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Die Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung zum Einbringen einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung in eine Abgasleitung eines Fahrzeugs. Die Dosiereinrichtung weist einen Auslass auf, über welchen die Reduktionsmittellösung in das Abgas einbringbar ist. Des Weiteren ist ein Wärmespeicher vorgesehen, welcher den Auslass umgibt.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, über eine Dosiereinrichtung, welche als Auslass eine Dosierspitze aufweist, eine Reduktionsmittellösung in den Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs einzudosieren. Als Reduktionsmittellösung, welche in der Abgasnachbehandlung zum Einsatz kommt, kann insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung vorgesehen sein. Aus dem über die Reduktionsmittellösung in das Abgas eingebrachten Harnstoff wird im heißen Abgasstrom Ammoniak freigesetzt. Der Ammoniak wird dann in einem der Dosiereinrichtung nachgeschalteten SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion mit Stickoxiden aus dem Abgas umgesetzt. So wird unter Bildung von Stickstoff und Wasser der Stickoxidgehalt des Abgases verringert.
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Bei einer solchen Dosiereinrichtung für die Reduktionsmittellösung kommt es im heißen Abgasstrang zu einer hohen Temperaturbelastung des Auslasses. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Reduktionsmittel führenden Teile in der Dosierspitze für das Reduktionsmittel zulässige Maximalwerte der Temperatur nicht überschreiten. Hierzu kann es jedoch kommen, wenn die Abgasanlage sich stark aufheizt, etwa in Folge des Regenerierens eines Partikelfilters solange keine Kühlung für die Dosiereinrichtung zur Verfügung steht.
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Die
DE 2008 041 326 A1 beschreibt eine Dosiereinrichtung zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine. An einer Ventilspitze der Dosiereinrichtung ist eine doppelwandige Hülse aus Edelstahl angeordnet, welche einen geschlossenen Innenraum umgibt. Der Innenraum ist mit Natrium befüllt, und die Edelstahlhülse steht formschlüssig mit einer Außenseite der Ventilspitze Wärme leitend in Verbindung. Das Natrium vollzieht unterhalb einer für die Harnstoff-Wasser-Lösung vorgesehenen Höchsttemperatur einen Phasenübergang, durch welchen die Ventilspitze gekühlt wird. Dadurch soll sichergestellt werden, dass für die Lebensdauer abträgliche hohe Temperaturen der Ventilspitze nicht erreicht werden.
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Eine solche Dosiereinrichtung ist durch das Vorsehen eines Phasenübergangsmaterials vergleichsweise aufwändig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Dosiereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher sich auf besonders einfache Art und Weise eine schlagartige Aufheizung des Auslasses vermeiden lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Dosiereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung ist der Wärmespeicher als ringförmiger, massiver Körper ausgebildet, welcher ein zum Aufnehmen eines Wärmeeintrags in den Auslass ausgelegtes Wärmespeichervolumen aufweist. Mittels dieses Wärmespeichervolumens ist ein Temperaturanstieg des Auslasses auf einen vorbestimmten Schwellenwert der Temperatur begrenzbar. Es ist also durch den massiven Körper an dem Auslass eine Wärmesenke bereitgestellt, welche eine schlagartige Aufheizung des Auslasses vermeidet. So sind die temperaturempfindlichen Teile der Dosiereinrichtung vor einer zu hohen Temperaturbelastung geschützt. Spitzentemperaturen des Auslasses werden abgesenkt, und die Temperatur des Auslasses wird unterhalb des Schwellenwerts der Temperatur gehalten, welchen die Reduktionsmittellösung nicht überschreiten sollte. Über den als Wärmesenke fungierenden Körper werden temporär auftretende Maximaltemperaturen abgesenkt. Die Dosiereinrichtung ist zudem besonders einfach und kostengünstig, da als Wärmespeicher lediglich der ringförmige, massive Körper vorgesehen ist.
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Zu einem Wärmeeintrag in den Auslass, welcher durch das Vorsehen des ringförmigen Körpers verringert wird, kann es insbesondere dann kommen, wenn ein aktiver Kühlkreislauf abgeschaltet wird, welcher dazu ausgelegt ist, ein Kühlmedium in den Bereich des Auslasses zu bringen. Dazu kann es beispielsweise kommen, wenn nach dem Abstellen des Fahrzeugs sämtliche Steuergeräte abgeschaltet werden, wie es etwa bei einem zum Gefahrguttransport ausgebildeten Fahrzeug der Fall ist. Wenn bei einem solchen plötzlichen Abschalten des Kühlkreislaufs keine Stromversorgung zum Betreiben einer Kühlmittelpumpe für das in die Dosiereinrichtung einbringbare Kühlmedium vorliegt, so sorgt der Wärmespeicher dafür, dass die Temperatur des Auslasses nicht den für die Reduktionsmittellösung kritischen Schwellenwert überschreitet. Als Kühlmedium wird bevorzugt das zum Kühlen des Verbrennungsmotors verwendete Kühlwasser eingesetzt.
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Auch bei einem durch die Wärmekapazität der Abgasanlage bedingten Nachheizen der Abgasanlage nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors und der Kühlung sorgt der ringförmige, massive Körper für das Absenken der temporär auftretenden Maximaltemperatur.
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Dasselbe gilt, wenn ein Partikelfilter, welcher üblicherweise stromabwärts der Dosiereinrichtung positioniert ist, aktiv regeneriert wird, also die Temperatur auf 500°C bis 600°C angehoben wird, während die Kühlung der Dosiereinrichtung nicht oder noch nicht betriebsbereit ist.
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Ansonsten wird bei normalem Betrieb die Dosiereinrichtung insbesondere am Auslass mittels des zirkulierenden Kühlmediums gekühlt und es ist auf diese Weise eine unerwünscht starke Aufheizung vermieden. Dabei dient der mit dem Kühlmedium in Wärmeleitkontakt stehende Wärmespeicher als Puffer mit vergleichsweise großer Wärmekapazität, der bei einem Abschalten des Kühlkreislaufs eine unzulässige Erhitzung ausgehend von einer etwa der Temperatur des Kühlmediums stark verzögert bzw. begrenzt. Somit ist der insbesondere als Düsenspitze einer Sprühdüse ausgebildete Auslass der Dosiereinrichtung vor einer unzulässigen Aufheizung geschützt, wobei der Wärme leitend ausgebildete Wärmespeicher infolge seines Wärmeleitkontakts mit dem Kühlmedium und der Düsenspitze letztere bei normalem ebenfalls etwa auf der Temperatur des Kühlmediums hält. Bevorzugt ist der Wärmespeicher aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl bzw. Edelstahl gebildet.
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Das Vorsehen des ringförmigen Körpers am Auslass der Dosiereinrichtung ist insbesondere dann dem einfachen Absenken von Temperaturspitzen an der Dosiereinrichtung zuträglich, wenn bei heißen, sommerlichen Betriebsbedingungen auch außerhalb der Abgasanlage hohe Temperaturen herrschen und so sowohl vom Fahrzeug als auch von der Oberfläche der Abgasanlage so viel Wärme abgegeben wird, dass die außerhalb der Abgasanlage vorliegende Umgebungsluft nicht als Kühlmedium geeignet ist. Der Wärmeeintrag in den Auslass wird in einem solchen Fall mittels des massiven Körpers auch dann in vertretbaren Grenzen gehalten, wenn auf Grund des stromabwärts der Dosiereinrichtung angeordneten Partikelfilters temporär eine große Hitzebelastung vorliegt und der Kühlkreislauf abgestellt oder noch nicht betriebsbereit ist.
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Besonders günstig ist es für das Vermeiden von Temperaturspitzen, wenn der Körper an einen Bereich des Auslasses angrenzt, durch welchen ein Ventilsitz für eine Ventilnadel der Dosiereinrichtung gebildet ist. Hierbei kann der Körper insbesondere einen stromaufwärts an den Ventilsitz angrenzenden Bereich des Auslasses umschließen.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn im Bereich eines Ventilsitzes für eine Ventilnadel der Dosiereinrichtung eine Wanddicke des Auslasses größer ist, als in einem stromabwärts und/oder stromaufwärts des Ventilsitzes angrenzend angeordneten Bereich des Auslasses. Durch eine solche Aufdickung der Wand im kritischen Bereich können Wärmeströme besonders effektiv in den als Wärmsenke dienenden Körper geleitet werden. Dadurch wird der Effekt der Vermeidung von Temperaturspitzen noch verstärkt.
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Besonders einfach kann der Wärmespeicher als kreiszylindrischer Körper ausgebildet sein. Es kann jedoch auch eine andere Ausbildung, etwa in Form eines Ellipsoids vorgesehen sein.
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Der als ringförmiger, massiver Körper ausgebildete Wärmespeicher ist insbesondere bei einer Dosiereinrichtung von Vorteil, welche zumindest im Bereich des Auslasses mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist, also eine aktive Kühlung aufweist.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 in einer teilweise geschnittenen Ansicht eine Dosiereinheit zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei im Bereich einer als Auslass dienenden Dosierspitze der Dosiereinheit als Wärmesenke ein kreiszylindrischer, massiver Körper vorgesehen ist; und
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2 die Dosierspitze der Dosiereinheit gemäß 1 in einer vergrößerten Detailansicht.
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Eine in 1 gezeigte Dosiereinheit 10 dient dem Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in das Abgas eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs. Der Harnstoff wird im heißen Abgas aufbereitet, und der hierbei aus dem Harnstoff freigesetzte Ammoniak wird in einem der Dosiereinheit 10 nachgeschalteten SCR-Katalysator (SCR = Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion mit Stickoxiden aus dem Abgas zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.
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Die Dosiereinheit 10 weist als Auslass eine Dosierspitze 12 auf, über welche die wässrige Harnstofflösung in das Abgas eingebracht wird. Diese Dosierspitze 12 ist in einem an einen Ventilsitz 14 angrenzenden Bereich von einem als Wärmesenke dienenden kreiszylindrischen, ringförmigen Körper 16 umschlossen, welcher massiv ausgebildet und mit einer Außenwand der Dosierspitze 12 in diesem Bereich in enger Anlage ist. Dieser Körper 16 verhindert einen zu hohen Wärmeeintrag in die Dosierspitze 12 und somit das Auftreten von Temperaturspitzen.
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Zu temporär auftretenden Maximaltemperaturen kann es nämlich beispielsweise kommen, wenn ein Kühlmedium, welches zum Kühlen der Dosiereinheit 10 und insbesondere der Dosierspitze 12 vorgesehen ist, nicht oder noch nicht zur Verfügung steht, etwa weil ein Kühlkreislauf abgeschaltet ist. Zu dem plötzlichen Abschalten des Kühlkreislaufes kann es beispielsweise kommen, wenn das Fahrzeug, welches die Dosiereinheit 10 aufweist, als Gefahrguttransporter ausgebildet ist und das Fahrzeug abgeschaltet wird. Dann wird nämlich auch die Stromversorgung für ein Steuergerät des Kühlkreislaufs und für eine Kühlmittelpumpe für das Kühlmedium außer Betrieb genommen.
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Auch wenn ein stromabwärts der Dosiereinheit 10 angeordneter Partikelfilter aktiv regeneriert wird und die Kühlung noch nicht betriebsbereit ist, sorgt der Körper 16 für die Vermeidung von Temperaturspitzen an der Dosiereinheit 10. Dasselbe gilt, wenn auf Grund der Wärmekapazität der Abgasanlage und insbesondere hoher Umgebungstemperatur es zu einem Nachheizen der Abgasanlage bei abgestelltem Verbrennungsmotor und abgestellter Kühlung kommt.
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Die Komponenten der Dosiereinheit 10, welche die wässrige Harnstofflösung im Betrieb führen, erreichen vorliegend auf Grund des Vorsehens des ringförmigen Körpers 16 nicht einen Schwellenwert der Temperatur, welchen die Harnstofflösung nicht überschreiten sollte. Vorliegend weist die Dosiereinheit 10 einen Einlass 18 für die wässrige Harnstofflösung auf, welchem ein Filter 20 nachgeschaltet ist. Von hier aus gelangt die wässrige Harnstofflösung über eine Leitung 22 hin zu Dosierspitze 12. Wenn eine Ventilnadel 24 dann mittels einer Spule 26 gegen die Kraft einer Ventilfeder 28 vom Ventilsitz 14 abgehoben wird, so tritt die wässrige Harnstofflösung aus der Dosierspitze 12 in das Abgas aus. Der Körper 16 grenzt in Austrittsrichtung der Harnstofflösung gesehen stromaufwärts an einen Bereich der Dosierspitze 12 an, durch welchen der Ventilsitz 14 für die Ventilnadel 24 der Dosiereinrichtung 10 gebildet ist.
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Im Überschuss geförderte wässrige Harnstofflösung bzw. zu Kühlzwecken eingesetzte Harnstofflösung gelangt über einen Rücklauf 30 wieder zu einem (nicht gezeigten) Harnstoffbehälter. Im Rücklauf 30 ist eine Rückflussöffnung 32 vorgesehen. Von der Dosiereinheit 10 sind in 1 zudem eine Belüftungsmembran 34 und ein Gerätestecker 36 gezeigt, über welchen die Ansteuerung der Spule 26 vorgenommen wird, sowie ein Magnetanker 38.
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Aus der Detailansicht in 2 geht besonders gut hervor, dass im Bereich des Ventilsitzes 14 eine Wand der Dosierspitze 12 gegenüber einem stromabwärts des Ventilsitzes 14 angeordneten Bereich aufgedickt ist. Dieser aufgedickte Bereich 40 sorgt für ein besonders effektives Überführen von Wärme in den Körper 16. Stromabwärts des aufgedickten Bereichs 40 der Wand weist die Dosierspitze 12 einen Zerstäuber 42 auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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