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Die Erfindung betrifft ein Dosiermodul zum Eindosieren eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aufgrund stetig steigender gesetzlicher Anforderungen an die Emissionswerte von Brennkraftmaschinen werden zur Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte die Abgase einer Nachbehandlung unterzogen. Zur Reduzierung des Stickoxidausstosses, insbesondere bei Dieselmotoren, werden Reduktionskatalysatoren eingesetzt, mittels derer die Stickoxid-Emissionen (NOx) deutlich abgesenkt werden können. Bevor die Abgase in den Katalysator gelangen, wird ihnen ein Reduktionsmittel zugeführt, wie beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, welche die Bildung von Ammoniak bewirkt, das wiederum mit den Stickoxiden im nachgeschalteten Katalysator zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert. Das Eindosieren der wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrang erfolgt über ein Dosiermodul. Um eine optimale Vermischung von Abgas und Reduktionsmittel zu erreichen, wird das Reduktionsmittel zerstäubt und unter Zuhilfenahme von Druckluft in den Abgasstrang eindosiert. Vor dem Eindosieren werden das Reduktionsmittel und die Druckluft in einer Mischkammer des Dosiermoduls gemischt, so dass das Reduktionsmittel die Mischkammer als Aerosol verlässt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 35 14 287 A1 ist eine Druckluft-betriebene Sprühdüse bekannt, die einen Düsenkörper mit einer langgestreckten Misch- und Zerstäubungskammer besitzt. Eine Lufteinlassöffnung steht mit einem Ende der Kammer in Verbindung, während eine Flüssigkeitseinlassöffnung mit einer Seite der Kammer in Verbindung steht. An dem der Lufteinlassöffnung gegenüberliegenden Ende der Kammer ist eine Düsenspitze mit einer Auslassöffnung angeordnet. Durch die beschriebene Anordnung und Ausrichtung der Einlässe verlaufen die Ströme von Druckluft und Flüssigkeit quer zueinander. Dies hat eine Vorzerstäubung des Reduktionsmittels in der Misch- und Zerstäubungskammer zur Folge, wodurch sich die Gleichförmigkeit der Teilchengröße in einem stark zerstäubten Sprühmuster erhöhen soll.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Dosiermodul zum druckluftunterstützten Eindosieren eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges anzugeben, das eine optimale Zerstäubung bei minimalem Druckluftverbrauch ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Dosiermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Dosiermodul zum druckluftunterstützten Eindosieren eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges umfasst eine Mischkammer mit wenigstens zwei Einlässen und einem Auslass. Ein erster Einlass für das Reduktionsmittel ist in einem Umfangsbereich der Mischkammer angeordnet. Ein zweiter Einlass für die Druckluft und der Auslass liegen sich an den beiden Enden der Mischkammer gegenüber. Erfindungsgemäß ist der zweite Einlass für die Druckluft über ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, mit einer Druckluftleitung verbindbar. Das Ventil ermöglicht einerseits eine kontrollierte Abgabe der Druckluft aus der Druckluftleitung in die Mischkammer, andererseits verhindert es, dass das der Mischkammer über den weiteren Einlass zugeführte Reduktionsmittel aus der Mischkammer in die Druckluftleitung gelangt. Die Mischung von Druckluft und Reduktionsmittel erfolgt erst in der Mischkammer. Durch die Anordnung und Ausrichtung der beiden Einlässe treffen die Ströme von Druckluft und Reduktionsmittel in der Mischkammer in einem Winkel aufeinander, wodurch es zu einer die Zerstäubung des Reduktionsmittels unterstützenden Wirbelbildung kommt. Die Wirbelbildung hat jedoch zugleich zur Folge, dass sich die Gefahr erhöht, dass Reduktionsmittel in die Druckluftleitung eindringt. Dieser Gefahr wirkt das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ventil entgegen. In der Ausbildung als einfaches Rückschlagventil lässt es sich zudem relativ kostengünstig in ein Dosiermodul integrieren.
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Bevorzugt umfasst das Ventil ein in einem Führungsbereich eines Ventilkörpers axial verschiebbar geführtes Ventilschließelement, das in den Mischraum öffnet. Das heißt, dass das Ventil nach außen öffnet. Die dem Mischraum zugewandte Stirnfläche des Ventilschließelements kann auf diese Weise als Schutzschild gegenüber dem im Mischraum befindlichen Reduktionsmittel eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das Ventilschließelement in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt, welche weiterhin vorzugsweise im Bereich der Druckluftleitung angeordnet und/oder einerseits am Ventilschließelement, andererseits am Ventilkörper abgestützt ist.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Führungsbereich des Ventilkörpers mehrere axial verlaufende Nuten zur Ausbildung von Strömungskanälen aufweist, wobei die Nuten vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Dadurch ist nicht nur sichergestellt, dass die Druckluft über den Führungsbereich in die Mischkammer gelangt, sondern ferner die Druckluft homogen eingetragen wird. Vorzugsweise sind die Nuten sternförmig um den Führungsbereich angeordnet und weisen einen zumindest teilweise teilkreisförmigen und/oder eckigen Querschnitt auf. Weiterhin vorzugsweise besitzen die mehreren Nuten den gleichen Querschnitt.
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Zur Führung des Ventilschließelements im Ventilkörper weist dieses vorzugsweise einen bolzenförmigen Abschnitt auf, mit welchem es im Ventilkörper aufgenommen ist.
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Weiterhin vorzugsweise besitzt das Ventilschließelement einen tellerförmigen Abschnitt, welcher mit einem Ventilsitz des Ventils dichtend zusammenwirkt. Der Ventilsitz kann als Flachsitz oder Kegelsitz ausgebildet sein. Um die Dichtwirkung zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass in den tellerförmigen Abschnitt ein vorzugsweise elastisches Dichtelement zur Ausbildung einer ringförmigen Dichtkontur eingelassen sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mischkammer in mehrere Abschnitte unterteilt. Ein erster Abschnitt, in den das Ventilschließelement des Ventils öffnet, ist über einen Bereich mit verringertem Strömungsquerschnitt mit einem zweiten Abschnitt verbunden, in den der Einlass für das Reduktionsmittel mündet. Die Unterteilung der Mischkammer in mehrere Abschnitte und die Anordnung der beiden Einlässe in unterschiedlichen Abschnitten der Mischkammer wirkt ebenfalls der Gefahr entgegen, dass das Reduktionsmittel in die Druckluftleitung gelangt.
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Zur Verringerung des Strömungsquerschnitts der Mischkammer wird vorgeschlagen, dass der erste Abschnitt und/oder der zweite Abschnitt zumindest teilweise konisch ausgebildet sind. Als besonders vorteilhaft erweist sich ein zumindest teilweise konisch ausgebildeter erster Abschnitt der Mischkammer, in den das Ventil zur Verbindung der Mischkammer mit der Druckluftleitung mündet. Der konische Bereich des ersten Abschnitts ist dem Bereich mit verringertem Strömungsquerschnitt vorgelagert und leitet die Druckluft in den zweiten Abschnitt der Mischkammer. Aufgrund der Verringerung des Strömungsquerschnitts kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, so dass die Druckluft mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit auf das in die Mischkammer eingebrachte Reduktionsmittel trifft. Dadurch wird zum Einen die Wirbelbildung verstärkt, zum Anderen eine verbesserte Zerstäubung bewirkt.
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An den zweiten Abschnitt schließt sich weiterhin vorzugsweise ein weiterer Abschnitt an, der zur Verringerung des Strömungsquerschnitts zumindest teilweise konisch ausgebildet ist. Das heißt, dass sich vorzugsweise der Strömungsquerschnitt der Mischkammer in Richtung des Auslasses reduziert, um das Luft-/Reduktionsmittelgemisch mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit aus der Mischkammer auszutragen. Der weitere Abschnitt bildet somit eine Art Düse aus. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der weitere Abschnitt der Mischkammer mit einer Düse verbunden ist. Über die Düse können die Sprayrichtung, der Spraykegelwinkel und dergleichen bestimmt bzw. beeinflusst werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Einlass für das Reduktionsmittel tangential und/oder axial außermittig in Bezug auf den Querschnitt der Mischkammer ausgerichtet. Im Unterschied zu einer radialen Ausrichtung des Einlasses gelangt bei einer tangentialen und/oder axial außermittigen Ausrichtung der Reduktionsmittelstrom außermittig in die Mischkammer, wodurch eine noch stärkere Verwirbelung erzielt wird, die vorzugsweise den gesamten Querschnitt der Mischkammer einbezieht. Auf diese Weise wird eine optimale Gemischaufbereitung erzielt.
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Sowohl die Verwirbelung als auch die aufgrund der Geometrie der Mischkammer bewirkten hohen Strömungsgeschwindigkeiten haben zur Folge, dass der Druckluftverbrauch insgesamt gesenkt werden kann. Ferner können die hydraulischen Komponenten zur Förderung des Reduktionsmittels mit geringem Arbeitsdruck betrieben werden, da die Zerstäubung des Reduktionsmittels durch die Druckluft bewirkt wird. Das Dosiermodul kann somit kleinvolumig und einfach gehalten werden.
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Zur Steuerung der Reduktionsmittelmenge, die der Mischkammer zugeführt wird, wird vorgeschlagen, dass der Einlass für das Reduktionsmittel über ein Zumessventil mit einer Reduktionsmittelleitung verbindbar ist. Das Zumessventil ermöglicht eine genaue Zumessung des Reduktionsmittels. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Reduktionsmittelleitung zumindest in einem Abschnitt als hydrophiles Rohr ausgebildet ist. Das Zumessventil kann ein Magnetventil oder ein druckbetätigbares Ventil sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dosiermoduls in Schließstellung des Ventils zum Einbringen der Druckluft,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch das Dosiermodul der 1 in Offenstellung des Ventils zum Einbringen der Druckluft,
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3 einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dosiermoduls,
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4 einen schematischen Querschnitt durch das Dosiermodul der 3 im Bereich des Ventils zum Einbringen der Druckluft und
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5 einen schematischen Querschnitt durch das Dosiermodul der 3 im Bereich des Zumessventils zum Einbringen des Reduktionsmittels.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in den 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Dosiermodul umfasst eine Mischkammer 1 mit einem ersten Einlass 2 für ein Reduktionsmittel, vorliegend eine Harnstoffwasserlösung (HWL), einem zweiten Einlass 3 für Druckluft und einem Auslass 4, der dem zweiten Einlass 3 an dem anderen Ende der Mischkammer 1 gegenüber liegt. Der erste Einlass 2, über welchen das Reduktionsmittel in die Mischkammer 1 einbringbar ist, ist in einem Umfangsbereich der Mischkammer angeordnet, so dass der hierüber in die Mischkammer 1 eingebrachte Reduktionsmittelstrom in einem Winkel von 90° auf den Druckluftstrom trifft. Dies führt zu einer Verwirbelung des Reduktionsmittels.
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Die Mischkammer 1 ist in drei Abschnitte 1.1, 1.2, 1.3 unterteilt. Der erste Abschnitt 1.1 bildet eine Art Vorkammer aus und ist dem Abschnitt 1.2 in Strömungsrichtung der Druckluft vorgelagert. In den ersten Abschnitt 1.1 öffnet ein Ventil 5, das vorliegend als Rückschlagventil ausgebildet ist, und der Verbindung der Mischkammer 1 mit einer Druckluftleitung 6 dient. Das Ventil 5 umfasst einen Ventilkörper 8 in dem ein Ventilschließelement 9 axial verschiebbar aufgenommen ist. Das Ventilschließelement 9 weist einen tellerförmigen Abschnitt 11 auf, das mit einem im Ventilkörper 8 ausgebildeten Ventilsitz 12 zusammenwirkt. Zur Ausbildung einer Dichtkontur mit erhöhter Dichtwirkung ist in den tellerförmigen Abschnitt 11 des Ventilschließelementes 9 ein ringförmiges elastisches Dichtelement 13 eingelassen.
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Mit Öffnen des Ventils 5 (siehe 2) dringt Druckluft über den freigegebenen Ventilsitz 12 in den ersten Abschnitt 1.1 der Mischkammer 1. Die Druckluft umströmt den tellerförmigen Abschnitt 11 des Ventilschließelements 9 und wird über konische verlaufende Seitenwände des ersten Abschnitts 1.1 der Mischkammer 1 dem zweiten Abschnitt 1.2 der Mischkammer 1 zugeführt. Durch die konisch verlaufenden Seitenwände des ersten Abschnitts 1.1 wird der Strömungsquerschnitt der Mischkammer 1 reduziert, so dass die Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft zunimmt. Die Druckluft tritt somit mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit in den zweiten Abschnitt 1.2 der Mischkammer 1 ein. Dort trifft der Druckluftstrom auf den Reduktionsmittelstrom, der im Bereich des zweiten Abschnitts 1.2 über den Einlass 2 in die Mischkammer 1 eingebracht wird. Zur Bestimmung der Menge des Reduktionsmittels ist die Mischkammer 1 über ein Zumessventil 15 mit einer Reduktionsmittelleitung 16 verbindbar.
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Die im zweiten Abschnitt 1.2 der Mischkammer 1 aufeinander treffenden Ströme werden dann über einen dritten Abschnitt 1.3 als Luft-/Reduktionsmittelgemisch dem Auslass 4 zugeführt. Der dritte Abschnitt 1.3 weist einen an den zweiten Abschnitt 1.2 anschließenden konischen Verlauf auf, der eine deutliche Verringerung des Strömungsquerschnitts und damit eine erneute Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt. Auf diese Weise wird eine optimale Gemischaufbereitung erzielt. Über den Ausgang 4 gelangt das Gemisch zu einer Düse 14, deren Aufgabe es ist, das Gemisch in den Abgasstrang einzudüsen.
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Die in der 3 dargestellte alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dosiermoduls unterscheidet sich von der der 1 und 2 im Wesentlichen durch die konkrete Ausgestaltung des Ventils 5. Dieses ist wiederum als Rückschlagventil ausgeführt und besitzt einen Ventilkörper 8 sowie ein axial verschiebbar im Ventilkörper 8 aufgenommenes Ventilschließelement 9 mit einem bolzenförmigen Abschnitt und einem tellerförmigen Abschnitt 11, wobei der tellerförmige Abschnitt 11 mit einem Ventilsitz 12 zusammenwirkt. Der bolzenförmige Abschnitt des Ventilschließelements 9 bildet einen Führungsbereich aus, der mit einem Führungsbereich 7 des Ventilkörpers 8 zusammenwirkt. Um die Zuführung von Druckluft über den Führungsbereich 7 zu ermöglichen, sind in der Wandung des Führungsbereichs 7 sechs axial verlaufende Nuten 10 in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet. Die Bereiche zwischen den Nuten 10 dienen der Führung des Ventilschließelementes 9, während die Nuten 10 Strömungskanäle ausbilden (siehe 4). Auf diese Weise wird die Druckluft gleichmäßig in die Mischkammer 1 eingebracht.
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In der 5 ist eine bevorzugte Anordnung bzw. Ausrichtung des Einlasses 2 für das Reduktionsmittel in Bezug auf den Querschnitt der Mischkammer 1 dargestellt. Die dargestellte Anordnung ist sowohl mit der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 als auch mit der der 3 und 4 kombinierbar.
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Wie der 5 zu entnehmen ist, ist der Einlass 2 tangential in Bezug auf den Querschnitt der Mischkammer 1 ausgerichtet, so dass das Reduktionsmittel außermittig in die Mischkammer 1 eingebracht wird. Die außermittige Einbringung sowie der kreisrunde Querschnitt der Mischkammer 1 tragen dazu bei, dass das Reduktionsmittel stark verwirbelt wird. Zugleich wird das Reduktionsmittel von der quer zur Strömungsrichtung des Reduktionsmittels auftreffenden Druckluft in Richtung des Auslasses 4 mitgerissen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3514287 A1 [0003]
- DE 102006037123 [0004]
- EP 1242167 [0004]
