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Die Erfindung betrifft ein Reduktionsmitteldosiersystem zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Magnetkolbenpumpe, mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank zur Einleitung in den Abgasstrom gefördert wird, wobei die Magnetkolbenpumpe einen mittels einer oder mehrerer Spulen betätigten Anker aufweist.
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Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion, sogenannte SCR-Katalysatoren (englisch: selective catalyic reduction, abgekürzt: SCR) werden eingesetzt, um die Stickoxydemission von Dieselmotoren, Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Industrieanlagen und dergleichen zu vermindern. Hierzu wird ein Reduktionsmittel in das Abgassystem mit einer Dosiervorrichtung eingedüst. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak oder eine Ammoniaklösung oder ein anderes Reduktionsmittel.
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Da das Mitführen von Ammoniak in Fahrzeugen sicherheitskritisch ist, wird Harnstoff in wässriger Lösung mit üblicherweise 32,5% Harnstoffanteil insbesondere gemäß DIN 70070 eingesetzt. Im Abgas zersetzt sich der Harnstoff bei Temperaturen oberhalb von 150°Celsius in gasförmiges Ammoniak und CO2. Parameter für die Zersetzung des Harnstoffes sind im wesentlichen Zeit (Verdampfungs- und Reaktionszeit), Temperatur und Tröpfchengröße der eingedüsten Harnstofflösung. In diesen SCR-Katalysatoren wird durch selektive katalytische Reduktion (englisch selective catalyic reduction, SCR) der Ausstoß von Stickoxyden um etwa 90% reduziert.
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Bei den bekannten Reduktionsmitteldosiersystemen zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion wird die Reduktionsmittellösung mittels einer Magnetkolbenpumpe zur Düse gefördert. Dabei hat sich gezeigt, dass der Volumenstrom durch den singulären Förderhub des Kolbens starken Schwankungen insbesondere hinsichtlich des Massenstromes und des Drucks unterliegt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Reduktionsmitteldosiersystem der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, dass die Fördereigenschaften verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Reduktionsmitteldosiersystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Besonders vorteilhaft bei dem Reduktionsmitteldosiersystem zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Magnetkolbenpumpe, mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank zur Einleitung in den Abgasstrom gefördert wird, wobei die Magnetkolbenpumpe einen mittels einer oder mehrerer Spulen betätigten Anker aufweist, ist es, dass der Anker an seiner Vorderseite einen ersten Kolben und an seiner Rückseite einen zweiten Kolben aufweist, wobei der erste Kolben in einem ersten Zylinder und der zweite Kolben in einem zweiten Zylinder angeordnet ist.
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Die Begriffe Reduktionsmitteldosiersystem bzw. Dosiersystem werden im Sinne der Erfindung synonym verwendet. Mit dem Begriff der Reduktionsmittellösung oder des Reduktionsmittels ist jedes zur selektiven katalytischen Reduktion geeignete Reduktionsmittel umfasst, vorzugsweise kommt hierzu eine Harnstofflösung gemäß DIN 70070 zum Einsatz. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
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Mit dem Begriff Vorderseite ist die Seite des Ankers gemeint, die dem ersten Zylinder zugewandt ist. Dementsprechend ist mit der Rückseite die Seite des Ankers bezeichnet, die dem zweiten Zylinder zugewandt ist.
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Das erfindungsgemäße Reduktionsmitteldosiersystem weist somit eine Magnetkolbenpumpe mit einem magnetisch betätigten Anker auf, der sowohl auf seiner Vorderseite, als auch auf seiner Rückseite jeweils einen Kolben aufweist, die in jeweils einem Zylinder axial verfahrbar angeordnet sind. Aufgrund der kinematischen Kopplung des Ankers mit zwei Kolben auf dessen Vorder- und Rückseite folgt, dass ein Förderhub des einen Kolbens gleichzeitig einen Saughub des anderen Kolbens darstellt.
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Dabei sind die Bestandteile der Förderpumpe im Sinne der Erfindung wie folgt angeordnet. Sobald der erste Kolben durch die von der/den Spule/n veranlasste Ankerbewegung und damit gleichzeitig Kolbenbewegung den Steuerkanal des ersten Zylinders verschließt, wird Reduktionsmittel aus dem Hubraum des ersten Zylinders zur Düse gefördert. Gleichzeitig wird, sobald der zweite Steuerkanal des zweiten Zylinders geöffnet ist, das Reduktionsmittel in den Hubraum des zweiten Zylinders aus dem Reduktionsmitteltank gesaugt. Sobald der Förderhub des ersten Kolbens und der damit einhergehende Saughub des zweiten Kolbens durch Erreichen des oberen Totpunktes des ersten Kolbens und damit gleichzeitig des unteren Totpunktes des zweiten Kolbens abgeschlossen ist, wird die Bewegungsrichtung des Ankers umgekehrt. Bei der entgegengesetzten Ankerbewegung und Kolbenbewegung wird, sobald der zweite Steuerkanal des zweiten Zylinders geschlossen ist, Reduktionsmittel aus dem Hubraum des zweiten Zylinders zur Düse gefördert. Dabei wird wiederum gleichzeitig, sobald der erste Steuerkanal des ersten Zylinders geöffnet ist, das Reduktionsmittel in den Hubraum des ersten Zylinders aus dem Reduktionsmitteltank gesaugt. Auf diese Weise werden die Fördereigenschaften der Förderpumpe verbessert, da sich in der Summe der beiden Kolben-Zylinderpaarungen eine geglättete Förderkennlinie ergibt und Druckspitzen vermieden werden.
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Mit dem ersten Hubraum ist im Sinne der Erfindung der Hubraum bezeichnet, der im ersten Zylinder angeordnet ist. Dementsprechend ist der zweite Hubraum im zweiten Zylinder angeordnet. In dem ersten Zylinder ist dementsprechend der erste Kolben axial verfahrbar angeordnet und in dem zweiten Zylinder ist dementsprechend der zweite Kolben axial verfahrbar angeordnet.
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Mit dem ersten Steuerkanal ist im Sinne der Erfindung der Steuerkanal bezeichnet, der im ersten Zylinder angeordnet ist. Dementsprechend ist der zweite Steuerkanal im zweiten Zylinder angeordnet. Über den ersten Steuerkanal ist der Hubraum des ersten Zylinders mit einer Saugleitung verbunden und wird somit über den ersten Steuerkanal während eines Ansaugtaktes der ersten Kolben-Zylinderpaarung mit Reduktionsmittel gespeist, sobald der erste Kolben den ersten Steuerkanal freigegeben hat und weiter in Richtung auf den unteren Totpunkt des ersten Kolbens verfahren wird.
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Über den zweiten Steuerkanal ist der Hubraum des zweiten Zylinders mit einer Saugleitung verbunden und wird somit über den zweiten Steuerkanal während eines Ansaugtaktes der zweiten Kolben-Zylinderpaarung mit Reduktionsmittel gespeist, sobald der zweiten Kolben den zweiten Steuerkanal freigegeben hat und weiter in Richtung auf den unteren Totpunkt des zweiten Kolbens verfahren wird.
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Aufgrund der kinematischen Kopplung erfolgt immer gleichzeitig mit der Förderung des einen Kolben-Zylinderpaars ein Ansaugen des anderen Kolben-Zylinderpaars.
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Bei der Förderpumpe handelt es sich um eine Magnetkolbenpumpe. Bei einer Magnetkolbenpumpe sind eine oder mehrere Zylinderspulen, mittels derer ein Magnetfeld erzeugt wird, angeordnet. Der Anker mit den daran angeordneten Kolben bildet eine magnetische Kolbeneinheit. Die Kolbenbewegung der magnetischen Kolbeneinheit wird durch das mittels der Spule/n erzeugte Magnetfeld gesteuert.
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Mit dem Begriff Kolbeneinheit ist dabei im Sinne der Erfindung die Einheit aus dem Anker und den beiden Kolben bezeichnet, die kinematisch miteinander verbunden sind.
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Mit dem Begriff Anker ist dabei der Teil der Kolbeneinheit gemeint, der die magnetische Energie oder einen Teil der magnetischen Energie in Bewegungsenergie der Kolbeneinheit umsetzt. Der Anker kann einen kreisförmigen oder quadratischen, sechs- oder achteckigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere können Abschnitte unterschiedlichen Querschnitts entlang der Achse aufeinander folgen.
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Mit dem Begriff Kolben ist im Sinne der Erfindung der Teil der Kolbeneinheit bezeichnet, der am Anker angeordnet ist und der für das Ansaugen in einen Zylinder und die Förderung des Reduktionsmittels aus dem Zylinder zuständig ist. Der Kolben kann einen kreisförmigen, aber auch quadratischen, sechs- oder achteckigen Querschnitt aufweisen. Ferner kann der Kolben magnetisch ausgeführt sein, sodass auch er einen Teil der magnetischen Energie in Bewegungsenergie umsetzen kann.
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Vorzugsweise sind Anker und Kolben rotationssymmetrisch mit kreisförmigen Querschnitten ausgeführt.
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Mit einer derartigen Dosierpumpe wird einerseits sichergestellt, dass Reduktionsmittel nicht nur während der Vorwärtsbewegung der Kolbeneinheit, sondern auch während der Rückwärtsbewegung gefördert und angesaugt wird. Dadurch wird die Anzahl der Pumpenhübe verdoppelt. Beispielsweise werden mit einer Frequenz von 50 Hz bei einer herkömmlichen Pumpe 50 Hübe pro Sekunde ausgeführt. Bei einem erfindungsgemäßen Reduktionsmitteldosiersystem erfolgen bei der gleichen Frequenz von 50 Hz somit 100 Pumpenhübe pro Sekunde. Auf diese Weise werden Schwankungen des Volumenstroms vermindert. Somit wird eine kontinuierlichere Förderung sichergestellt, wobei Druckspitzen vermieden werden.
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Bei geringerer Dosiermenge und folglich zeitlich größerem Abstand der Pumphübe ist die Rückwärtsbewegung bevorzugt zeitlich in der Mitte zwischen zwei Vorwärtsbewegungen. Somit wird eine gleichmäßigere Förderung von Reduktionsmittel erzielt. Unmittelbar nach der Vorwärtsbewegung wird der Anker in der OT-Position festgehalten, bevor die Feder die Rückwärtsbewegung einleitet.
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Mit dem ersten Hub ist somit die Förderung aus dem ersten Hubraum des ersten Zylinders während eines Förderhubs des ersten Kolbens bezeichnet. Dementsprechend ist mit dem zweiten Hub die Förderung aus dem zweiten Hubraum des zweiten Zylinders während eines Förderhubs des zweiten Kolbens bezeichnet.
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Mit der Vorwärtsbewegung ist im Sinne der Erfindung die Bewegung während eines Förderhubs des ersten Zylinders bezeichnet. Dementsprechend ist die Bewegung während eines Förderhubs des zweiten Zylinders als Rückwärtsbewegung bezeichnet. Es ist klar, dass diese Begrifflichkeit lediglich der Erläuterung dient und austauschbar ist.
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Vorzugsweise bilden der Anker mit den beiden Kolben eine einstückige Kolbeneinheit. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Kolbeneinheit somit einstückig, insbesondere als ein Guss- und/oder Drehteil ausgeführt.
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Vorzugsweise ist die Kolbeneinheit so ausgeführt, dass die Mittelachsen des Ankers und des ersten Kolbens und des zweiten Kolbens axial fluchten. Bei einer eckigen oder abschnittweise eckigen Ausführungsform sind die Mittelachsen mit Symmetrieachsen gleichzusetzen. Damit wird erreicht, dass keine Drehmomente in der Kolbeneinheit auftreten, die sich nachteilig auf die Lebensdauer auswirken können.
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Vorzugsweise ist jedoch die gesamte Kolbeneinheit aus Anker mit dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben als rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Magnetkolbenpumpe zumindest eine Feder auf, mittels derer die Kolbeneinheit in einer Richtung federbelastet ist.
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Eine solche Federbelastung führt dazu, dass nach dem Verfahren der Kolbeneinheit durch eine magnetische Kraft in die eine Richtung bis zum oberen Totpunkt des einen Zylinders, die Kolbeneinheit nach Abschaltung der Spule/n automatisch in die andere Richtung bis zum oberen Totpunkt des anderen Kolbens verfahren wird.
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Dementsprechend wird beispielsweise der Förderhub des ersten Kolbens und damit gleichzeitig der Saughub des zweiten Kolbens durch eine Ansteuerung der Spule/n resultierend in einer magnetischen Kraft auf die Kolbeneinheit bewirkt, wobei dann anschließend das Zurückfahren der Kolbeneinheit durch die Federkraft bewirkt wird. Die Federkraft bewirkt in diesem Fall den Förderhub des zweiten Kolbens und damit gleichzeitig den Saughub des ersten Kolbens.
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Es ist klar, dass die Bezeichnungen des ersten Kolbens und des zweiten Kolbens in Bezug auf die Wirkungsweise einer Rückstellfeder willkürlich und austauschbar sind und lediglich der Erläuterung der Funktionsweise dienen.
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Durch eine oder mehrere Feder/n wird bewirkt, dass die Kolbeneinheit nach der Ausführung des Förderhubs des ersten Kolbens aufgrund der Federkraft zum oberen Totpunkt des zweiten Kolbens zurückkehrt und somit der Förderhub des zweiten Kolbens ausgeführt wird, ohne dass es der Erzeugung einer magnetischen Kraft mittels der Spule/n bedarf, oder alternativ unter Erzeugung einer geringeren magnetischen Kraft.
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Die Ausführung des Förderhubs des ersten Kolbens erfolgt somit durch Ansteuerung der Spule/n und Erzeugung einer magnetischen Kraft auf die Kolbeneinheit, wobei die Ausführung des Förderhubs des zweiten Kolbens bei dieser bevorzugten Ausführungsform sodann infolge der Federkraft in Rückstellrichtung erfolgt.
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Vorzugsweise weist jeder Zylinder einen Einlass auf und die Einlässe beider Zylinder werden von einer gemeinsamen Saugleitung gespeist. Dadurch wird die Volumenstromschwankung, insbesondere hinsichtlich des Drucks und der Menge innerhalb der Saugleitung vermindert.
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Alternativ kann jeder Zylinder über einen Einlass und eine gesonderte Saugleitung gespeist werden.
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Mit dem Begriff der Saugleitung ist dabei die Förderleitung vom Reduktionsmitteltank zum Saugmund der Förderpumpe bezeichnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Zylinder einen Auslass auf. Beide Auslässe münden vorzugsweise in eine gemeinsamen Druckleitung. Dadurch werden Druckschwankungen und Volumenstromschwankung in der Druckleitung zur Düse vermindert. Mit dem Begriff der Druckleitung ist dabei jene Förderleitung bezeichnet, in welche die Druckseite der Förderpumpe mündet und über welche das Reduktionsmittel von der Pumpe zu der Düse gefördert wird.
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Alternativ weist jeder Zylinder einen Auslass auf und der Auslass des ersten Zylinders mündet in eine erste Druckleitung und der Auslass des zweiten Zylinders mündet in eine zweite Druckleitung.
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In dieser alternativen Ausführungsform münden die beiden Auslässe in mindestens zwei verschiedene Druckleitungen, wodurch beispielsweise mehrere Abgasstränge gleichzeitig mit dem Reduktionsmittel versorgt werden können.
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Es besteht die Möglichkeit, mehrere Magnetförderpumpen, bei denen der Anker jeweils zwei Kolben in der beschriebenen Weise aufweist, parallel und/oder in Reihe anzuordnen. Hierdurch können die Fördereigenschaften wie Massenstrom und Förderdruck den gewünschten Anforderungen angepasst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Reduktionsmittel über zumindest eine Düse, insbesondere eine außenmischende Zweistoffdüse, bei welcher die Aerosolbildung außerhalb der Düse erfolgt, in den Abgasstrom eingespritzt. Dabei kann aus einer ersten Düsenöffnung die Reduktionsmittellösung und aus einer zweiten Düsenöffnung Druckluft austreten, wobei die beiden Düsenöffnungen derart zueinander ausgerichtet sein können, dass die Druckluft das Reduktionsmittel außerhalb der Düse zerstäubt, so dass die Düse als außenmischende Zweistoffdüse ausgebildet ist. Somit erfolgt die Aerosolbildung außerhalb der Düse. Insbesondere kann die zweite Öffnung der Düse derart positioniert werden, insbesondere unter einem Winkel gegenüber der Strahlrichtung der ersten Öffnung der Düse angestellt sein, dass mittels der aus der zweiten Öffnung austretenden Druckluft das aus der ersten Öffnung austretende Reduktionsmittel zerstäubt wird.
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In einer bevorzugten Gesamtanordnung weist das Reduktionsmitteldosiersystem einen Tank auf, an welchen die Saugleitung angeschlossen ist. Dabei wird die Reduktionsmittellösung in den Tank eingefüllt und für den Betrieb des Systems in dem Tank bevorratet. Zur Dosierung wird die Reduktionsmittellösung aus dem Tank entnommen und mittels der Magnetkolbenpumpe als Förderpumpe gefördert und über zumindest eine Düse in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet.
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Besonders bevorzugt weist das System eine Druckluftversorgung auf und das Reduktionsmittel wird innerhalb oder außerhalb der Düse mittels Druckluft zerstäubt. Dabei kann die Druckluftversorgung ein Schaltventil und/oder ein Druckregelventil aufweisen. Dieses Schaltventil dient der Steuerung, d. h. der Ein- und Abschaltung der Druckluftversorgung für das gesamte oder einen Teil des Dosiersystems.
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Alternativ oder kumulativ kann die Druckluftversorgung ein Druckregelventil aufweisen. Hierdurch kann die Druckluft auf ein zur Zerstäubung des Reduktionsmittels mittels Druckluft gewünschtes Druckniveau eingestellt werden. Die Druckluft selbst kann aus einem bordeigenen Druckluftsystem, beispielsweise eines Nutzfahrzeuges, in dessen Abgastrakt das Dosiersystem angeordnet ist, entnommen werden, ohne dass der in dem Druckluftsystem vorherrschende Systemdruck eine Einschränkung darstellt, da der Druck der Druckluft auf den gewünschten Druck abgesenkt werden kann.
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Vorzugsweise ist die Druckleitung über ein Schaltventil oder Regelventil an eine Druckluftversorgung angeschlossen, um die Druckleitung und die Düse nach Beendigung der Dosierung mittels Druckluft von Reduktionsmittel zu befreien.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmitteldosiersystems ist somit eine Druckluftversorgung vorgesehen, wobei die Reduktionsmittel fördernde Druckleitung und damit auch die Düse über ein Schaltventil an die Druckluftversorgung angeschlossen sind, um sie nach Beendigung der Dosierung mittels Druckluft von Reduktionsmittel zu befreien.
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Hierdurch können die Reduktionsmittel fördernde Druckleitung und die Düse und/oder eine Dosierkammer und/oder die Dosierleitung nach Beendigung der Dosierung mittels der Druckluft von der Reduktionsmittellösung befreit werden, um ein Einfrieren oder Auskristallisieren der Reduktionsmittellösung zu verhindern. Hierdurch kann Frostschäden und Verstopfungen effektiv vorgebeugt werden.
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Die Druckluft kann somit alternativ oder kumulativ zur Zerstäubung des Reduktionsmittels im Abgasstrang und zur Reinigung der Reduktionsmittel führenden Leitungen nach Beendigung der Dosierung genutzt werden.
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Vorzugsweise wird der Druck in der Druckleitung mittels eines Drucksensors erfasst und überwacht. Durch eine derartige Erfassung und Überwachung des Druckes in der Reduktionsmittel führenden Druckleitung kann auch die korrekte Arbeitsweise der Förderpumpe und die Dosierung kontinuierlich überwacht werden.
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Vorzugsweise weist das System eine Beheizungseinrichtung zur Beheizung der Reduktionsmittellösung auf. Die vielfach eingesetzte Reduktionsmittellösung gemäß DIN 70070 gefriert aufgrund ihres Wassergehaltes bei ca. –11°C. Daher ist es erforderlich, eine Beheizungseinrichtung beispielsweise innerhalb des Tanks und/oder in thermischer Kopplung zur Saugleitung und/oder Druckleitung zur Beheizung der Reduktionsmittellösung für den Fall sehr niedriger Umgebungstemperaturen vorzusehen.
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Ferner kann eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des/der Zylinderspule/n in Abhängigkeit der aktuellen Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Kolbeneinheit erfolgen.
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Bei einer Magnetkolbenpumpe ist es besonders vorteilhaft, dass diese durch eine entsprechende Ansteuerung der das Magnetfeld erzeugenden Spulen, exakt betätigt und angesteuert werden kann.
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Mit dem Begriff der Ansteuerung des/der Zylinderspule/n ist dabei die zeitlich variable Bestromung der Spule/n gemeint, durch die jeweils ein resultierendes Magnetfeld erzeugt wird, welches eine resultierende Kraft auf den magnetische Kolbeneinheit ausübt. Durch die resultierende magnetische Kraft wird der erste Kolben im ersten Zylinder der Magnetkolbenpumpe zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt hin- und herbewegt und dabei beschleunigt oder abgebremst. Gleichzeitig wird auch der zweite Kolben zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt hin- und herbewegt und dabei beschleunigt oder abgebremst, da der erste Kolben und der zweite Kolben kinematisch miteinander verbunden sind und mit dem Anker die Kolbeneinheit bilden.
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Durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des/der Zylinderspule/n wird das Tastverhältnis, d. h. der Quotient von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer der Bestromung des/der Zylinderspule/n während eines Zyklus, variiert, woraus ein zeitlich veränderliches resultierendes Magnetfeld des/der Zylinderspule/n resultiert. Hieraus folgt wiederum eine zeitlich variierende auf die Kolbeneinheit wirkende resultierende magnetische Kraft und der daraus resultierenden variablen Kolbenbeschleunigung bzw. Kolbengeschwindigkeit. Durch Variation des Tastgrades lässt sich der arithmetische Mittelwert der elektrischen Spannung ändern. Dementsprechend kann durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Zylinderspule/n einer Magnetkolbenpumpe die resultierende auf den Kolben einwirkende magnetische Kraft gesteuert werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des/der Zylinderspule/n derart, dass der erste Kolben während der Bewegung auf Höhe des ersten Steuerkanals verlangsamt wird. Dementsprechend erfolgt vorzugsweise die Ansteuerung des/der Zylinderspule/n derart, dass der zweite Kolben während der Bewegung auf Höhe des zweiten Steuerkanals verlangsamt wird.
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Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung des/der Zylinderspule/n derart, dass der erste Kolben vor dem ersten oberen Totpunkt abgebremst wird. Dementsprechend erfolgt die Ansteuerung des/der Zylinderspule/n vorzugsweise derart, dass der zweite Kolben vor dem zweiten oberen Totpunkt abgebremst wird.
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Mit dem ersten oberen Totpunkt und dem ersten unteren Totpunkt sind im Sinne der Erfindung die Totpunkte des ersten Kolbens bezeichnet. Dementsprechend sind mit dem zweiten oberen Totpunkt und dem zweiten unteren Totpunkt im Sinne der Erfindung die Totpunkte des zweiten Kolbens bezeichnet.
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Durch eine Verlangsamung des ersten Kolbens und des zweiten Kolbens auf Höhe der jeweiligen Steuerkanäle, über die Reduktionsmittel in/aus den/dem ersten und zweiten Zylinder, in denen die Kolben geführt sind, zugeführt und abgeführt wird, wird der gewünschte Fluss des Reduktionsmittels über die Steuerkanäle optimiert, da bei zu großen Kolbengeschwindigkeiten beim Fördertakt infolge einer zu hohen Kolbengeschwindigkeit eine unerwünschte Förderung von Reduktionsmittel in die Druckleitung erfolgt. Dieser unerwünschte Effekt bei einem Förderhub lässt sich durch eine entsprechende pulsweitenmodulierte Ansteuerung des/der Zylinderspule/n und ein Abbremsen der Kolbeneinheit im Bereich der Steuerbohrungen deutlich reduzieren.
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Ein ungebremstes Anprallen des Kolbens an der Prallplatte zum Ende eines Förderhubes führt zu einem erheblichen Impuls in der Druckleitung des Dosiersystems mit der Folge, dass aufgrund dieses Impulses das Auslassventil des gegenüberliegenden anderen Zylinders öffnet und eine unkontrollierte und unerwünschte Förderung von Reduktionsmittel erfolgt. Dieser unerwünschte Effekt kann durch ein Abbremsen des ersten Kolbens kurz vor dem ersten oberen Totpunkt unterdrückt werden und des zweiten Kolbens kurz vor dem zweiten oberen Totpunkt. Durch die Vermeidung eines harten Anprallens der Kolben an die Prallplatten wird der auftretende Impuls in der Druckleitung verringert, sodass ein unerwünschtes Fördern von Reduktionsmittel nach Abschluss des Förderhubs unterbleibt. Zum Abbremsen des Kolbens erfolgt eine entsprechende Reduktion des Tastgrades der Bestromung des/der Zylinderspule/n.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Reduktionsmitteldosiersystems;
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2 eine schematische Schnittdarstellung der Magnetkolbenpumpe nach 1 in einer ersten Position;
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3 eine schematische Schnittdarstellung der Magnetkolbenpumpe nach 1 in einer zweiten Position.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Reduktionsmitteldosiersystems 10 zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion. Mittels der Förderpumpe 20 wird über die Saugleitung 30 Reduktionsmittellösung aus dem Tank 40 angesaugt und über die Druckleitung 50 zur Einspritzdüse 60 gefördert. Über die Einspritzdüse 60 wird das Reduktionsmittel in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingespritzt.
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Erfindungsgemäß ist in der Förderpumpe 20 ein Anker 70 angeordnet, der an seiner Vorderseite einen ersten Kolben 100 und an seiner Rückseite einen zweiten Kolben 200 aufweist, wobei der erste Kolben 100 in einem ersten Zylinder 130 und der zweite Kolben 200 in einem zweiten Zylinder 230 angeordnet ist, wie dies anhand der vergrößerten Schnittdarstellungen der Förderpumpe 20 in den 2 und 3 erkennbar ist. Bei der Förderpumpe handelt es sich um eine Magnetkolbenpumpe 20, deren Aufbau und Funktionsweise nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert wird.
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Eine vergrößerte Darstellung der Förderpumpe 20 in verschiedenen Phasen der Förderung zeigen 2 und 3 im Schnitt.
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Die Magnetkolbenpumpe weist einen mittels einer Spule 300 betätigten Anker 70 auf. Der Anker 70 weist an seiner Vorderseite einen ersten Kolben 100 und an seiner Rückseite einen zweiten Kolben 200 auf. Der erste Kolben 100 ist in dem ersten Zylinder 130 mit dem ersten Hubraum 110 axial verfahrbar angeordnet. Der zweiten Kolben 200 ist in dem zweiten Zylinder 230 mit dem zweiten Hubraum 210 axial verfahrbar angeordnet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Speisung des ersten Hubraums 110 und des zweiten Hubraums 210 über eine gemeinsame Saugleitung 30. Ferner münden beide Hubräume 110, 210 beider Zylinder 130, 230 in eine Druckleitung 50.
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Der erste Zylinder 130 weist einen ersten Steuerkanal 120 auf. Der zweite Zylinder 230 weist einen zweiten Steuerkanal 220 auf. Die Steuerkanäle dienen der Zufuhr von Reduktionsmittel aus der Saugleitung 30 während des jeweiligen Saughubs ab dem Zeitpunkt, ab dem der jeweilige Steuerkanal 120, 220 von dem zugeordneten Kolben 100, 200 in dem jeweiligen Zylinder 130, 230 freigegeben wird.
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Der erste Kolben 100 und der zweite Kolben 200 bilden mit dem Anker 70 eine Kolbeneinheit. Eine Feder 80 als Rückstellfeder belastet die Kolbeneinheit in Richtung des oberen Totpunkes des zweiten Kolbens 200.
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In 2 ist eine erste Position der Kolbeneinheit dargestellt. Hierbei befindet sich der erste Kolben 100 am unteren Totpunkt 140 des ersten Kolbens 100 und der zweite Kolben 200 am oberen Totpunkt 250 des zweiten Kolbens 200.
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Im ersten Hubraum 110 befindet sich bereits vorher angesaugtes Reduktionsmittel. Nun wird die Spule 300 angesteuert, d. h. bestromt, sodass sich die Kolbeneinheit in Bewegung setzt. Die Bewegung der Kolbeneinheit resultiert somit aus der mittels der Spule erzeugten magnetischen Kraft auf den Anker 70. Auf diese Weise fängt der erste Kolben 100 an, Reduktionsmittel aus dem ersten Hubraum 110 in die Druckleitung 50 zu fördern. Sobald der zweite Kolben 200 so weit verfahren ist, dass der zweite Steuerkanal 220 freigegeben wird und somit öffnet, wird Reduktionsmittel in den zweiten Hubraum 210 aus der Saugleitung 30 gesaugt. Während der Bewegung in Richtung nach links in der Bildebene zum oberen Totpunkt 150 des ersten Kolbens 100 wird auch gleichzeitig die Feder 80 gespannt.
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Diese Bewegung erfolgt bis zur in 3 dargestellten Kolbenposition. Hier befindet sich der erste Kolben 100 am seinem oberen Totpunkt 150 und der zweite Kolben 200 am seinem unteren Totpunkt 240, sodass der Förderhub des ersten Kolbens 100 abgeschlossen ist. In dieser Position wird die Bestromung der Spule 300 ausgeschaltet. Ab diesem Moment veranlasst die gespannte Feder 80 die Rückwärtsbewegung in Richtung nach rechts in der Bildebene.
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Dadurch, dass ein zweiter Kolben 200 an der Rückseite des Ankers 70 angeordnet ist, beginnt mit der Rückwärtsbewegung der Kolbeneinheit in Richtung auf den oberen Totpunkt 250 des zweiten Kolbens 200 der Förderhub des zweiten Kolbens 200. Sogleich wird Reduktionsmittel aus dem zweiten Hubraum 210 in die Druckleitung 50 gefördert. Sobald nun während dieses Förderhubs des zweiten Kolbens 200 der erste Steuerkanal 120 durch das Zurückfahren des ersten Kolbens 100 durch die Bewegung der Kolbeneinheit geöffnet wurde, wird Reduktionsmittel in den ersten Hubraum 110 aus der Sauleitung 30 gesaugt. Dieser Vorgang erfolgt bis zur in 2 dargestellten Position und der Zyklus fängt wieder mit der Bestromung der Spule 300 und dem Förderhub des ersten Kolbens 100 an. Auf diese Weise werden die Fördereigenschaften der Pumpe verbessert. Die Förderung des Reduktionsmittels erfolgt dadurch kontinuierlicher und pulsationsärmer, da bei jedem Bewegungsvorgang gleichzeitig ein Saughub des einen Kolbens und ein Förderhub des anderen Kolbens ausgeführt wird.
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Ferner weist die Magnetkolbenpumpe eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spule 300 auf, mittels derer ein Abbremsen der Kolbeneinheit jeweils kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes 150, 250 eines der beiden Kolben 100, 200 bewirkt wird, um ein hartes Anprallen der Kolben 100, 200 zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 70070 [0003]
- DIN 70070 [0008]
- DIN 70070 [0050]
