicht exakt am Ende der Leitung 3 ausgebildet, sondern axial beabstandet zur Pumpe 1 bzw. zum Dosierventil 2. Somit wird im Anschluss an die Verengung 4 ein Druckausgleichsraum 8 ausgebildet, dessen Durchströmungsquerschnitt im Wesentlichen dem der Leitung 3 entspricht. Auf die Verengung 4 des Durchströmungsquerschnitts folgt demnach wieder eine Erweiterung, welche einen Druckausgleich ermöglicht. Zudem vermag die Stufe 6, welche den Druckausgleichsraum 8 in axialer Richtung begrenzt, die Ausbreitung von Druckwellen zu verhindem, welche von der Pumpe 1 oder dem Dosierventil 2 verursacht werden. Der Druckausgleichsraum 8 hat somit eine dämpfende Wirkung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Anschluss der Leitung 3 an das Dosierventil 2 analog dem Anschluss an die Pumpe 1 ausgebildet. Auf die Angabe von Bezugszeichen wurde daher verzichtet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Anschlüsse jeweils gleichartig ausgebildet sein müssen. Demzufolge sind auch Kombinationen verschiedener Anschlüsse, wie sie nachfolgend beispielhaft in den 3 und 4 dargestellt sind, in einer Dosiervorrichtung realsierbar. Der Einfachheit halber wurden die Anschlüsse einer Figur jeweils als gleichartige Anschlüsse dargestellt. Des Weiteren ist es nicht zwingend erforderlich, die Leitung 3 direkt mit der Pumpe 1 oder dem Dosierventil 2 zu verbinden und/oder das Anschlussstück 5 integral mit der Leitung 3 auszubilden. Die Verengung 4 des Durchströmungsquerschnitts der Leitung 3 kann somit auch Bestandteil eines als Adapter ausgebildeten separaten Bauteils sein, das im Anschlussbereich zwischen der Leitung 3 und der Pumpe 1 bzw. dem Dosierventil 2 einsetzbar ist. Auf eine gesonderte Darstellung dieser Ausführungsform wurde vorliegend verzichtet.
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Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von der der 2 dadurch, dass im Anschlussbereich auf Höhe der Verengung 4 des Durchströmungsquerschnitts zwei ringförmige Rippen 9 ausgebildet sind, welche die Außenumfangsfläche der Leitung 3 vergrößem. Die Rippen 9 besitzen somit die Wirkung von Kühlrippen und beschleunigen das Gefrieren des Reduktionsmittels im Bereich der Verengung 4 bei tiefen Außentemperaturen. Somit bildet sich in kurzer Zeit ein Eispropfen innerhalb der Verengung 4, welcher ein Abströmen des Reduktionsmittels zur Pumpe 1 oder zum Dosierventil 2 verhindert. Die Anzahl von zwei Rippen 9 ist beispielhaft gewählt, d.h. es können auch mehr oder weniger Rippen 9 außenumfangsseitig an der Leitung 3 ausgebildet sein. Ist die Verengung 4 Bestandteil eines Anschlussstücks 5, sind vorzugsweise auch die Rippen 9 am Anschlussstück 5 ausgebildet.
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Einen vergleichbaren Effekt erhält man, wenn man entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 4 die Leitung 3 mit einer umlaufenden Nut 10 versieht, da auch diese zu einer Vergrößerung der Außenumfangsfläche der Leitung 3 führt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass die Leitung 3 in radialer Richtung weniger aufbaut. Auch die Nut 10 kann alternativ an einem Anschlussstück 5 angeordnet sein, sofern das Anschlussstück 5 der Ausbildung der Verengung 4 dient.
