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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung von Flüssigkeit, zum Beispiel Brennstoff oder wässrige Harnstofflösung, in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors. Solche beispielhaften Vorrichtungen dienen zur Reinigung eines Partikelfilters oder zur katalytischen Umwandlung von Stickoxiden in unschädliche Reaktionsprodukte. Ferner können solche Vorrichtungen vorteilhafterweise in Systemen mit katalytisch beschichteten Partikelfiltern oder in Systemen mit Bauteilen, die Oxide absorbieren (wie zum Beispiel Lean Nox Trap (LNP)), zum Einsatz kommen.
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Es sind vielfältige Vorrichtungen zur Einspritzung von Flüssigkeiten in den Abgasstrang von Verbrennungsmotoren aus der Praxis bekannt oder beschrieben. Allen bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, dass sie recht aufwändig aufgebaut sind. Es sind daher weitere Entwicklungsarbeiten vor allem zur Vereinfachung dieser Vorrichtungen notwendig und auch tatsächlich zu beobachten.
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EP 1 111 211 B1 beschreibt eine Abgasreinigungsanlage einer mit Luftüberschuss arbeitenden Brennkraftmaschine, die den komprimierten Luftstrom der Verdichterseite eines Abgasturboladers in vorteilhafter Weise zur Einspritzung nutzt. Allerdings ist die Steuerung sehr aufwändig ausgeführt.
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DE 10 2011 014 077 B3 beschreibt eine Dosiereinrichtung und ein Verfahren zu ihrem Betrieb, wobei in vorteilhafter Weise eine ohnehin anfallende Wärmeleistung zur Aufheizung des einzubringenden Flüssigkeitsstroms genutzt wird, was die Anlage insgesamt vereinfacht.
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DE 11 2005 000 759 B4 beschreibt eine Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors, die einen Reduziermittelsprüher zum Sprühen eines Reduziermittels zu einem NOx-reduzierenden Katalysator unter Verwendung eines Überladungsdruckes auf einer Überladerseite eines Turboladers variabler Geometrie aufweist. Hier wird der zum Zerstäuben genutzte Überladungsdruck durch einen mit einer Steuereinheit verbundenen Öffnungsgradregler angepasst.
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DE 10 2009 016 810 A1 beschreibt ein Reduktionsmitteldosiersystem sowie ein Verfahren zur Steuerung der Eindüsung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom. Dabei wird zumindest ein Teil der Druckluft einem Lader des Verbrennungsmotors entnommen, wobei die Druckluftversorgung eine elektrische Luftpumpe zur Erzeugung von Druckluft und parallel zur Luftpumpe einen Bypass aufweist, sodass über den Bypass die Ladeluft des Laders die Luftpumpe überströmen kann. Die Verwendung einer zusätzlichen Luftpumpe erhöht dabei die entsprechenden Kosten für das Reduktionsmitteldosiersystem und erhöht unnötig die Komplexität des Systems.
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DE 10 2007 047 885 A1 beschreibt eine Reduktionsmitteldruckförderpumpe, die im Betrieb ein Reduktionsmittel wie eine wässrige Harnstofflösung oder dergleichen innen durchlässt und druckfördert, während sie das Reduktionsmittel auf dem Weg eines Zuführungsrohrs am Gefrieren hindert, indem ein Teil einer elektrischen Energiebeaufschlagungsenergie, die zum Magnetisieren eines Statorkerns an eine Spule angelegt wird, in Wärmeenergie umgewandelt und die Wärme an das durch den Durchflussweg fließende Reduktionsmittel abgegeben wird.
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DE 10 2010 032 269 A1 beschreibt ein Dosiersystem zur Eindüsung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, wobei das Dosiersystem eine Dosierpumpe umfasst, die das Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank fördert und die Dosiepumpe auf einem Komponententräger montiert ist. In den Komponententräger sind mehrere Strömungskanäle integriert, wobei in den Strömungskanälen Sensoren zur Messung von Fluidzustandsgrößen vorhanden sind. Der zur Zerstäubung des Reduktionsmittels nötige Luftdruck wird dabei durch Abzweigung der Ladeluft eines Turboladers bereitgestellt. Für den Fall, dass der Ladedruck nicht ausreicht, ist eine zusätzliche Luftpumpe vorgesehen, die in Abhängigkeit der durch die Sensoren erfassten Druckzustände zugeschaltet werden kann.
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Aus der Praxis der Lastkraftwagen ist eine Vorrichtung zur dosierten Einspritzung von Flüssigkeit in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors bekannt, bei der ein Gemisch aus Flüssigkeit und Luft dadurch hergestellt wird, dass ein Überschuss der für das pneumatische Bremssystems komprimierten Luft abgezweigt und einem Mischer zugeführt wird, wobei dem Mischer auch unter Druck stehende Flüssigkeit zudosiert wird, wobei ein erstes Ventil die unter Druck stehende Flüssigkeit und ein zweites Ventil die Druckluft jeweils sperrt oder freigibt. Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, dass die Flüssigkeit nicht vorgewärmt ist, und dass die Menge an Flüssigkeit nicht an verschiedene Betriebszustände des Verbrennungsmotors koppelbar ist. Weiter ist eine separate Membranpumpe erforderlich, um die Flüssigkeit mit Druck zu beaufschlagen. Wenn das pneumatische Bremssystem nicht einen Mindestdruck erreicht hat, steht die Druckluft gar nicht zur Verfügung – da der Kompressor für die Druckluft von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, folgt hieraus eine unzureichende Einspritzung in der ersten Phase des Motorbetriebs.
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Trotz dieser Fortschritte sind die ausgeführten und beschriebenen Einrichtungen immer noch sehr aufwändig ausgeführt, was vor allem durch die Steuerung der Stoffströme bedingt ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur dosierten Einspritzung von Flüssigkeit in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors anzugeben, die einen einfachen Aufbau, günstige Zerstäubung der Flüssigkeit sowie günstige Steuerbarkeit ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur dosierten Einspritzung von Flüssigkeit in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors vorgesehen, die in bekannter Weise einen Tank mit einer Befülleinrichtung und eine über eine Entnahmestelle am Tank und/oder über eine Leitung angeschlossene Fördereinrichtung enthält. In alternativen beispielhaften Ausführungsformen werden als Entnahmestellen eine Rücklaufleitung oder ein Anschluss an einem Filtergehäuse vorgesehen. Die Fördereinrichtung fördert hierbei die Flüssigkeit in mindestens eine Zerstäubungseinrichtung, wobei der Fördereinrichtung eine elektrische Steuerung zugeordnet ist, die die Leistung der Fördereinrichtung einstellen kann. Die Fördereinrichtung ist als dosierende Hubkolbenpumpe ausgebildet, so dass gesonderte Dosiermittel nicht erforderlich sind, und überdies die Steuerung nicht nur den Betrieb der Hubkolbenpumpe steuert, sondern auch den Förderstrom der Hubkolbenpumpe und hierdurch auch die Menge an ausgestoßener Flüssigkeit. Eine Verdichteranordnung, die hinsichtlich ihres Luftmassenstroms verstellbar ist, ist über eine Luftleitung auslassseitig stromabwärts mit der Zerstäubungseinrichtung verbunden, so dass in der Zerstäubungseinrichtung Zuläufe für die Flüssigkeit und für Luft münden, die dort zu einem Spray zerstäubt werden, wobei die zerstäubte Flüssigkeit als Spray in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors dosiert wird. Durch die Verstellbarkeit des Luftmassenstroms der Verdichteranordnung ist vorteilhaft sichergestellt, dass der Luftmassenstrom auf die geförderte Menge an Flüssigkeit abgestimmt werden kann. Hierbei kann das Verhältnis von Luftmassenstrom und Flüssigkeitsstrom fest oder variabel in Abhängigkeit von der Last des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Durch das Vorsehen einer Hubkolbenpumpe wird vorteilhaft weiter erreicht, dass genau dosierte Flüssigkeit auch durch die Betriebstemperatur der Hubkolbenpumpe vorgewärmt wird. Hierbei ist auch die Verdichteranordnung durch ein elektrisches Signal hinsichtlich des Luftmassenstroms verstellbar, wodurch auch der Luftmassenstrom durch die elektrische Steuerung eingestellt werden kann. Weiter ergibt sich die Lufttemperatur aus der Kompressionswärme der Verdichteranordnung, so dass eine Verstellung der Lufttemperatur abhängig von dem Massenstrom der Luft erfolgen kann.
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Hierbei ist die Fördereinrichtung als eine dosierende, elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe ausgebildet, deren Förderstrom von der elektrischen Steuerung verstellbar ist. Die Verdichteranordnung ist über eine einstellbare Drossel, die eine Verstellung des Luftmassenstroms ermöglicht, mit der Zerstäubungseinrichtung verbunden. Bei dieser Ausgestaltung steuert die elektrische Steuerung zweckmäßig die Öffnung der Drossel, die beispielsweise in der Luftleitung vorgesehen ist. Zusätzlich kann der Luftmassenstrom in jedem Fall durch die verstellbare Drossel zwischen der Verdichteranordnung und der Zerstäubungseinrichtung beeinflusst werden.
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Der Tank und die Leitung zur Fördereinrichtung sind vorzugsweise beheizbar ausgeführt. Wenn ein Einfrieren der Flüssigkeit nicht erfolgen kann oder keine Schäden verursacht, kann auf die Heizung des Tanks und die Beheizbarkeit der Leitung verzichtet werden. Die Entnahmestelle am Tank ist vorzugsweise mit einem Filter und einem Füllstandssensor versehen.
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Der Förderstrom der dosierenden, elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe ist durch die Frequenz eines pulsierenden elektrischen Stroms verstellbar. Dies gestattet eine sehr einfache Einstellung des Förderstroms der Flüssigkeit durch die elektrische Steuerung, und die Einstellung ist auch besonders genau, solange die Frequenz der Strompulse im zulässigen Frequenzbereich bleibt, der zum Beispiel zwischen 0,1 und 60 Hz liegen kann. Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen sind kostengünstig und dosieren Flüssigkeiten recht genau, so dass das Fördern und das Bemessen der Flüssigkeit in derselben Baueinheit möglich ist. Weiterhin wird keine unter Druck stehende Zuleitung benötigt, da die Hubkolbenpumpe durch einen Unterdruck an ihrer Saugseite auch drucklose Flüssigkeiten fördert.
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Die Fördereinrichtung für die Flüssigkeit ist zweckmäßig als durchströmte Hubkolbenpumpe ausgeführt. Diese Bauart mit hermetischer Abdichtung der Flüssigkeit vermeidet eine aufwendige und unsichere Kolbenstangendichtung oder eine Membran. Weiterer Vorteil der durchströmten Hubkolbenpumpe ist, dass die in der Magnetspule anfallende Wärme aus den elektrischen und den magnetischen Leistungsverlusten an die geförderte Flüssigkeit abgegeben wird. Überdies saugt der einen magnetischen Aktor enthaltende Förderkolben auch durch einen Unterdruck in seiner entsprechenden Saugseite Flüssigkeit an, so dass der Tank und die Entnahmestelle vorteilhaft drucklos sein können, was den Aufbau des Tanks erheblich vereinfacht.
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Durch die Verwendung der elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe einerseits und der verstellbaren Verdichteranordnung andererseits ergibt sich eine recht einfache Steuerung der Anlage, die den Gesamtmassenstrom, das Mischungsverhältnis von Flüssigkeit und Luft und die Lufttemperatur in sinnvollen Grenzen des Betriebsbereichs des Verbrennungsmotors einstellen kann.
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Um Rückströmungen in den Tank oder den Abgasturbolader zu verhindern, können in den Leitungen zu der Zerstäubungseinrichtung Rückschlagventile vorgesehen sein.
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Die Zerstäubungseinrichtung enthält vorzugsweise eine Mehrstoffdüse und ist entweder im Abgasrohr des Verbrennungsmotors oder in unmittelbarer Nähe der Verdichteranordnung angeordnet. Die Anordnung soll die Wärme des Abgases oder die Verdichtungswärme der Verdichteranordnung nutzen, um einen möglichst großen Teil der Flüssigkeit in der Mehrstoffdüse zu zerstäuben, vorzuwärmen oder unmittelbar dahinter verdampfen zu lassen. Es ist möglich, dass Mehrstoffdüse mit der Hubkolbenpumpe eine Baueinheit bildet, wodurch insbesondere Temperatur- und Druckverluste in der der Hubkolbenpumpe nachgelagerten Leitung vermeiden werden. Vorzugsweise ist die Mehrstoffdüse aus denselben Gründen auch nahe der beispielsweise als Abgasturbolader oder Verdichter ausgebildeten Verdichteranordnung angeordnet. Die Zerstäubungseinrichtung kann auch eine der Einspritzung vorgeschaltete gesonderte Mischkammer für Luft und Flüssigkeit aufweisen.
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Die Verdichteranordnung kann in verschiedenen Ausführungen verkörpert sein, wobei der Luftmassenstrom von der Steuerung vorteilhaft einstellbar ist, vorzugsweise ist die Steuerung direkt mit der Verdichteranordnung verbunden.
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Gemäß einem besonders kostengünstigen Aspekt ist die Verdichteranordnung Teil einer Luftversorgung des Verbrennungsmotors, so dass keine gesonderte Verdichteranordnung für die Vorrichtung vorgesehen werden muss, sondern auf ein bestehendes Teil für die Einspritzung von Flüssigkeit in den Abgasstrang zugegriffen wird. Allenfalls ist ein weiterer Auslass für den der Zerstäubereinrichtung zuzuführenden Luftmassenstrom vorzusehen.
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In einer ersten bevorzugten Weiterbildung enthält die Verdichteranordnung einen Abgasturbolader. Der Abgasturbolader ist vorzugsweise hinsichtlich seiner Förderleistung durch einen auf die Turbine des Abgasturboladers wirkenden Aktor, insbesondere einen elektromechanischen, pneumatischen oder elektropneumatischen Aktor, einstellbar. Der Aktor ist dann mit der Steuerung verbunden. Hierbei ist mindestens ein verstellbarer Verdichter für die Luft der Verdichterteil eines Abgasturboladers, wobei die Verstellung der Förderleistung auf der Seite der Abgasturbine erfolgt, entweder durch verstellbare Leitschaufeln oder durch eine verstellbare Klappe zur Umgehung der Turbine. Der Aktor ist dann für die Verstellung der Leitschaufeln der Abgasturbine oder für die Umgehung der Turbine ansteuerbar.
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Der Luftmassenstrom lässt sich auch durch den Einsatz von einer Mehrzahl von Verdichtern beeinflussen, von denen mindestens einer abschaltbar ist oder von denen mindestens einer verstellbar ist. Bei der Verwendung einer solchen Kombination von Verdichtern kann auch mindestens einer davon ein mechanisch von dem Verbrennungsmotor angetriebener Verdichter sein, solange nur eine Verstellbarkeit der Gesamtleistung durch mindestens einen elektromechanischen, pneumatischen oder elektropneumatischen Aktor oder mindestens einen drehzahlvariablen Elektromotor gegeben ist.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Verdichteranordnung aus einer Mehrzahl von Verdichtern besteht, von denen mindestens einer ein Teil eines Abgasturboladers ist, der mittels eines elektromechanischen, pneumatischen oder elektropneumatischen Aktors abschaltbar oder hinsichtlich seiner Förderleistung durch einen auf eine Turbine des Abgasturbolader wirkenden elektromechanischen Aktor einstellbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird mindestens ein Verdichter mit einer gesteuerten variablen Drehzahl angetrieben. Hier erfolgt die Verstellung der Förderleistung durch die Einstellung der Drehzahl vorzugsweise eines Elektromotors über eine Änderung der Versorgungsspannung oder bei einem bürstenlosen Synchronmotor über eine Änderung der Ansteuerfrequenz. In beiden Fällen kann die elektrische Steuerung die Drehzahl des Verdichters und damit den Luftmassenstrom und abhängig davon die Lufttemperatur beeinflussen. Vorzugsweise ist dann vorgesehen, dass die Verdichteranordnung mindestens einen Verdichter enthält, der von einem Elektromotor mit einer gesteuerten variablen Drehzahl angetrieben wird.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Verdichteranordnung mindestens einen mechanisch von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Verdichter enthält, wobei der mindestens eine Verdichter mittels eines elektromechanischen, pneumatischen oder elektropneumatischen Aktors abschaltbar oder hinsichtlich seiner Leistung mittels eines Aktors oder mittels eines drehzahlvariablen Antriebs steuerbar ist.
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Die Einstellbarkeit der Frequenz der Hubkolbenpumpe, die Verstellbarkeit der Verdichteranordnung und/oder die Verstellbarkeit der Drossel dienen vorzugsweise der Anpassung der Einspritzmenge an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors, und alle werden von einer elektrischen Steuerung vorgenommen, der Signale über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors einschließlich seiner Abgasanlage vorliegen. Der Betriebszustand wird vorrangig durch Signale der Motordrehzahl, der Last und der Kühlmitteltemperatur beschrieben, gegebenenfalls wird auch mindestens eine Abgastemperatur oder -zusammensetzung oder -druck ausgewertet. Ebenso dient der Zustand des Abgasstromes als Informationsquelle der Steuerung, indem die chemische Zusammensetzung (z. B. der NOx-Gehalt), die physikalische Zusammensetzung (z. B. die Partikelanzahl, -größe und -verteilung) bzw. der thermodynamische Zustand (z. B. Temperatur, Druck) erfasst und ausgewertet wird.
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Alternativ zur Anpassung an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors stellt die elektrische Steuerung die Verdichteranordnung und den Förderstrom der Hubkolbenpumpe und/oder die verstellbare Drossel so ein, dass der Gasstrom von der Verdichteranordnung zu der Zerstäubungseinrichtung einen genügend großen Massenstrom aufweist, um einen möglichst großen Teil des von der Hubkolbenpumpe geförderten Flüssigkeit in der Mehrstoffdüse zu zerstäuben oder am Austritt der Mehrstoffdüse zu zerstäuben, vorzuwärmen oder verdampfen zu lassen.
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Zweckmäßig ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Sicherheitseinrichtungen zur Abwendung von Rückströmungen in das Leitungssystem, den Tank oder die beispielsweise als Abgasturbolader ausgebildete Verdichteranordnung enthält, die aus Rückschlagventilen bestehen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Tank eine innenliegende Heizung enthält und/oder dass die Leitung beheizbar ist. Weiter ist zweckmäßig vorgesehen, dass die Entnahmestelle am Tank mit einem Filter und/oder einem Füllstandsensor versehen ist.
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Es wird ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung zur dosierten Einspritzung von Flüssigkeit in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angegeben, umfassend einen Tank mit einer Befülleinrichtung, eine Fördereinrichtung für die Flüssigkeit, die mit dem Tank verbunden ist; und eine hinsichtlich ihres Luftmassenstroms verstellbare Verdichteranordnung, wobei der von der Verdichteranordnung abgelieferte Luftmassenstrom und die von der Fördereinrichtung abgelieferte Flüssigkeit einer Zerstäubungseinrichtung zugeführt werden, in der die in den Abgasstrang einzuleitende Flüssigkeit zerstäubt wird. Das Verfahren zeichnet sich weiter dadurch aus, dass der Fördereinrichtung und der Verdichteranordnung eine elektrische Steuereinrichtung zugeordnet ist. Der elektrischen Steuereinrichtung wird zumindest ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend die Drehzahl des Verbrennungsmotors, die Belastung des Verbrennungsmotors, die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors, einen Zustand des Abgasstroms des Verbrennungsmotors und last- oder drehzahlabhängige Größen des Verbrennungsmotors, zugeführt. Die elektrische Steuereinrichtung steuert die Verdichteranordnung und/oder die Hubkolbenpumpe dann so, dass die einzubringende Flüssigkeit in einer ausreichenden Menge pro Zeiteinheit in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingebracht wird.
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Zweckmäßigerweise ist erfolgt das Verfahren dabei so, dass die elektrische Steuereinrichtung die Verdichteranordnung sowie die Hubkolbenpumpe so steuert, dass ein möglichst großer Teil der von der Fördereinrichtung geförderten Flüssigkeit in einer Mehrstoffdüse zerstäubt, vorgewärmt wird oder am Austritt der Mehrstoffdüse verdampft. Damit wird eine günstige Tröpfchenverteilung erzielt, so dass die wirksame Oberfläche der Flüssigkeit maximiert wird.
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Vorzugsweise ist die Fördereinrichtung als – vorzugsweise elektromagnetische – Hubkolbenpumpe ausgebildet, wobei die elektrische Steuereinrichtung die Förderleistung der Hubkolbenpumpe durch Steuerung der Frequenz eines pulsierenden elektrischen Stroms verstellt.
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In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Steuerung der Verdichteranordnung und/der der Drossel in definierten Bereichen des Motorkennfelds durch die elektrische Steuerung so, dass die Temperatur des Gasstroms immer höher ist als die Temperatur der umgebenden Atmosphäre.
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In einer alternativen Ausführung erfolgt die Steuerung der Verdichteranoednung und/oder der Drossel durch die elektrische Steuerung so, dass die Temperatur des Gasstroms immer höher ist als 50°C.
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In einer weiteren alternativen Ausführung erfolgt die Steuerung der Verdichteranordnung und/oder der Drossel durch die elektrische Steuerung so, dass der Druck eines die einzubringende Flüssigkeit enthaltenden Gasstroms immer mindestens um 0,1 bar höher ist als der Abgasgegendruck an der Zerstäubungsstelle. Hierdurch wird vorteilhaft sichergestellt, dass die zerstäubte Flüssigkeit zumindest nahezu vollständig in den Abgasstrang eingetragen wird und dort wirksam wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Verdichteranordnung eine verstellbare Drossel nachgeordnet ist, und dass die elektrische Steuereinrichtung einen Luftmassenstrom von der Verdichteranordnung zu einer von der Fördereinrichtung mit Flüssigkeit versorgten Zerstäubungseinrichtung derart steuert, dass die Beladung eines die Flüssigkeit enthaltenden Gasstroms mit Flüssigkeit zwischen einem unteren Schwellenwert und einem oberen Schwellenwert liegt. Hierdurch wird vorteilhaft eine Anpassung an Lastzustände des Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Sensor der elektrischen Steuereinrichtung einen der Einspritzung der Flüssigkeit nachgelagerten Messwert für eine Stickoxid-Konzentration in dem Abgasstrang liefert, und dass die Menge an eingespritzter Flüssigkeit von der elektrischen Steuereinrichtung derart geregelt wird, dass die Stickoxid-Konzentration minimal wird. Hierdurch wird erreicht, dass bei einer dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Stickoxid-Elimination der Reinigungsgrad des Abgases maximiert wird, wobei der Einsatz an Flüssigkeit minimal gehalten wird. Zweckmäßig erfolgt die Regelung derart, dass die Zugabe an Flüssigkeit so lange verringert wird, wie der abgelieferte Messwert für eine Stickoxid-Konzentration in dem Abgasstrang einen Schwellenwert, der auch Null sein kann, nicht übersteigt.
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Zweckmäßig ist die Verdichteranordnung Teil eines Luftversorgungssystems des Verbrennungsmotors. Durch die Maßnahme, dieses an sich der Abgasseite des Verbrennungsmotors fremde Element in die Vorrichtung und in das Verfahren einzugliedern wird vorteilhaft Redundanz von Teilen vermieden und eine sehr kostengünstige Lösung erreicht.
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Weiter ist vorteilhaft vorgesehen, dass der elektrische Steuereinrichtung Last- und Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors zugeführt werden, und dass die elektrische Steuereinrichtung den Förderstrom der Fördereinrichtung und den abgelieferten Luftmassenstrom der Verdichteranordnung in Abhängigkeit zumindest der Last- und Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors einstellt. Hierbei ist das Mischungsverhältnis von Luft und Flüssigkeit nicht konstant.
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Man erkennt, dass das Verfahren zur dosierten Einspritzung von Flüssigkeit in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors somit auch Teil eines Verfahrens zum Steuern der Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors ist.
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Die von der Hubkolbenpumpe geförderte Flüssigkeit kann ein Kraftstoff, ein Kraftstoffgemisch, Wasser, eine wässrige Lösung eines Reaktionsmittels oder ein Reaktionsmittel sein.
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Die geschilderten Arbeitsweisen der elektrischen Steuerung, nämlich die Anpassung an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors einerseits und die Anpassung an die Zerstäubungsbedingungen der Flüssigkeit lassen sich auch in vorteilhafter Weise verbinden, indem zum Beispiel für einen Bereich der möglichen Betriebszustände die Anpassung an den Betriebszustand Vorrang erhält und für einen anderen Bereich der möglichen Betriebszustände die Anpassung an die Zerstäubungsbedingungen Vorrang erhält. Diese Anpassungen und Vorrangerteilungen erfolgen in der elektrischen Steuerung, vorzugsweise durch ein Programm in einem speicherprogrammierbaren Mikrokontroller.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind beispielsweise für Verbrennungsmotoren mit SCR-Abgasreinigungsanlagen einsetzbar, lassen sich aber in anderen motornahen Anlagen einsetzen, zum Beispiel Dieselpartikelfilter und Vorrichtungen zu deren Regeneration, sowie oxidabsorbierende Vorrichtungen (wie LNT) und Kombinationen aus den genannten Anlagen.
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Weitere Vorteile, Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ausführung mit einem Abgasturbolader
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ausführung mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung zur dosierten Einspritzung von Flüssigkeit in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors enthält einen Tank 1 mit einer Befülleinrichtung 2 und vorzugsweise einer innenliegende Heizung 3 und ist über eine Entnahmestelle 4 am Tank 1, die mit einem Filter 5 und einem Füllstandssensor 6 versehen ist, und vorzugsweise über eine beheizbare Leitung 7 mit einer Fördereinrichtung 9 verbunden.
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Die Fördereinrichtung ist eine dosierende elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe 9, deren Förderstrom durch die Frequenz eines pulsierenden elektrischen Stroms einstellbar vorgegeben ist. Die Hubkolbenpumpe 9 wird von der Flüssigkeit durchströmt und benötigt keine nach außen abdichtende dynamische Dichtung.
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Die Hubkolbenpumpe 9 fördert die Flüssigkeit in eine Zerstäubungseinrichtung 10, die über eine Luftleitung 11 und vorteilhafterweise eine verstellbare Drossel 26 mit dem Auslass 12 für das komprimierte Gas einer verstellbaren Verdichteranordnung verbunden ist. Die Zerstäubungseinrichtung (10) enthält hierbei eine Mehrstoffdüse 16 zur Vermischung von Flüssigkeit und Luft. Um Rückströmungen in den Tank 1 oder den Abgasturbolader 13 zu verhindern, sind ein Rückschlagventil 18 in der Leitung 7 zur Hubkolbenpumpe 9 bzw. ein Rückschlagventil 19 in der Luftleitung 11 vorgesehen.
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Eine voliegend als Abgasturbolader 13 ausgebildete Luftverdichteranordnung ist gemäß 1 hinsichtlich seiner Förderleistung durch einen elektromechanischen Aktor 14 einstellbar. Dieser Aktor 14 verstellt in bekannter Weise die Leitschaufeln der Turbine oder eine Umgehungsklappe für das Abgas; eine solche Klappe wird auch als „Wastegate” bezeichnet. Man erkennt, dass die Luftverdichteranordnung Teil der Luftversorgung der Einspritzanlage des Verbrennungsmotors M ist. Hierzu führt eine weitere Luftleitung von der Luftseite des Abgasturboladers 13 über einen Wärmetauscher HE zu dem Verbrennungsmotor M. Das Abgas des Verbrennungsmotors M wird zumindest teilweise der Abgasseite des Turboladers 13 zugeführt und treibt so den Turbolader an, wobei der Aktor 14 die Verdichtungsleistung des Turboladers 14 steuert.
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Die Einstellbarkeit der Frequenz der Hubkolbenpumpe 9, die Verstellbarkeit der vorliegend als Abgasturbolader 13 ausgebildeten Luftverdichteranordnung und die Verstellbarkeit der Drossel 26 dienen vor allem der Anpassung der Einspritzmenge an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors, und werden von einer als elektrischen Steuerung 15 ausgebildeten Steuereinrichtung vorgenommen, der Signale über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors und gegebenenfalls der Abgasanlage vorliegen bzw. zugeführt werden.
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Die elektrische Steuerung 15 stellt in einer vorteilhaften Arbeitsweise den Abgasturbolader 13 und den Förderstrom der Hubkolbenpumpe 9 so ein, dass der Gasstrom vom Abgasturbolader zu der Zerstäubungseinrichtung 10 einen genügend großen Gasmassenstrom aufweist, der einen möglichst großen Teil der von der Hubkolbenpumpe 9 geförderten Flüssigkeit in der Mehrstoffdüse 16 zerstäubt, in oder vor der Düse 16 vorwärmt oder am Austritt der Mehrstoffdüse 16 verdampfen lässt.
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Die Mehrstoffdüse 16 ist an einem Abgasrohr 22 des Verbrennungsmotors M angeordnet, und sprüht die von der Hubkolbenpumpe geförderte Flüssigkeit in das Abgasrohr 22 ein. Alternativ kann die Mehrstoffdüse 1) mit der Hubkolbenpumpe 9 eine Baueinheit bilden und ist dann zweckmäßig nahe des Abgasturboladers 13 oder des Verdichters 20 angeordnet, zweckmäßig ausreichend nahe, um die Kompressionswärme des beteiligten Verdichters 13 für die Verdampfung der Flüssigkeit nahezu vollständig zu nutzen.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird die mit dem Gasstrom aus dem verstellbaren Verdichter 13 vermischte Flüssigkeit stromaufwärts einer Baueinheit zur Verarbeitung des Abgasstroms in den Abgasstrang 22 eingebracht. Die Baueinheit ist vorzugsweise ein Katalysator, ein Partikelfilter oder ein mit einer Katalytbeschichtung versehener Filter.
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Alternativ zur Anzapfung eines Abgasturboladers wird die erforderliche Luft bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 einem Verdichter 20 entnommen, der durch einen Elektromotor 21 mit variabler Drehzahl angetrieben wird und daher eine steuerbare Förderleistung aufweist. Dieselben Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bezeichnen dieselben bzw. strukturell vergleichbare Teile.
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Dabei stellt die elektrische Steuerung 15 den elektromotorisch angetriebenen Verdichter 20 und den Förderstrom der Hubkolbenpumpe 9 so ein, dass der Gasstrom vom Verdichter 20 zu der Zerstäubungseinrichtung 10 einen genügend großen Massenstrom aufweist, damit ein möglichst großer Teil des von der Hubkolbenpumpe 9 geförderten Flüssigkeit in der Mehrstoffdüse 16 zerstäubt, in oder vor der Düse vorgewärmt wird oder am Austritt der Mehrstoffdüse 16 verdampft. Am Abgasrohr 22 sind ein Temperatursensor 23, ein Stickoxid-Sensor (NOx-Sensor) 24 und ein Drucksensor 25 angeordnet, deren Messwerte ebenfalls an die Steuerung 15 abgegeben werden.
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Jede Ausführung der beschriebenen Verdichteranordnungen 13, 20 kann vorteilhafterweise mit einer verstellbaren Drossel 26 verbunden werden, damit der Luftmassenstrom auch unabhängig von der Einstellung des verstellbaren Verdichters durch die elektrische Steuerung 15 verstellt werden kann. In einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung steuert die elektrische Steuerung 15 die Verdichteranordnung sowie die Hubkolbenpumpe 9 so, dass in Abhängigkeit von der Belastung des Verbrennungsmotors die Flüssigkeit in der geeigneten Menge pro Zeiteinheit in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingebracht wird und dass ein möglichst großer Teil der von der Hubkolbenpumpe 9 geförderten Flüssigkeit in der Mehrstoffdüse 16 zerstäubt oder vorgewärmt wird oder am Austritt der Mehrstoffdüse 16 verdampft. Dabei können unterschiedliche Betriebsbereiche unterschieden werden, in denen der Vorrang der Anpassung an den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors M oder an die Verdampfung der Flüssigkeit gegeben wird. Diese Anpassungen und Vorrangerteilungen erfolgen in der elektrischen Steuerung 15, vorzugsweise durch das Programm in einem speicherprogrammierbaren Mikrokontroller. Dabei wird der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors mindestens durch die Drehzahl, die Last und die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors oder mindestens einer Abgastemperatur mittels geeigneter Signale an die elektrische Steuerung gemeldet.
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Die Erfindung funktioniert nun wie folgt: In Steuerung 15 sind als Tabellen Kennfelder von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors gespeichert, die wo erforderlich weiter unterschieden sind nach weiteren Parametern wie Motortemperatur, Umgebungstemperatur, Lastzustand und andere mehr. Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors ermittelt die Steuerung die dem Abgasstrang 22 zuzusetzenden Flüssigkeitsmenge und den für eine effektive Zerstäubung erforderlichen Luftmassenstrom, und steuert die Verdichteranordnung 13, 20 über den Aktor 14 bzw. den Elektromotor 21, ggfs. die Drossel 26 sowie die Hubkolbenpumpe 9 entsprechend. Ergibt das Signal eines der Sensoren, dass die Umsetzung von Stickoxid-Verbindungen in dem Abgasrohr 22 nicht vollständig erfolgt, wird die Menge als zudosierter Flüssigkeit erhöht, wobei der Luftmassenstrom stets so von der Steuerung 15 eingestellt wird, dass ein Spray mit maximaler Oberfläche der Flüssigkeit in den Abgasstrang 22 eingebracht wird. Ferner wird der Luftmassenstrom von der Steuerung 15 so eingestellt, dass der Druck des quasi gasförmigen eingeleiteten Luft-Flüssigkeits-Gemischs um etwa 0,1 bar größer ist als ein Innendruck in dem Abgasstrang 22, so dass die Flüssigkeit vollständig eingetragen wird und sich gleichmäßig verteilt. Der Druck des Luft-Flüssigkeits-Gemischs übersteigt dabei vorzugsweise nicht 4 bar und beträgt typischerweise nicht mehr als 2 bar.
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Die Erfindung ist vorstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert worden, bei denen verstellbare Drosseln 26 den Verdichteranordnungen 13, 20 nachgelagert sind. Es versteht sich, dass auch nicht verstellbare Drosseln in der Luftleitung 11 angeordnet sein können.
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Die Erfindung ist vorstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert worden, bei denen die Steuerung 15 als gesonderte Steuerung dargestellt ist. Es versteht sich, dass die Steuerung 15 auch in eine Motorsteuerung eingegliedert sein kann, beispielsweise durch eine entsprechende Software-Applikation.
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Die Erfindung ist vorstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert worden, bei denen die Steuerung 15 mit bestimmten verstellbaren Einheiten 9, 14, 21, 26 verbunden ist. es versteht sich, dass die Steuerung mit weiteren verstellbaren Einheiten verbunden sein kann, beispielsweise mit einer einstellbaren Mehrstoffdüse. Ferner können diverse Sensoren wie der Füllstandssensor 6, der Temperatursensor 23, der Stickoxid-Sensor 24 oder der Drucksensor 25 Messwerte an die Steuerung 15 liefern, die auf Grund dieser Messwerte die verstellbaren Einheiten steuert. Ferner können Betriebsparameter des Verbrennungsmotors der Steuerung 15 zugeführt werden, auch solche, die zeitlich der Abgassituation vorauseilen, so dass der Eintrag von Flüssigkeit in den Abgasstrang in Reaktion hierauf gesteuert werden kann. Wird beispielsweise die Zufuhr von Kraftstoff zum Verbrennungsmotor durch die Motorsteuerung erhöht, um den Verbrennungsmotor zu beschleunigen, kann die Steuerung 15 antizipativ die Zugabe von Flüssigkeit erhöhen, um der bevorstehende Zunahme an nicht umgesetzten Stickoxiden zu begegnen.
