DE102011003912B4 - Device and method for metering a liquid into the exhaust system of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Eindosierung einer Flüssigkeit (12) zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung in einen Abgasstrang (8) einer Brennkraftmaschine (5), wobei die Flüssigkeit (12) mittels einer Düsenanordnung (30) in den Abgasstrang (8) der Brennkraftmaschine (5) eindosiert wird, wobei die Düsenanordnung ein Ventil (31) aufweist und wobei eine Zumessung der Flüssigkeit (12) zu der Düsenanordnung (30) durch eine Dosierpumpe (20) gesteuert oder geregelt ist, wobei das Ventil (31) bei einer Ansteuerung der Dosierpumpe (20) im Schnarrbetrieb periodisch öffnet und schließt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dosierpumpe (20) und der Düsenanordnung (30) ein Pulsationsdämpfer (22) angeordnet ist.Device for metering a liquid (12) to support the exhaust gas after-treatment into an exhaust line (8) of an internal combustion engine (5), the liquid (12) being metered into the exhaust line (8) of the internal combustion engine (5) by means of a nozzle arrangement (30), wherein the nozzle arrangement has a valve (31) and wherein metering of the liquid (12) to the nozzle arrangement (30) is controlled or regulated by a metering pump (20), wherein the valve (31) when the metering pump (20) is activated Buzzing operation periodically opens and closes, characterized in that a pulsation damper (22) is arranged between the metering pump (20) and the nozzle arrangement (30).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Eindosierung einer Flüssigkeit in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The invention relates to a device for dosing a liquid into the exhaust system of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 9.
Durch eine immer strenger werdende Abgasgesetzgebung ist es heutzutage kaum möglich, die Grenzwerte bezogen auf die Schadstoffe im Abgas einer Brennkraftmaschine allein mit innermotorischen Maßnahmen zu erreichen. Deshalb haben sich bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen, im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtungen, beispielsweise Katalysatoren und Filter, etabliert. Vor allem bei selbstzündenden Verbrennungsmotoren werden verstärkt Abgasnachbehandlungseinrichtungen eingesetzt, bei denen eine Flüssigkeit zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosiert wird. Als Beispiele seien hierzu die Eindosierung von Kraftstoff zur Regeneration eines Partikelfilters oder die Eindosierung von wässriger Harnstofflösung bei Katalysatoren zur selektiven Reduktion von Stickoxiden genannt. So wird für die thermische Regeneration von Partikelfiltern die Abgastemperatur von Verbrennungskraftmaschinen angehoben, so dass der im Partikelfilter enthaltene Ruß kontrolliert abbrennt. Ist diese Abgastemperaturerhöhung durch motorische Maßnahmen nicht möglich, wird durch einen zusätzlichen Injektor Kraftstoff ins Abgas dosiert, der an einem Oxidationskatalysator katalytisch unter Freisetzung der zur Temperaturerhöhung erforderlichen Wärme reagiert.Due to exhaust gas legislation that is becoming ever more stringent, it is nowadays hardly possible to achieve the limit values in relation to the pollutants in the exhaust gas of an internal combustion engine solely with internal engine measures. For this reason, exhaust gas aftertreatment devices, for example catalytic converters and filters, arranged in the exhaust system of the internal combustion engine have become established in internal combustion engines, in particular in internal combustion engines of vehicles. In self-igniting internal combustion engines in particular, exhaust gas after-treatment devices are increasingly being used, in which a liquid is metered into the exhaust tract of the internal combustion engine to support the exhaust gas after-treatment. Examples include the dosing of fuel to regenerate a particle filter or the dosing of aqueous urea solution in catalytic converters for the selective reduction of nitrogen oxides. For the thermal regeneration of particle filters, for example, the exhaust gas temperature of internal combustion engines is raised so that the soot contained in the particle filter burns off in a controlled manner. If this exhaust gas temperature increase is not possible through engine measures, an additional injector doses fuel into the exhaust gas, which reacts catalytically on an oxidation catalytic converter, releasing the heat required to increase the temperature.
Aus
Aus
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Offenbarungepiphany
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass die Zumessung der Flüssigkeit durch eine Dosierpumpe gesteuert oder geregelt ist, so dass die Druckerzeugung und die Zumessung der Flüssigkeit an einer Stelle erfolgt, wobei das Einspritzventil die Flüssigkeit im Schnarrbetrieb in den Abgasstrang eindosiert, wodurch die Eindosierung von kleinen Mengen der Flüssigkeit in den Abgasstrang ermöglicht wird und eine sehr feine Zerstäubung erreicht wird. Dabei wird die Zumessung nicht oder nur geringfügig durch Druckschwankungen, beispielsweise aus einer der Dosierpumpe vorgelagerten Versorgungseinrichtung, insbesondere einem Niederdruckkreislauf eines Kraftstoffeinspritzsystems, gestört. Dies führt zu einem vereinfachten Systemkonzept mit einfachem hydraulischem Verhalten, einem erweiterten Betriebsbereich bezüglich dosierter Menge und einer erhöhten Dosiergenauigkeit. Dabei reduzieren sich die Kosten beispielsweise durch den Entfall einer Zumesseinheit und der Applikationsaufwand an der Brennkraftmaschine ist aufgrund des einfachen hydraulischen Verhaltens geringer, beispielsweise müssen hier nicht die Druckschwankungen durch zwei oder mehr Durchfluss begrenzende Ventile mit entsprechend komplexen, hydraulischen Verhalten bei der Applikation berücksichtigt werden. Dabei ist zwischen dem Vorratsbehälter und der Düsenanordnung, insbesondere zwischen der Dosierpumpe und dem Ventil, ein Pulsationsdämpfer angeordnet. Durch die Dämpfung der Druckschwingungen zwischen dem Vorratsbehälter oder einem Niederdruckkreislauf eines Kraftstoffeinspritzsystems und der Dosierpumpe wird die Dosiermengengenauigkeit der Dosierpumpe weiter erhöht. Besonders vorteilhaft ist eine Dämpfung der Druckschwingungen zwischen der Dosierpumpe und dem Ventil, da der Schnarrbetrieb des Ventils durch Druckschwankungen gestört werden kann.In contrast, the device according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that the metering of the liquid is controlled or regulated by a metering pump, so that the pressure is generated and the metering of the liquid takes place at one point, with the injection valve pumping the liquid in buzzing mode into metered into the exhaust system, which enables the metering of small amounts of liquid into the exhaust system and achieves very fine atomization. The metering is not or only slightly disturbed by pressure fluctuations, for example from a supply device upstream of the metering pump, in particular a low-pressure circuit of a fuel injection system. This leads to a simplified system concept with simple hydraulic behavior, an extended operating range in terms of dosed quantity and increased dosing accuracy. The costs are reduced, for example, due to the omission of a metering unit and the application effort on the internal combustion engine is lower due to the simple hydraulic behavior. For example, the pressure fluctuations caused by two or more flow-limiting valves with correspondingly complex hydraulic behavior do not have to be taken into account in the application. A pulsation damper is arranged between the reservoir and the nozzle arrangement, in particular between the metering pump and the valve. Damping the pressure fluctuations between the reservoir or a low-pressure circuit of a fuel injection system and the metering pump further increases the metering quantity accuracy of the metering pump. A damping of the pressure fluctuations between the dosing pump and the valve is particularly advantageous since the chattering operation of the valve can be disturbed by pressure fluctuations.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung sowie des in Anspruch 9 angegebenen Verfahrens möglich.Advantageous developments and improvements of the device specified in claim 1 and of the method specified in claim 9 are possible as a result of the measures listed in the dependent claims.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Düsenanordnung ein druckgesteuertes Ventil aufweist, welches bei Erreichen oder Überschreiten eines Öffnungsdrucks (pÖ) eine Eindosierung der Flüssigkeit in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine freigibt. Ein druckgesteuertes Ventil kann ohne elektrische Steuerung und somit besonders einfach und kostengünstig ausgeführt werden.A further advantageous development consists in the fact that the nozzle arrangement has a pressure-controlled valve which, when an opening pressure (p O ) is reached or exceeded, releases metering of the liquid into the exhaust system of the internal combustion engine. A pressure controlled The valve can be designed without an electrical controller and is therefore particularly simple and inexpensive.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Öffnungsdruck (pÖ) des Ventils oberhalb eines Drucks in einem, der Dosierpumpe vorgeschalteten, Vorratsbehälter oder oberhalb eines Drucks in einem, der Dosierpumpe vorgeschalteten, Niederdruckkreislauf, beispielsweise dem Niederdruckkreislauf eines Kraftstoff-Einspritzsystems, liegt. Dadurch öffnet das Ventil nur, wenn es zu einer Druckerhöhung gegenüber dem Druck im Vorratsbehälter oder Niederdruckkreislauf durch die Dosierpumpe kommt. Somit können Fehlfunktionen und unerwünschte Eindosierungen durch das Ventil vermieden werden.It is particularly advantageous if the opening pressure (p Ö ) of the valve is above a pressure in a reservoir upstream of the metering pump or above a pressure in a low-pressure circuit upstream of the metering pump, for example the low-pressure circuit of a fuel injection system. As a result, the valve only opens when the pressure in the reservoir or low-pressure circuit increases due to the dosing pump. In this way, malfunctions and undesired dosing through the valve can be avoided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, dass die Dosierpumpe im Falle einer Funktionsstörung, insbesondere bei einer Dauerbestromung oder einem elektrischen Kurzschluß, keine Flüssigkeit fördert. Durch diese Weiterbildung wird vermieden, dass bei einem Defekt oder einer Funktionsstörung die Flüssigkeit in den Abgasstrang und von dort aus in die Umwelt austritt. Wird bei einer Funktionsstörung keine Flüssigkeit mehr durch die Dosierpumpe bereitgestellt, bleibt das Einspritzventil geschlossen, so dass es nicht zu einer unerwünschten Eindosierung von Flüssigkeit in den Abgasstrang kommt. Auf diese Weise lässt sich auch einfach eine „fail safe“ Funktion der Vorrichtung darstellen, so dass bei Ausfall der Dosierpumpe keine Flüssigkeit in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosiert wird.A further advantageous development of the device is that the dosing pump does not deliver any liquid in the event of a malfunction, in particular in the event of a permanent current supply or an electrical short circuit. This further development prevents the liquid escaping into the exhaust system and from there into the environment in the event of a defect or a malfunction. If, in the event of a malfunction, no more liquid is made available by the metering pump, the injection valve remains closed so that no liquid is undesirably metered into the exhaust system. In this way, a “fail safe” function of the device can also be easily implemented, so that no liquid is metered into the exhaust system of the internal combustion engine if the metering pump fails.
Zur Erhöhung der Dosiergenauigkeit ist es günstig, wenn die von der Pumpe geförderte Menge der Flüssigkeit unabhängig vom Gegendruck im Abgasstrang oder die eindosierte Menge der Flüssigkeit ausschließlich von der Ansteuerung der Pumpe abhängig ist. Durch die Verwendung einer regelbaren Kolbenpumpe als Dosierpumpe kann in vorteilhafter Weise die Zumessung und die Eindosierung in einer Einheit realisiert werden, wobei die eindosierte Menge der Flüssigkeit dann ausschließlich abhängig von der Ansteuerdauer der Dosierpumpe ist.In order to increase the dosing accuracy, it is advantageous if the quantity of liquid delivered by the pump is independent of the back pressure in the exhaust line or the metered quantity of liquid is dependent solely on the actuation of the pump. By using a controllable piston pump as the dosing pump, metering and dosing can advantageously be implemented in one unit, the dosed amount of liquid then being exclusively dependent on the control duration of the dosing pump.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Dosierpumpe die Flüssigkeit mit einer Frequenz von 1 bis 10 Hertz unter Druck setzt und/oder das Einspritzventil mit einer Frequenz von ca. 1000 Hz periodisch öffnet und schließt. Eine Ansteuerfrequenz der Dosierpumpe in diesem Frequenzbereich sorgt dafür, dass die Dosierpumpe die typischerweise in der Abgasnachbehandlung benötigten Mengen an Flüssigkeit bei konstantem Druck zum Einspritzventil fördert. Bei einem Schnarrbetrieb des Einspritzventils mit ca. 1000 Hz wird die durch die Dosierpumpe bereitgestellte Menge an Flüssigkeit fein und in kleinen Portionen in den Abgasstrang eindosiert und kann somit gleichmäßig im Abgasstrom verteilt werden, ohne dass es zu Ablagerungen am Einspritzventil oder im Abgasstrang kommt.It is particularly advantageous if the metering pump pressurizes the liquid at a frequency of 1 to 10 Hertz and/or periodically opens and closes the injection valve at a frequency of approximately 1000 Hz. An activation frequency of the dosing pump in this frequency range ensures that the dosing pump delivers the quantities of liquid that are typically required in exhaust aftertreatment to the injection valve at a constant pressure. When the injection valve buzzes at approx. 1000 Hz, the amount of liquid provided by the metering pump is dosed finely and in small portions into the exhaust gas system and can thus be evenly distributed in the exhaust gas flow without deposits forming on the injection valve or in the exhaust gas system.
Figurenlistecharacter list
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1 stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Eindosierung einer Flüssigkeit in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine dar.1 represents a device according to the invention for metering a liquid into the exhaust line of an internal combustion engine. -
2 stellt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Eindosierung einer Flüssigkeit in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine dar.2 represents an alternative embodiment of the device according to the invention for metering a liquid into the exhaust line of an internal combustion engine. -
3 zeigt ein Diagramm, in dem die von der Dosierpumpe bereitgestellte Menge an Flüssigkeit in Abhängigkeit des Abgasgegendrucks dargestellt ist.3 shows a diagram in which the amount of liquid provided by the metering pump is shown as a function of the exhaust gas back pressure. -
4 stellt den Druckverlauf der Flüssigkeit am Ausgang der Dosierpumpe in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Dosierpumpe dar.4 shows the pressure curve of the liquid at the outlet of the dosing pump depending on the control of the dosing pump. -
5 stellt den Druckverlauf am Einspritzventil in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Dosierpumpe bei im Schnarrbetrieb periodisch öffnendem und schließendem Einspritzventil dar.5 shows the pressure curve at the injection valve as a function of the control of the metering pump with the injection valve opening and closing periodically in chattering mode.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den
In
Soll zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung die Flüssigkeit 12 in den Abgasstrang 8 der Brennkraftmaschine 5 eindosiert werden, saugt die Dosierpumpe 20 die Flüssigkeit 12 aus dem Vorratsbehälter 10 über die Verbindungsleitung 41 an, wobei die Flüssigkeit 12, beispielsweise wässrige Harnstofflösung oder Kraftstoff, im Filter 13 gereinigt wird und über die Verbindungsleitung 45 zur Dosierpumpe 20 strömt. Die Dosierpumpe 20 setzt die Flüssigkeit 12 unter einen Druck (p), wobei der erzeugte Druckverlauf über eine Zeit (t) durch die Dosierpumpe 20 am Ausgang 21 der Dosierpumpe wie in
Durch das in der Dosierpumpe 20 erzeugte Spitzendruckniveau (pp) wirkt auf das Einspritzventil 31 eine hydraulische Kraft, welche größer als eine Zuhaltekraft ist, welche auf ein Schließglied 32 des Einspritzventils 31 wirkt. Durch das Überwinden der Zuhaltekraft des Schließglieds 32 des Einspritzventils 31 erreicht das Einspritzventil 31 einen Öffnungsdruck (pÖ), wobei das Einspritzventil 31 öffnet und die Einspritzung der Flüssigkeit 12 sowie eine Sprayaufbereitung der Flüssigkeit 12 bei der Eindosierung in den Abgasstrang übernimmt. Durch das Öffnen des Einspritzventils 31 bricht der Druck (p) am Einspritzventil 31 kurzfristig bis auf einen Schließdruck (ps) leicht ein, wodurch das Schließglied 32 des Einspritzventils 31 wieder schließt. Durch das Schließen des Schließglieds 32 steigt der Druck (p) wieder, wodurch ein charakteristisches, periodisches Öffnen und Schließen des Einspritzventils 31 entsteht, welches als Schnarrbetrieb bezeichnet wird. Der Druckverlauf eines solchen Schnarrbetriebs in Abhängigkeit der Ansteuerung der Dosierpumpe 20 ist in
An der Verbindungsleitung 46, welche die Dosierpumpe 20 mit dem Einspritzventil 31 verbindet, ist ein Pulsationsdämpfer 22 angeordnet, der Druckschwingungen, welche durch die Druckerzeugung in der Dosierpumpe 20 und/oder durch die Eindosierung der Flüssigkeit 12 durch das Einspritzventil 31 entstehen, dämpft. Dabei ist das Einspritzventil 31 als nach außen öffnendes, federbelastetes Tellerventil ausgeführt.A
Dabei kann auf eine mechanische Führung des Schließglieds 32 verzichtet werden, wenn das Schließglied 32 des Einspritzventils 31 durch eine Ventilfeder positioniert wird und durch eine Strömung der Flüssigkeit 12 durch das Einspritzventil 31 zentriert wird. Die einzelnen Bauteile des Einspritzventils 31 sind dabei metallisch ausgeführt. Da ein zuverlässiger Schnarrbetrieb des Einspritzventils 31 nur in einem relativ engen Druckbereich möglich ist, kann der Pulsationsdämpfer 22 vermeiden, dass dieser enge Druckbereich verlassen wird. Der Pulsationsdämpfer 22 ist dabei als Membrandämpfer, pneumatisch oder als Hydraulikvolumen ausgeführt. Dabei ist der Pulsationsdämpfer bevorzugt in unmittelbarer Nähe des Ausgangs 21 der Dosierpumpe 20 angeordnet. Alternativ kann der Pulsationsdämpfer 22 auch in die Dosierpumpe 20 integriert sein.A mechanical guidance of the
Zusätzlich wird der Druck (p) in der Leitung 45 über einen an der Leitung 45 angeordneten Drucksensor 24 und in der Leitung 46 über einen Drucksensor 26 gemessen. Über die beiden Drucksensoren 24, 26 kann die Funktion und Leistung der Dosierpumpe 20 kontrolliert werden. Durch den Drucksensor 26 kann zusätzlich eine Störung oder ein Ausfall des Einspritzventils 31 detektiert werden. Das Einspritzventil 31 kann luft- oder wassergekühlt ausgeführt werden.In addition, the pressure (p) in
Alternativ können bei einer einfacheren Ausführungsform der Vorrichtung auch der Pulsationsdämpfer 22 sowie zumindest einer der Drucksensoren 24, 26 entfallen. Insbesondere bei Entfall des Pulsationsdämpfers 22 ist es vorteilhaft, wenn eine Leitungslänge der Leitung 46 zwischen Dosierpumpe 20 und Einspritzventil 31 möglichst kurz ist, um hier Druckwellen und damit verbundene Druckschwankungen möglichst niedrig zu halten. Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel in
Die Flüssigkeit 12, insbesondere ein Kraftstoff, wird durch die Vorförderpumpe 14 aus dem Vorratsbehälter 10 angesaugt und strömt durch die Verbindungsleitung 41 in den Filter 13, wo Partikel und Verunreinigungen aus der Flüssigkeit 12 herausgefiltert werden. Von dort aus strömt die Flüssigkeit 12 über die Verbindungsleitung 42 zu der Vorförderpumpe 14, wo die Flüssigkeit verdichtet wird und durch die Leitung 43 zu dem Verzweigungspunkt 52 gefördert wird. Von dem Verzweigungspunkt 52 strömt ein erster Teilstrom der Flüssigkeit über die Verbindungsleitung 44 zu dem Hochdruckbereich 18 des Kraftstoff-Einspritzsystems, während ein zweiter Teilstrom durch die Verbindungsleitung 45 zu der Dosierpumpe 20 strömt. An der Verbindungsleitung 45 ist ein Drucksensor 24 angeordnet, mit dem ein Druck der Flüssigkeit 12 in der Verbindungsleitung 45 gemessen wird. Die Druckerzeugung der Dosierpumpe 20 erfolgt analog den Ausführungen zu
Alternativ kann im Niederdruckkreislauf 15 die Vorförderpumpe 14 auch zwischen dem Vorratsbehälter 10 und dem Filter 13 angeordnet sein. Ebenfalls ist es alternativ möglich, dass die Vorförderpumpe 14, insbesondere saugseitig, einen Filter 13 umfasst. Als weitere Alternative kann die Vorförderpumpe 14 auch zwei Ausgänge aufweisen, wobei ein Ausgang der Vorförderpumpe 14 dann über eine Verbindungsleitung 45 mit der Dosierpumpe 20 und ein weiterer Ausgang der Vorförderpumpe 14 über die Verbindungsleitung 44 mit dem Hochdruckbereich 18 des Kraftstoff-Einspritzsystems, insbesondere mit einer Hochdruckpumpe, verbunden ist. Alternativ kann die Verbindungsleitung 45 auch mit einem Niederdruckausgang einer, zum Hochdruckbereich 18 gehörenden, Hochdruckpumpe verbunden sein, wobei dabei an der Verbindungsleitung 45 ein zusätzlicher Pulsationsdämpfer angeordnet sein kann, um die Druckschwingungen der Hochdruckpumpe zu dämpfen.Alternatively, the
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