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Technisches Gebiet
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Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Abgasnachbehandlung und betrifft im Besonderen ein Dosiersystem zum Eindosieren eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges. Als Reduktionsmittel findet insbesondere eine wässrige Harnstofflösung Einsatz, welche im Abgasstrang die Bildung von Amoniak bewirkt, der mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in einem nachgeschalteten Katalysator zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert. Dieser Vorgang ist auch unter der Bezeichnung selektive katalytische Reduktion bekannt. Der Stickoxidausstoss eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines solchen mit einem Dieselmotor, kann bei einer entsprechenden Nachbehandlung der Abgase deutlich abgesenkt werden.
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Ein Nachteil der wässrigen Harnstofflösung besteht jedoch darin, dass sie bei Temperaturen von weniger als –11°C gefriert und sich dabei ausdehnt. Um mit wässriger Harnstofflösung gefüllte Leitungen und Komponenten eines Dosiersystems vor Eisdruck zu schützen, werden die Systeme bei Stillstand des Kraftfahrzeuges in der Regel zumindest teilweise entleert. Anstelle des Reduktionsmittels werden die Leitungen und/oder die Komponenten zumindest teilweise mit Luft befüllt. Dank der Kompressibilität des Luftvolumens kann der Eisdruck, der durch die gefrierende und sich ausdehnende wässrige Harnstofflösung bewirkt wird, in der Regel ausgeglichen werden. Hierzu gilt es jedoch ein ausreichendes Luftvolumen in den Leitungen und/oder Komponenten sicherzustellen.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 057 446 A1 geht eine Fluidfördereinrichtung für gefrierende Flüssigkeiten, wie beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, hervor, welche durch Umkehr der Förderrichtung entleerbar ist. Die Fördereinrichtung, vorzugsweise eine Pumpe, weist hierzu ein Richtungsumkehrventil auf, das als Ventileinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Rückschlagventil sowie einem pneumatisch oder elektrisch ansteuerbaren Steller ausgebildet ist. Die Ventileinrichtung soll ein Entleeren der Fördereinrichtung sowie einer Fluidleitung, an welche die Fördereinrichtung angeschlossen ist, gewährleisten, um Eisdruckschäden durch gefrierende Harnstoff-Wasser-Lösung zu verhindern.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 010 106 A1 geht ein Dosiersystem zur Nachbehandlung von Abgasen hervor, das ein Förderaggregat zur Förderung des Reduktionsmittels aus einem Tank über eine Leitung zu einem federbelasteten Einspritzventil umfasst, wobei das Einspritzventil in Abhängigkeit vom Druck des Reduktionsmittels selbsttätig öffnet. Das beschriebene Dosiersystem weist ferner eine das Förderaggregat umgehende Querverbindung des Einspritzventils mit dem Tank auf, in welcher ein im stromlosen Zustand offenes Schaltventil und/oder wenigstens ein Rückschlagventil aufgenommen ist. Über die Querverbindung kann demnach im Abstellfall eine Druckabsenkung bewirkt werden, indem ein Teil des Reduktionsmittels in den Tank abgelassen wird. Gleichzeitig wird über die in der Querverbindung ausgebildete Ventilanordnung sichergestellt, dass Reduktionsmittel angesugt werden kann, um ein Austrocknen des Systems zu verhindern. Das System ist somit stets mit Flüssigkeit befüllt, so dass sich keine Harnstoffkristalle durch Austrocknen der Harnstoff-Wasser-Lösung bilden können. Vorzugsweise umfasst die in der Querverbindung ausgebildete Ventilanordnung ein Rückschlagventil, das nahezu kraftfrei ausgebildet, um ein Nachsaugen von Reduktionsmittel aus dem Tank zuzulassen. Insbesondere soll dadurch sichergestellt werden, dass die innenliegenden Komponenten des Einspritzventilgliedes stromauf des Ventilsitzes stets mit Medium benetzt sind. Der Druck ist dabei gering zu halten, dass heißt unterhalb des Öffnungsdrucks des vorliegend nach außen öffnenden Einspritzventilgliedes, um das Redukttionsmittel im System zu halten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dosiersystem zum Eindosieren eines Reduktionsmittels anzugeben, dessen Einspritzventil bei zumindest teilentleertem System ausreichend vor Eisdruck geschützt ist. Das Dosiersystem soll zudem einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Dosiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Dosiersystem umfasst neben dem Einspritzventil ferner ein erstes und ein zweites Rückschlagventil, welche stromaufwärts des Einspritzventils innerhalb des Dosiersystems angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind das erste und das zweite Rückschlagventil parallel geschaltet und in entgegengesetzter Richtung wirksam. Auf diese Weise kann bei gleichzeitiger Förder- und Rücksaugmöglichkeit ein Sperrdruck realisiert werden, der bei einem zumindest teilweise entleertem System ein Luftvolumen im Einspritzventil gewährleistet, das dessen Eisdruckbeständigkeit bewirkt. Denn aufgrund der Kompressibilität des Gases vermag das Luftvolumen den Eisdruck zu kompensieren, solange sichergestellt ist, dass ein ausreichendes Luftvolumen im Einspritzventil vorhanden ist. Demnach gilt es Sorge zu tragen, dass ein im Einspritzventil vorhandenes Luftvolumen nicht abwandern und/oder Reduktionsmittel in das gerade entleerte Einspritzventil, beispielsweise aufgrund von Undichtigkeiten im Bereich des Ventilsitzes, zurückströmen kann. Im Unterschied zum vorstehend genannten Stand der Technik soll demnach bei dem vorliegenden Dosiersystem ein Zurückströmen des Reduktionsmittels in das Einspritzventil und damit eine Verdrängung des hierin vorhandenen Luftvolumens verhindert werden. Zugleich soll die Ventilanordnung umfassend ein erstes und ein zweites Rückschlagventil sowohl das Fördern, als auch das Rücksaugen des Reduktionsmittels im Betrieb der Pumpe ermöglichen. In entsprechender Weise ist demnach der Öffnungsdruck der beiden Rückschlagventile zu wählen. Die Anordnung der beiden Rückschlagventile kann somit in der Leitung erfolgen, die das Einspritzventil mit dem Fördermodul, vorzugsweise der Pumpe, verbindet. Es bedarf keiner Anordnung der beiden Rückschlagventile in einer das Fördermodul umgehenden Bypass-Leitung. Leitungswege werden damit verkürzt und zu dichtende Anschlussstellen verringert.
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Dadurch vereinfacht sich die Ausbildung des Systems, so dass dieses ferner kostengünstig herstellbar ist.
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Vorzugsweise unterscheiden sich das erste und das zweite Rückschlagventil hinsichtlich ihres voreingestellten Öffnungsdrucks. Weiterhin vorzugsweise weist das in entgegensetzter Richtung zur Förderrichtung des Dosiersystems sperrend wirkende Rückschlagventil einen voreingestellten Öffnungsdruck auf, der höher liegt als der Öffnungsdruck des anderen Rückschlagventils, da es eine stromaufwärts liegende Fluidsäule von ggf. mehreren Metern zu sperren hat. Der Öffnungsdruck sollte jedoch unterhalb des System- bzw. Betriebsdrucks liegen, um die Förderung von Reduktionsmittel zu ermöglichen. Der Öffnungsdruck des in Förderrichtung sperrend wirkenden Rückschlagventils ist dagegen vorzugsweise derart niedrig gewählt, dass eine zumindest teilweise Entleerung des Einspritzventils mittels Impulsrücksaugung möglich ist. Beim Impulsrücksaugen wird der Systemdruck in dem Maße abgesenkt, dass der zuvor durch den Betriebsdruck gedehnte, als Leitung dienende Schlauch relaxiert und dabei Reduktionsmittel aus der Leitung verdrängt. Bedingt durch die Massenträgheit des Mediums entsteht vor dem Einspritzventil ein Unterdruck. Wird zu diesem Zeitpunkt das Einspritzventil elektrisch betätigt und geöffnet, wird Luft angesaugt, wobei das angesaugte Luftvolumen das Reduktionsmittel vorzgusweise vollständig aus dem Einspritzventil verdrängt. Das Öffnen des Einspritzventils und das Ansaugen von Luft kann alternativ auch allein durch den Unterdruck bewirkt werden, so dass eine elektrische Betätigung des Einspritzventils nicht erforderlich ist. Durch die unterschiedlichen Öffnungsdrücke der beiden Rückschlagventile ist demnach gewährleistet, dass sowohl ein Förderbetrieb, als auch ein Rücksaugbetrieb über die zwischengeschalteten Rückschlagventile möglich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Öffnungsdruck des ersten Rückschlagventils, das in Förderrichtung des Reduktionsmittels sperrend wirkt, zwischen 25 und 75 mbar, vorzugsweise bei 50 mbar. Bei dem ersten Rückschlagventil handelt es sich demnach um dasjenige, dessen Sperrrichtung ein Rücksaugen des Reduktionsmittels und damit eine Entleerung des Einspritzventils ermöglicht. Der Öffnungsdruck ist dementsprechend gering gewählt. Im Vergleich dazu liegt der Öffnungsdruck des zweiten Rückschlagventils, das in der zur Förderrichtungentgegengesetzten Richtung sperrend wirkt, vorzugsweise zwischen 100 und 500 mbar, weiterhin vorzgusweise zwischen 100 und 300 mbar. Bei dem zweiten Rückschlagventil handelt es sich demnach um dasjenige, dass eine Förderung des Reduktionsmittels von einem Vorratstank zum Einspritzventil ermöglicht. Der Öffnungsdruck des zweiten Rückschlagventils ist gegenüber dem des ersten Rückschlagventils deutlich höher gewählt, da das zweite Rückschlagventil ferner ein Zurückfließen des Reduktionsmittels in das zumindest teilweise entleerte Einspritzventil bei Stillstand des Systems verhindern soll. Bei der Voreinstellung des Öffnungsdrucks eines Rückschlagventils gilt es die jeweils konkret vorliegenden Anforderungen zu berücksichtigen. Beispielsweise können Temperaturschwankungen und/oder ein erhöhter Eisdruck Gegendrücke bewirken, die eine Anhebung des Öffnungsdrucks und damit eine Erhöhung des Sperrdrucks rechtfertigen.
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Durch die Rückschlagventile erfährt der Reduktionsmittelstrom eine Drosselung. Dieser Nebeneffekt ermöglicht den Ausgleich etwaiger Druckschwankungen. Auch insoweit erweisen sich die Rückschlagventile demnach als vorteilhaft. Hierzu ist der Öffnungsquerschnitt der beiden Rückschlagventile vorzugsweise jeweils in Abhängigkeit von dem zulässigen Druckverlust ausgelegt. Die konkreten Werte können beispielsweise mittels Simulation gefunden werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Dosiersystem ist die Eisdruckbeständigeit des Einspritzventils durch ein im Einspritzventil vorhandenes Luftvolumen gegeben. Dabei genügt es, dass das Einspritzventil ggf. nur teilweise entleert ist. Verbleibt eine Restmenge des Reduktionsmittels im Einspritzventil, ist sicherzustellen, dass das ebenfalls vorhandene Luftvolumen derart groß ist, dass es Ausdehnungen des gefrorenen Mediums aufgrund der Kompressibilität des Gases zu kompensieren vermag. Eine weitere Sicherheit kann dadurch gegeben werden, dass der Öffnungsdruck des in Förderrichtung sperrend wirkenden ersten Rückschlagventils derart niedrig gewählt ist, dass der Eisdruck durch Öffnen des Ventils und teilweises Ablassen des schützenden Luftvolumens kompensiert werden kann. Das weitere, zweite Rückschlagventil stellt dabei sicher, dass kein Reduktionsmittel nachströmen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Einspritzventil innerhalb des Dosiersystems geodätisch tiefer liegend angeordnet als ein Vorratstank zur Bevorratung des Reduktionsmittels und/oder ein Fördermodul zur Förderung des Reduktionsmittels. Denn die erfindungsgemäße Ausbildung des Dosiersystems mit zwei parallel geschalteten und gegensinnig wirkenden Rückschlagventilen schützt das System bei längerem Systemstillstand vor einem Leerlaufen des Vorratstanks, da das zweite Rückschlagventil ein Nachströmen des Reduktionsmittels in das zumindest teilweise entleerte Einspritzventil verhindert. Ein Leerlaufen des Tanks wird ferner dadurch verhindert, dass der Öffnungsdruck des zweiten Rückschlagventils ausreichend hoch gewählt ist. Das vorgeschlagene bidirektionale Rückschlagdrosselsystem zum Schutz eines Einspritzventils eines Dosiersystems eignet sich daher insbesondere für Dosiersysteme mit tiefliegendem Einspritzventil. Darüber hinaus eignet sich die vorliegende Erfindung für den Einsatz in Dosiersystemen, bei denen eine vollständige Entleerung durch Rücksaugen nicht gewährleistet werden kann und/oder bei denen das Einspritzventil selbst nicht ausreichend fest gegenüber Eisdruck ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Dosiersystems, und
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2 einen Detailausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Dosiersystem mit parallel angeordneten und gegensinnig wirkenden Rückschlagventilen an der Zulaufseite des Einspritzventils des Dosiersystems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der schematischen Darstellung der 1 ist ein bekanntes Dosiersystem zu entnehmen, das vorliegend einen Vorratstank 4, ein Fördermodul 5 sowie ein Einspritzventil 1 umfasst, welche über eine Leitung 7 hydraulisch verbunden sind. Im Vorratstank 4 wird das zur Nachbehandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors vorgesehene Reduktionsmittel bevorratet, wobei es sich vorzugsweise um eine wässrige Harnstofflösung handelt. Die wässrige Harnstofflösung wird über das Fördermodul 5 aus dem Vorratstank 4 zum Einspritzventil 1 gefördert, über welches dann das Reduktionsmittel in eine Abgasleitung 6 eines Kraftfahrzeuges eingespritzt bzw. eingesprüht wird, um eine gute Durchmischung des Reduktionsmittels mit den Abgasen zu bewirken. Da die als Reduktionsmittel vorgesehene wässrige Harnstofflösung bei Temperaturen unter 11°C gefriert und sich dabei ausdehnt, sind Maßnahmen zu treffen, die das Dosiersystem vor Eisdruckschäden schützen. Hierzu wird das vorliegende Dosiersystem bei Stillstand des Kraftfahrzeuges zumindest teilweise entleert, wobei die Entleerung durch Rücksaugen des Reduktionsmittels erfolgt. Zum Rücksaugen des Reduktionsmittels wir der Druck in der Leitung 7 derart abgesenkt, dass der als Leitung 7 dienende Schlauch sich entspannt und dabei das Reduktionsmittel zurückdrängt. Einen hierbei zulaufseitig am Einspritzventil 1 entstehender Unterdruck sorgt dann für die zumindest teilweise Entleerung des Einspritzventils 1, wobei dieses öffnet und Luft ansaugt. Ist ein ausreichendes, Eisdruck kompensierendes Luftvolumen im Einspritzventil 1 vorhanden, gilt es sicherzustelllen, dass dieses durch zurückströmendes Reduktionsmittels nicht wieder verdrängt wird. Grund hierfür können beispielsweise Undichtigkeiten im Bereich des Ventilsitzes sein.
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Ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes Dosiersystem, wie es ausschnittsweise in der 2 dargestellt ist, weist hierzu eine dem Einspritzventil vorgeschaltete Ventilanordnung auf, die ein erstes und ein zweites Rückschlagventil 2, 3 umfasst. Die Rückschlagventile bewirken bei gleichzeitiger Förder- und Rücksaugmöglichkeit einen Sperrdruck, welcher verhindert, dass bei zumindest teilentleertem Einspritzventil 1 Reduktionsmittel in das Ventil zurückfließt. Somit verbleibt ein gewisses Luftvolumen im Einspritzventil 1, das Eisdruck zu kompensieren vermag und somit die Eisdruckfestigkeit des Einspritzventils 1 gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Ventilanordnung (siehe 2) umfasst ein erstes in Förderrichtung 10 des Reduktionsmittels sperredn wirkendes Rückschlagventil 2, dessen Öffnungsdruck derart niedrig gewählt ist, dass eine Entleerung des Einspritzventils 1 mittels Impulsrücksaugen möglich ist. Hierbei wird der mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnete Bereich zumindest teilweise entleert. Der Öffnungsdruck des zweiten Rückschlagventils 3, das in zur Förderrichtung 10 entgegengesetzten Richtung 11 sperrend wirkt, ist dabei derart hoch gewählt, dass ein Zurückfließen des Reduktionsmittels aus einem Bereich 9 in den Bereich 8 wirksam verhindert wird.
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Das vorgeschlagene bidirektionale Rückschlagdrosselsystem ermöglicht den Betrieb eines erfindungsgemäßen Dosiersystems in drei Betriebszuständen. In einem ersten Betriebszustand wird Reduktionsmittel vom Vorratstank 4 zum Einspritzventil 1 gefördert, wobei das erste Rückschlagventil 2 geschlossen und das zweite Rückschlagventil 3 geöffnet ist. Der Betriebsdruck ist ausreichend hoch gewählt, um ein Öffnen des zweiten Rückschlagventils 3 sicherzustellen. Der Öffnungsquerschnitt des Rückschlagventils ist entsprechend dem zulässigen Druckverlust ausgelegt.
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In einem zweiten Betriebszustand erfolgt eine zumindest teilweise Entleerung des Systems. Um das im System vorhandene Reduktionsmittel in den Vorratstank 4 zurückzusaugen, wird der Systemdruck innerhalb der Leitung 7 derart abgesenkt, dass der als Leitung 7 dienende Schlauch auf normale Durchmesser relaxiert und das Reduktionsmittel in Richtung Vorratstank 4 verdrängt. Nach völliger Relaxation kommt es zu einem Abbremsen der Fluidsäule und in Folge der Massenträgheit zur Ausbildung eines Unterdruckpeaks. Nunmehr öffnet das erste Rückschlagventil 2 während das zweite Rückschlagventil 3 geschlossen ist. Während des Unterdruckpeaks wird das Einspritzventil 1 elektrisch betätigt und geöffnet, so dass hierüber Luft angesaugt wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Öffnen des Einspritzventils 1 über den Unterdruck bewirkt wird. Nach Durchschreiten des Unterdruckpeaks ist vorzugsweise der gesamte Ventilinnenraum luftgefüllt. Durch dieses Luftvolumen wird bei Unterschreiten der Gefriertemperatur des Reduktionsmittels die Eisdruckbeständigkeit des Einspritzventils 1 garantiert.
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In einem dritten Betriebszustand sind beide Rückschlagventile 2, 3 geschlossen. Dadurch wird ein Zurückströmen des Reduktionsmittels in den zuvor entleerten Bereich 8 und/oder ein Abwandern des Luftvolumens in den als Leitung 7 dienenden Schlauch verhindert. Ferner wird ein Leerlaufen des Vorratstanks 4 bei tiefer liegendem Einspritzventil 1 unterbunden.
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Die einfache Ausgestaltung der zwei Rückschlagventile 2, 3 umfassenden Ventilanordnung führt dazu, dass das erfindungsgemäße Dosiersystem einfach und kostengünstig realisierbar ist. Die hydraulische Auslegung der Ventilanordnung macht zudem eine aufwendige Steuerung entbehrlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007057446 A1 [0003]
- DE 102008010106 A1 [0004]
