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Die Erfindung betrifft ein System zur Eindosierung von Reduktionsmittel in eine Abgaseinrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 sowie eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9.
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Es ist bekannt, eine Stickoxidkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen mithilfe des Prinzips der selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR) zu senken. Hierzu wird in einen Abgasstrom stromaufwärts eines speziell für die selektive katalytische Reduktion eingerichteten SCR-Katalysators ein Reduktionsmittel eindosiert, mit dem Abgas vermischt und dabei gegebenenfalls in eine chemisch in dem SCR-Katalysator umsetzbare Form umgewandelt. In dem Abgas vorhandene Stickoxide reagieren in dem SCR-Katalysator mit dem Reduktionsmittel – gegebenenfalls in der umgewandelten Form – und werden insbesondere zu Stickstoff reduziert. Für die Anwendung bei Dieselmotoren mit kleiner bis mittlerer Leistung, insbesondere im Nutzfahrzeugbereich, sind Systeme zur Eindosierung von Reduktionsmittel bekannt, die eine Dosiereinrichtung sowie eine dieser zugeordnete Reduktionsmittelpumpe aufweisen. Sofern mehr als eine Zudosierstelle vorgesehen werden soll, wird eine entsprechende Anzahl dieser Systeme verwendet, sodass pro vorgesehener Dosiereinrichtung eine diese mit Reduktionsmittel versorgende Pumpe vorgesehen wird. In Hinblick auf Brennkraftmaschinen einer größeren Leistungsklasse, beispielsweise für Marine-Anwendungen oder im stationären Bereich zur Energieversorgung, zeigt sich, dass bisher geltende Abgasvorschriften den Einsatz der selektiven katalytischen Reduktion als in der Serie nicht notwendig erscheinen ließen. Vielmehr war es möglich, die Stickoxidkonzentration im Abgas mittels innermotorischer Maßnahmen unterhalb der vorgesehenen Grenzwerte zu halten. Im Rahmen sich weltweit verschärfender Abgasnormen wird es zunehmend wichtiger, das Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion auch bei mittelgroßen und großen Brennkraftmaschinen einsetzen zu können. Hierbei sind regelmäßig mehr als eine Dosierstelle nötig, sodass im Rahmen der bisherigen Praxis mehrere Systeme zur Eindosierung von Reduktionsmittel zu einem Gesamtsystem zusammengefasst werden müssten. Dieses ist dann aber vielteilig, teuer, kompliziert in der Ansteuerung und weist insbesondere eine Vielzahl von Pumpen auf, nämlich zu jeder Dosiereinrichtung eine dieser einzeln zugeordnete Pumpe.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Eindosierung von Reduktionsmittel sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welchen die genannten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll eine vereinfachte, kostengünstige und leicht anzusteuernde Systemtechnologie bereitgestellt werden, die einen Einsatz des Systems insbesondere auch bei mittelgroßen und großen Brennkraftmaschinen wirtschaftlich möglich macht.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieses weist wenigstens zwei Dosiereinrichtungen auf, wobei diese mit einer gemeinsamen Druckquelle zur Versorgung mit Reduktionsmittel in Fluidverbindung stehen. Dadurch, dass die verschiedenen Dosiereinrichtungen von derselben Druckquelle mit Reduktionsmittel versorgt werden, weist das System weniger Teile auf, ist kostengünstiger und einfacher anzusteuern als ein System, welches pro Dosiereinrichtung eine separate Pumpe als separate Druckquelle aufweist. Darüber hinaus ermöglicht das System eine modulare Anpassung an Brennkraftmaschinen verschiedener Leistungsbereiche, indem insbesondere abhängig von der Anzahl der Abgasaustritte beziehungsweise der gewünschten Dosierstellen eine korrespondierende Anzahl von Dosiereinrichtungen bereitgestellt wird, die unabhängig von ihrer Anzahl mit derselben Druckquelle verbunden werden können. Damit ist es möglich, Systeme für verschieden große Brennkraftmaschinen aus standardisierten Teilen nach Art eines Bausatzes zusammenzustellen. Dabei wird lediglich eine Druckquelle mit der gewünschten Anzahl von Dosiereinrichtungen kombiniert. Gegebenenfalls ist es allerdings möglich, Druckquellen mit verschiedener Förderleistung vorzuhalten und entsprechend der gewünschten Anordnung geeignet auszuwählen.
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Bevorzugt weist die gemeinsame Druckquelle genau eine Pumpe zur Versorgung aller Dosiereinrichtungen mit Reduktionsmittel auf, oder die Druckquelle ist als eine einzige Pumpe ausgebildet. Alternativ ist es aber – insbesondere abhängig von der benötigten Förderleistung – möglich, dass die gemeinsame Druckquelle mehr als eine Pumpe aufweist, wobei die Pumpen in diesem Fall aber nicht – wie bisher bekannt – einzelnen Dosiereinrichtungen separat sondern vielmehr allen Dosiereinrichtungen gemeinsam zugeordnet sind.
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Das System ist vorzugsweise eingerichtet zur Eindosierung einer Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittel. Hierbei handelt es sich um ein allgemein übliches, kostengünstiges und in der Handhabung ungefährliches Reduktionsmittel.
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Die Abgaseinrichtung der Brennkraftmaschine weist bevorzugt zumindest eine Abgasleitung auf, in die Abgas aus wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird. Es ist möglich, dass die Abgaseinrichtung zusätzliche Abgasnachbehandlungselemente wie beispielsweise einen Oxidationskatalysator und/oder einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter, aufweist.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Dosiereinrichtungen – in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels gesehen – hintereinander angeordnet sind. Sie sind somit fluidisch in Reihe geschaltet. Dabei ist vorzugsweise ein Rücklaufanschluss einer ersten Dosiereinrichtung mit einem Vorlaufanschluss einer stromabwärts der ersten Dosiereinrichtung angeordneten, zweiten Dosiereinrichtung verbunden. Die Druckquelle fördert bevorzugt Reduktionsmittel durch eine Reduktionsmittelleitung, entlang derer die verschiedenen Dosiereinrichtungen seriell hintereinander angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um eine fluidtechnisch besonders einfache Ausgestaltung des Systems, die besonders wenig Verschlauchungs- oder Rohrleitungsmaterial benötigt, sodass insbesondere die Materialkosten sehr gering sind. Darüber hinaus ist das System leicht zu montieren, weil die einzelnen Dosiereinrichtungen einfach hintereinander geschaltet werden.
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Jede Dosiereinrichtung weist bevorzugt einen Vorlaufanschluss und einen Rücklaufanschluss auf, wobei der Vorlaufanschluss innerhalb der Dosiereinrichtung mit dem Rücklaufanschluss in Fluidverbindung steht, sodass Reduktionsmittel von dem Vorlaufanschluss durch die Dosiereinrichtung zu dem Rücklaufanschluss strömen kann. Die Dosiereinrichtung weist außerdem bevorzugt ein Dosierventil auf, welches eingerichtet ist zur Abgabe von Reduktionsmittel an die Abgaseinrichtung. Hierzu steht das Dosierventil vorzugsweise innerhalb der Dosiereinrichtung mit einem den Vorlaufanschluss mit dem Rücklaufanschluss verbindenden Leitungsabschnitt in Fluidverbindung, sodass das durch den Vorlaufanschluss heranströmende Reduktionsmittel sowohl zu dem Rücklaufanschluss als auch zu dem Dosierventil strömt. Reduktionsmittel, welches nicht durch das Dosierventil in die Abgaseinrichtung eindosiert wird, kann die Dosiereinrichtung – quasi als Absteuermenge – über den Rücklaufanschluss verlassen.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass Vorlaufanschlüsse von wenigstens zwei Dosiereinrichtungen mit einer gemeinsamen Vorlaufleitung in Fluidverbindung sind. Die gemeinsame Vorlaufleitung ist mit der Druckquelle in Fluidverbindung. Rücklaufanschlüsse der wenigstens zwei Dosiereinrichtungen sind mit einer gemeinsamen Rücklaufleitung in Fluidverbindung. Die Dosiereinrichtungen sind somit fluidisch parallel zueinander angeordnet, werden von der gemeinsamen Vorlaufleitung mit Reduktionsmittel versorgt und führen dieses über die gemeinsame Rücklaufleitung wieder ab. Ein solches Ausführungsbeispiel des Systems ist besser ansteuerbar, insbesondere regelungstechnisch einfacher als die zuvor beschriebene serielle Anordnung der Dosiereinrichtungen.
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Es ist auch ein Ausführungsbeispiel des Systems möglich, bei welchem eine erste Anzahl von Dosiereinrichtungen relativ zueinander in Reihe geschaltet ist, wobei eine zweite Anzahl von Dosiereinrichtungen relativ zueinander parallel angeordnet ist. Dabei ist es möglich, dass die zweite Anzahl von Dosiereinrichtungen relativ zu der ersten Anzahl von Dosiereinrichtungen parallel oder seriell angeordnet ist. Das System kann auf diese Weise an die konkret herrschenden Anforderungen und Bedingungen angepasst werden, wobei die zuvor beschriebenen Vorteile der verschiedenen Verschaltungsarten sich dann jeweils in Zusammenhang mit entsprechenden Teilsystemen verwirklichen.
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Jedenfalls zeigt sich, dass die Dosiereinrichtungen sowohl bei der seriellen als auch bei der parallelen Verschaltung stets von Reduktionsmittel durchströmt werden können, auch wenn gerade keine Eindosierung über das Dosierventil stattfindet.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich durch einen gemeinsamen Druckspeicher für das Reduktionsmittel auszeichnet. Dabei stehen die Dosiereinrichtungen mit dem gemeinsamen Druckspeicher zur Versorgung mit Reduktionsmittel in Fluidverbindung. Der gemeinsame Druckspeicher wird bevorzugt wiederum durch die gemeinsame Druckquelle mit Reduktionsmittel versorgt und besonders bevorzugt auf einem vorherbestimmten Druckniveau gehalten. Dabei hat diese Ausgestaltung des Systems den Vorteil, dass sich Druckschwankungen aufgrund von Eindosier-Ereignissen in einzelnen Dosiereinrichtungen nur wenig oder gar nicht auf den Druck in dem gemeinsamen Druckspeicher auswirken, sodass für alle Dosiereinrichtungen stets der gleiche, reproduzierbare Druck zur Verfügung steht. Hierdurch ist die Menge an zudosiertem Reduktionsmittel besonders genau einstellbar und schwankt nicht oder höchstens kaum mit der Abfolge der Dosierereignisse und den konkret betätigten Dosiereinrichtungen. Insbesondere bewirkt also der gemeinsame Druckspeicher eine Entkopplung der einzelnen Dosiereinrichtungen voneinander.
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Bei einem System, bei welchem die Dosiereinrichtungen seriell miteinander verbunden sind, ist es möglich, dass die gemeinsame Leitung, entlang derer die Dosiereinrichtungen angeordnet sind, als gemeinsamer Druckspeicher ausgebildet ist. Hierbei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Volumen der gemeinsamen Leitung groß ist im Vergleich zu dem Volumen, welches im Verlauf eines Eindosier-Ereignisses in die Abgaseinrichtung abgegeben wird. Es ergibt sich in diesem Fall ohne weiteres, dass einzelne Dosierereignisse sich kaum oder gar nicht auf den Druck in der gemeinsamen Leitung auswirken.
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Bei einem System, bei welchem die Dosiereinrichtungen parallel zueinander angeordnet sind, ist der gemeinsame Druckspeicher bevorzugt derart vorgesehen, dass die einzelnen Dosiereinrichtungen parallel zueinander jeweils mit dem gemeinsamen Druckspeicher fluidverbunden sind. Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass einzelne Reduktionsmittelleitungen von dem gemeinsamen Druckspeicher zu den Dosiereinrichtungen abzweigen. Dabei ist es möglich, dass der gemeinsame Druckspeicher als Hauptleitung ausgebildet ist, von der Nebenleitungen zu den Dosiereinrichtungen abzweigen. Alternativ ist es möglich, dass der gemeinsame Druckspeicher als Reservoir oder Tank ausgebildet ist, von dem Leitungen zu den einzelnen Dosiereinrichtungen abzweigen. Die Druckquelle ist stromaufwärts des gemeinsamen Druckspeichers angeordnet und versorgt diesen mit Reduktionsmittel.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Druckhalteventil vorgesehen ist, welches stromabwärts einer letzten Dosiereinrichtung in einer Reihe von fluidisch seriell angeordneten Dosiereinrichtungen angeordnet ist. Mithilfe des Druckhalteventils ist so ein Druck in der die einzelnen Dosiereinrichtungen verbindenden Reduktionsmittelleitung auf einem vorherbestimmten Wert haltbar.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass ein Druckhalteventil in einer gemeinsamen Rücklaufleitung von fluidisch parallel zueinander angeordneten Dosiereinrichtungen angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, mithilfe eines einzigen Druckhalteventils den Druck in den Versorgungsleitungen aller parallel zueinander angeordneten Dosiereinrichtungen auf einem vorherbestimmten Wert zu halten. Somit ist dieser Aufbau besonders materialsparend und einfach.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein Druckhalteventil in wenigstens eine Dosiereinrichtung integriert ist. Vorzugsweise ist in jede Dosiereinrichtung des Systems ein Druckhalteventil integriert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Dosiereinrichtungen fluidisch parallel zueinander angeordnet, in die jeweils ein Druckhalteventil integriert ist. In diesem Fall kann auf ein Druckhalteventil in der gemeinsamen Rücklaufleitung verzichtet werden. Vielmehr wird der Versorgungsdruck für die Reduktionsmitteldosierung durch die bevorzugt aufeinander abgestimmten Druckhalteventile in den Dosiereinrichtungen auf einem vorherbestimmten Wert gehalten. Bei dieser Ausgestaltung wird zumindest das in der gemeinsamen Rücklaufleitung extern vorgesehene Druckhalteventil eingespart, was zum einen materialsparend und zum anderen montagetechnisch günstig ist. Insbesondere ist das System aufgrund der integrierten Ausbildung der Druckhalteventile in den Dosiereinrichtungen einfach aufzubauen. Es ist auch möglich, dass bei einer seriellen Anordnung von Dosiereinrichtungen zumindest in die – in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels gesehen – letzte Dosiereinrichtung ein Druckhalteventil integriert ist. Auch in diesem Fall kann das separate Druckhalteventil entfallen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein Druckhalteventil in die gemeinsame Druckquelle, insbesondere in eine Pumpe derselben, integriert ist. Auch diese Ausgestaltung ist sowohl bei einer seriellen als auch bei einer parallelen Anordnung von Dosiereinrichtungen möglich, wobei die bauliche Integration des Druckhalteventils in die Druckquelle ein externes, separates Druckhalteventil unnötig macht, wodurch Material- und Montagekosten eingespart werden. Darüber hinaus sind bei integraler Anordnung des Druckhalteventils in einer Dosiereinrichtung oder in der Druckquelle weniger Anschlüsse miteinander zu verbinden, als wenn ein externes, separates Druckhalteventil vorgesehen ist. Zugleich werden Fehler im Aufbau des Systems vermieden.
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Das Druckhalteventil ist generell ausgebildet, um einen Reduktionsmitteldruck im Betrieb auf einem vorherbestimmten Niveau zu halten. Dabei ist es im einfachsten Fall möglich, dass das Druckhalteventil als Strömungshindernis oder als Blende, beispielsweise als Bohrung in einer einen Durchtrittsquerschnitt einer Reduktionsmittelleitung verringernden Scheibe, ausgebildet ist. Bei definiertem Fluss von Reduktionsmittel durch das Druckhalteventil stellt sich ein definierter Differenzdruck über demselben ein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Druckhalteventil als Steuer- oder Regelventil ausgebildet ist, welches eingerichtet ist zur Drucksteuerung oder Druckregelung in einer die Dosiereinrichtungen mit Reduktionsmittel versorgenden Leitung. Dabei kann das Druckhalteventil als mechanisches, insbesondere federbelastetes, oder als elektrisches Regelventil ausgebildet sein.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass dieses wenigstens einen zur selektiven katalytischen Reduktion eingerichteten Katalysator, nämlich einen SCR-Katalysator, aufweist. Vorzugsweise ist – entlang eines Abgasstroms gesehen – stromabwärts jeder Dosiereinrichtung je ein SCR-Katalysator angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass stromaufwärts eines größeren SCR-Katalysators oder eines SCR-Gehäuses mit einer Mehrzahl von Katalysator-Einheiten, eine Mehrzahl von Dosiereinrichtungen angeordnet ist. Auch ist es möglich, dass an einem SCR-Gehäuse mit mehreren Katalysator-Einheiten mehrere Dosiereinrichtungen angeordnet sind, insbesondere für jede Katalysatoreinheit eine Dosiereinrichtung. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das System mehr als einen SCR-Katalysator.
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Besonders bevorzugt weist das System bei Anwendung an einer Brennkraftmaschine gerade so viele SCR-Katalysatoren auf, wie die Brennkraftmaschine Abgasaustritte oder Abgasstränge aufweist, wobei bevorzugt in jedem Abgasaustritt oder Abgasstrang der Brennkraftmaschine wenigstens ein SCR-Katalysator angeordnet ist. Dabei ist bevorzugt stromaufwärts von jedem SCR-Katalysator wenigstens eine Dosiereinrichtung für Reduktionsmittel angeordnet. Alternativ ist es möglich, dass mehrere Abgasaustritte zu einem SCR-Katalysator oder einem SCR-Gehäuse mit mehreren Katalysator-Einheiten geleitet werden, so dass weniger SCR-Katalysatoren als Abgasaustritte vorgesehen sind. Beispielsweise können zwei Abgasaustritte zusammengeführt und das Abgas zu einem SCR-Gehäuse geleitet werden, wobei in diesem Fall bevorzugt zwei Dosiereinrichtungen an dem SCR-Gehäuse angeordnet sind. Weiter ist es alternativ möglich, dass mehr SCR-Katalysatoren oder SCR-Gehäuse als Abgasaustritte vorgesehen sind, wobei beispielsweise das Abgas eines Abgasaustritts auf zwei SCR-Katalysatoren oder SCR-Gehäuse aufgeteilt wird.
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Insgesamt ist das System sehr flexibel bei verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen von Abgasaustritten und SCR-Katalysatoren einsetzbar. Dabei ist der modulare, baukastenartige Aufbau des Systems mit einer gemeinsamen Druckquelle für die Dosiereinrichtungen vorteilhaft, weil er eine individuelle, anwendungsspezifische Ausgestaltung des Systems unter Verwendung von Gleichteilen ermöglicht.
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Zwischen der Dosiereinrichtung und dem SCR-Katalysator – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – ist bevorzugt eine Mischeinrichtung angeordnet, die ausgebildet ist zur Durchmischung von Reduktionsmittel und Abgas. Insbesondere abhängig von der Länge einer Mischstrecke zwischen der Dosiereinrichtung und dem SCR-Katalysator kann auch auf eine eigens vorgesehene Mischeinrichtung verzichtet werden. Das Reduktionsmittel wird mittels der Dosiereinrichtung in den Abgasstrom eindosiert und anschließend – vorzugsweise in der Mischeinrichtung – innig mit diesem vermischt. Hierbei wird es vorzugsweise chemisch umgewandelt. Beispielsweise wird Harnstoff einer eindosierten Harnstoff-Wasser-Lösung zu Ammoniak umgesetzt. Nach der Durchmischung tritt der innig durchmischte Reduktionsmittel-Abgasstrom in den SCR-Katalysator ein, wo die von dem Abgas umfassten Stickoxide katalytisch mit dem Reduktionsmittel – gegebenenfalls in dessen umgewandelter Form – umgesetzt werden. Bevorzugt werden Stickstoffdioxid und/oder Stickstoffmonoxid mit Ammoniak katalytisch zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, bei dem mindestens ein Drucksensor zur Erfassung eines Reduktionsmitteldrucks stromaufwärts von wenigstens einer Dosiereinrichtung oder in eine Dosiereinrichtung integriert vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich weist das System mindestens einen Temperatursensor zur Erfassung einer Reduktionsmitteltemperatur stromaufwärts von wenigstens einer Dosiereinrichtung oder in eine Dosiereinrichtung integriert auf. Durch die Erfassung von Druck und/oder Temperatur des Reduktionsmittels stromaufwärts oder in der Dosiereinrichtung ist es genauer möglich, die eindosierte oder einzudosierende Reduktionsmittelmenge zu bestimmen oder festzulegen. Dabei wird die in den Abgasstrom eindosierte Reduktionsmittelmenge vorzugsweise durch die Öffnungszeit des Dosierventils bestimmt. Werden der Druck und die Temperatur des Reduktionsmittels bestimmt, kann hieraus dessen Dichte ermittelt werden, sodass aus dieser mit dem bekannten Durchtrittsquerschnitt des Dosierventils und dessen Öffnungszeit die eindosierte Reduktionsmittelmenge berechenbar und/oder steuerbar, vorzugsweise regelbar ist.
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Das System weist vorzugsweise eine Steuerungseinrichtung auf, die mit den Dosiereinrichtungen zu deren Ansteuerung, insbesondere zur Ansteuerung der Dosierventile, wirkverbunden ist. Die Steuerungseinrichtung ist außerdem bevorzugt mit der Druckquelle zu deren Ansteuerung wirkverbunden. Ist ein als Steuer- oder Regelventil ausgebildetes Druckhalteventil vorgesehen, ist die Steuereinrichtung vorzugsweise auch mit diesem wirkverbunden, wobei hierdurch ein Druck in der Reduktionsmittelleitung und insbesondere in einem gemeinsamen Druckspeicher für das Reduktionsmittel steuer- oder regelbar ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist zur Ansteuerung der Druckquelle und des Druckhalteventils, um einen vorherbestimmten Druck in der Reduktionsmittelleitung oder dem gemeinsamen Druckspeicher zu steuern oder zu regeln.
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Es ist möglich, dass die Steuerungseinrichtung in das Steuergerät einer Brennkraftmaschine, welche das System aufweist, integriert ist, oder dass die Steuerungseinrichtung als Steuergerät der Brennkraftmaschine ausgebildet ist. In diesem Fall übernimmt insbesondere das Steuergerät der Brennkraftmaschine die Steuerung des Systems zur Eindosierung von Reduktionsmittel. Alternativ ist es möglich, dass die Steuerungseinrichtung als separates Steuergerät für das System vorgesehen ist, oder dass sie in eine andere, separate Steuerungseinrichtung integriert oder als diese ausgebildet ist.
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Weiter ist es alternativ möglich, dass die Ansteuerlogik des Systems dezentral vorgesehen ist, wobei in wenigstens eine Dosiereinrichtung und/oder in die Druckquelle ein Steuergerät integriert ist. Bevorzugt ist in jede Dosiereinrichtung und in die Druckquelle ein Steuergerät integriert. Es ist möglich, dass die Steuergeräte miteinander wirkverbunden sind, wobei sie das System gemeinsam steuern. Es ist auch möglich, dass die Steuergeräte mit einem zentralen Steuergerät wirkverbunden sind, welches die Steuerung des Systems koordiniert, beispielsweise mit dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Systems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eine Dosiereinrichtung – einzeln betrachtet, also nicht bezogen auf das System – eingerichtet ist zur Eindosierung einer Maximalmenge von mindestens 15 kg/h bis höchstens 40 kg/h, vorzugsweise von mindestens 20 kg/h bis höchstens 35 kg/h, vorzugsweise von mindestens 25 kg/h bis höchstens 30 kg/h an Reduktionsmittel. Dabei ist eine tatsächlich eindosierte Menge an Reduktionsmittel durch die Dosiereinrichtung bevorzugt zwischen 0 % und 100 % der Maximalmenge variierbar. Herkömmliche Dosiereinrichtungen für den Nutzfahrzeugbereich sind typischerweise eingerichtet zur Eindosierung einer Maximalmenge von ungefähr 7 bis 11 kg/h an Reduktionsmittel. Die Verwendung solcher Dosiereinrichtungen für mittelgroße bis große Brennkraftmaschinen ist ungünstig, weil ein Mengenbedarf dieser Brennkraftmaschine an Reduktionsmittel nur mit einer vergleichsweise großen Zahl von Dosiereinrichtungen zur Verfügung gestellt werden kann. Demgegenüber kann die Zahl der Dosiereinrichtungen reduziert werden, wenn diese eingerichtet sind zur Eindosierung größerer Mengen an Reduktionsmittel.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Diese weist ein System nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Dabei verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem System erläutert wurden.
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Es wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ihre Nennleistung mindestens 560 kW beträgt. Vorzugsweise beträgt die Nennleistung der Brennkraftmaschine bis höchstens 20.000 kW, vorzugsweise bis höchstens 10.000 kW, vorzugsweise bis höchstens 7.500 kW, vorzugsweise bis höchstens 6.000 kW, vorzugsweise bis höchstens 5.000 kW, vorzugsweise 4.000 kW, besonders bevorzugt 4.300 kW. Der hier angesprochene Leistungsbereich entspricht einer mittelgroßen bis großen Brennkraftmaschine beziehungsweise einer Brennkraftmaschine im mittleren bis hohen Leistungsbereich. In Zusammenhang mit solchen Brennkraftmaschinen verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Systems zur Eindosierung, weil hier erstmals eine für diese Brennkraftmaschine nötige Anzahl von Dosiereinrichtungen in einfacher und kostengünstiger Weise zur Verfügung gestellt werden kann, wobei die Dosiereinrichtungen von einer gemeinsamen Druckquelle mit Reduktionsmittel versorgt werden.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Hubkolbenmotor mindestens 6 Zylinder, bevorzugt mindestens 8 Zylinder, vorzugsweise bis höchstens 20 Zylinder, auf. Dabei ergibt sich typischerweise mit höherer Zylinderzahl eine höhere Anzahl von Dosierstellen für Reduktionsmittel, sodass sich die Vorteile des Systems mit steigender Zylinderzahl verstärkt auswirken.
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Schließlich wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, sie sich dadurch auszeichnet, dass ein Hubraum der Brennkraftmaschine von mindestens 1,5 Liter bis höchstens 30 Liter, vorzugsweise von mindestens 2 Liter bis 18 Liter pro Zylinder beträgt. Dies charakterisiert die Brennkraftmaschine weiter als mittelgroße bis große Brennkraftmaschine oder – was als äquivalente Formulierung verwendet wird – als Brennkraftmaschine im mittleren oder hohen Leistungsbereich.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist als Hubkolbenmotor ausgebildet und weist 20 Zylinder mit 4 Abgasaustritten und einer Registeraufladung auf. Dabei zeigt sich, dass diese Brennkraftmaschine insgesamt einen Mengenbedarf von ungefähr 80 kg/h Reduktionsmittel aufweist. Würden zur Eindosierung des Reduktionsmittels aus dem Nutzfahrzeugbereich bekannte Dosiereinrichtungen beziehungsweise Systeme zur Eindosierung verwendet, müssten typischerweise wenigstens 8 Dosiereinrichtungen und 8 Pumpen, nämlich zu jeder Dosiereinrichtung 1 separate Pumpe, vorgesehen werden. Es ist offensichtlich, dass dies sowohl aufwändig als auch teuer wäre.
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Werden dagegen Dosiereinrichtungen verwendet, die jeweils zur Eindosierung von 20 kg/h an Reduktionsmittel eingerichtet sind, kann das System für die Brennkraftmaschine mit 4 Dosiereinrichtungen, mithin 1 Dosiereinrichtung pro Abgasaustritt, auskommen. Diese werden bei dem hier vorgeschlagenen System durch eine einzige gemeinsame Druckquelle mit Reduktionsmittel versorgt. Das System ist daher materialsparend, einfach und kostengünstig montierbar. Darüber hinaus ist es auch im Betrieb einfach anzusteuern und weist allein aus diesem Grund eine verbesserte, reproduzierbarere Funktion auf als ein kompliziertes, mit aus dem Stand der Technik bekannten Einzelsystemen aufgebautes Gesamtsystem.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems zur Eindosierung von Reduktionsmittel;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Systems,
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Systems, und
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Systems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems 1 zur Eindosierung von Reduktionsmittel 3 in eine Abgaseinrichtung 5 an der Brennkraftmaschine 7. Das System 1 weist wenigstens zwei Dosiereinrichtungen, hier konkret vier identisch ausgebildete Dosiereinrichtungen 9 auf, die mit einer gemeinsamen Druckquelle 10, hier einer gemeinsamen Pumpe 11, zur Versorgung mit Reduktionsmittel 3 in Fluidverbindung stehen.
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Hierzu steht die Pumpe 11 mit einem Reduktionsmittelreservoir 13 in Fluidverbindung, sodass von der Pumpe 11 Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmittelreservoir 13 zu den Dosiereinrichtungen 9 förderbar ist. Das System 1 ist vorzugsweise ausgebildet zur Verwendung einer Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittel 3.
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Bei dem in 1 dargestellten, ersten Ausführungsbeispiel sind die Dosiereinrichtungen 9 – in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels 3 gesehen – hintereinander angeordnet.
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Generell weisen die Dosiereinrichtungen 9 bevorzugt einen Vorlaufanschluss 15 und einen Rücklaufanschluss 17 auf, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur einer der Vorlaufanschlüsse sowie einer der Rücklaufanschlüsse mit den entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Innerhalb einer Dosiereinrichtung 9 steht der Vorlaufanschluss 15 mit dem Rücklaufanschluss 17 in Fluidverbindung, sodass das Reduktionsmittel 3 die Dosiereinrichtung 9 von dem Vorlaufanschluss 15 zu dem Rücklaufanschluss 17 hin durchströmt. Weiterhin weist die Dosiereinrichtung 9 ein Dosierventil 19 auf, wobei hier der besseren Übersichtlichkeit wegen nur eines der Dosierventile 19 mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet ist. Vorzugsweise zweigt eine Leitung von der Fluidverbindung zwischen dem Vorlaufanschluss 15 und dem Rücklaufanschluss 17 zu dem Dosierventil 19 ab, durch welche dieses mit Reduktionsmittel versorgt wird. Das Dosierventil 19 ist so ausgebildet, dass durch es eine vorherbestimmte Menge von Reduktionsmittel abgebbar ist, wobei die Reduktionsmittelmenge vorzugsweise durch die Öffnungszeit des Dosierventils 19 bestimmt wird.
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Das Dosierventil 19 mündet in eine Abgasleitung 21 der Abgaseinrichtung 5 stromaufwärts eines SCR-Katalysators 23.
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Es ist auch möglich, dass wenigstens eine der Dosiereinrichtungen 9 unmittelbar an einem Gehäuse eines SCR-Katalysators 23 oder an einem SCR-Gehäuse mit einer Mehrzahl von Katalysator-Einheiten befestigt ist, wobei die Dosiereinrichtung 9 in diesem Fall das Reduktionsmittel 3 direkt in das Gehäuse eindosiert.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Systems 1 ist jeweils der Rücklaufanschluss 17 einer Dosiereinrichtung 9, die stromaufwärts einer nachfolgenden Dosiereinrichtung 9 angeordnet ist, mit dem Vorlaufanschluss 15 der unmittelbar stromabwärts folgenden Dosiereinrichtung 9 fluidverbunden. Hierdurch ergibt sich die in 1 dargestellte, serielle Anordnung, bei welcher das Reduktionsmittel 3 gefördert durch die Pumpe 11 die einzelnen Dosiereinrichtungen 9 nacheinander jeweils von dem Vorlaufanschluss 15 zu dem Rücklaufanschluss 17 durchströmt. Insoweit ist hier jeweils ein Rücklaufanschluss 17 einer ersten Dosiereinrichtung 9 mit einem Vorlaufanschluss 15 einer stromabwärts der ersten Dosiereinrichtung 9 angeordneten, zweiten Dosiereinrichtung 9 verbunden. Der Rücklaufanschluss 17 einer – in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels gesehen – letzten Dosiereinrichtung 9 ist mit einem Druckhalteventil 25 verbunden, welches seinerseits wiederum mit einer Rücklaufleitung 27 in Fluidverbindung ist, durch welche Reduktionsmittel 3 zurück zu dem Reduktionmittelreservoir 13 strömt. Das Druckhalteventil 25 ist ausgebildet zum Halten eines vorherbestimmten Drucks in der Reduktionsmittelleitung stromaufwärts des Druckhalteventils 25. Dabei ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die die verschiedenen Dosiereinrichtungen 9 verbindende Reduktionsmittelleitung vorzugsweise als gemeinsamer Druckspeicher 29 für das Reduktionsmittel 3 ausgebildet, wobei das Druckhalteventil 25 zum Halten des Drucks in dem gemeinsamen Druckspeicher 29 ausgebildet und eingerichtet ist.
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Im einfachsten Fall weist das Druckhalteventil 25 eine Strömungsverengung, insbesondere eine Bohrung in einer den Leitungsquerschnitt der Rücklaufleitung 27 verringernden Scheibe auf, sodass sich dynamisch eine Druckdifferenz über der Strömungsverengung aufbaut, wenn Reduktionsmittel 3 durch den gemeinsamen Druckspeicher 29 und das Druckhalteventil 25 strömt. Alternativ ist es möglich, dass das Druckhalteventil 25 als gesteuertes oder geregeltes Ventil, insbesondere als Regelventil, ausgebildet ist.
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Auch die folgenden, von dem ersten Ausführungsbeispiel verschiedenen Ausführungsbeispiele weisen die Abgaseinrichtung 5 mit den Abgasleitungen 21 und den SCR-Katalysatoren 23 auf, wie auch das Reduktionsmittelreservoir 13, welches das Reduktionsmittel 3 umfasst. Weiterhin sind auch die von dem ersten Ausführungsbeispiel verschiedenen Ausführungsbeispiele bevorzugt an einer Brennkraftmaschine 7 vorgesehen. Das Darstellen oder Weglassen bestimmter Elemente in Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsbeispielen bedeutet nicht, dass diese Elemente bei den entsprechenden Ausführungsbeispielen exklusiv vorgesehen sein oder aber fehlen sollen. Vielmehr werden diese Elemente der besseren Übersichtlichkeit wegen und zur Vermeidung von Wiederholungen jeweils nur in Zusammenhang mit bestimmten Figuren explizit erläutert, wobei sich die in den Figuren dargestellten Abwandlungen im Übrigen auf die Unterschiede in den verschiedenen Ausführungsbeispielen des Systems 1 beziehen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Systems 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Zur vereinfachten Darstellung sind in 2 – wie oben angedeutet – Elemente nicht dargestellt, die zur Erläuterung der Funktion dieses Ausführungsbeispiels nicht erforderlich sind. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind auch hier die Dosiereinrichtungen 9 zueinander in Reihe, also seriell angeordnet. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Druckhalteventil 25 hier in die Druckquelle 10 integriert ist, die insoweit die Pumpe 11 und das Druckhalteventil 25 umfasst. Das Reduktionsmittel wird in diesem Fall von der letzten Dosiereinrichtung 9 in der Reihe von Dosiereinrichtungen 9 zurück zu der Druckquelle 10 geleitet, wo das Druckhalteventil 25 angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ist besonders günstig, weil aufgrund des in die Druckquelle 10 integrierten Druckhalteventils 25 ein separates Teil entfällt.
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Beide Ausführungsbeispiele gemäß den 1 und 2 haben den Vorteil, dass nur geringe Materialkosten für Rohrleitungen beziehungsweise Verschlauchungen anfallen, wobei die so ausgestalteten Systeme 1 auch einfach zu montieren sind, weil ihre fluidische Verschaltung einfach ist. Außerdem ist nur eine kleine Zahl von Fluidverbindungen herzustellen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Systems 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Auch in 3 sind im Wesentlichen diejenigen Elemente des Systems 1 dargestellt, die zur Erläuterung der Funktionsweise des dritten Ausführungsbeispiels und insbesondere der Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 dienen.
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Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind drei Dosiereinrichtungen 9 parallel zueinander angeordnet, wobei die Vorlaufanschlüsse 15 der Dosiereinrichtungen 9 mit einer gemeinsamen Vorlaufleitung 33 in Fluidverbindung sind. Die gemeinsame Vorlaufleitung 33 dient hier als gemeinsamer Druckspeicher 29. Weiter ist die gemeinsame Vorlaufleitung 33 in Fluidverbindung mit der als Pumpe 11 ausgebildeten Druckquelle 10, sodass die Dosiereinrichtungen 9 von der Pumpe 11 über die gemeinsame Vorlaufleitung 33 mit Reduktionsmittel versorgt werden. Die Rücklaufanschlüsse 17 der Dosiereinrichtungen 9 sind mit einer gemeinsamen Rücklaufleitung 35 in Fluidverbindung. Die Reduktionsmittelströmung teilt sich also stromaufwärts der Dosiereinrichtungen 9 in der gemeinsamen Vorlaufleitung 33 auf, wird so auf die Dosiereinrichtungen 9 verteilt und stromabwärts derselben in der gemeinsamen Rücklaufleitung 35 wieder zusammengeführt. In der gemeinsamen Rücklaufleitung 35 ist hier das Druckhalteventil 25 angeordnet, sodass mit dem einen Druckhalteventil 25 ein gemeinsamer Druck in der Reduktionsmittelleitung für alle Dosiereinrichtungen 9 haltbar ist.
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Das System 1 ist vorzugsweise gesteuert oder geregelt. Hierzu ist ein Steuergerät 37 vorgesehen, welches mit den Dosiereinrichtungen 9 insbesondere zur Ansteuerung der Dosierventile 19 wirkverbunden ist. Dabei sind durch das Steuergerät vorzugsweise Öffnungszeiten der Dosierventile 19 vorgebbar. Es ist möglich, dass das Steuergerät 37 zur Bestimmung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge und damit der Öffnungszeiten der Dosierventile 19 Werte heranzieht, die von einem Druck- und /oder einem Temperatursensor vorzugsweise stromaufwärts der Dosiereinrichtungen 9 oder auch in den Dosiereinrichtungen 9 erfasst werden. Insbesondere, wenn sowohl die Temperatur als auch der Druck des Reduktionsmittels erfasst werden, kann auf der Grundlage dieser Werte eine Dichte des Reduktionsmittels berechnet werden, sodass die einzudosierende Menge über die Öffnungszeiten der Dosierventile 19 sehr genau vorgebbar ist. Das Steuergerät 37 ist vorzugsweise mit der Druckquelle 10, hier konkret mit der Pumpe 11, zu deren Ansteuerung wirkverbunden. Alternativ oder zusätzlich ist das Steuergerät 37 vorzugsweise mit dem Druckhalteventil 25 wirkverbunden. Insbesondere wenn das Steuergerät 37 – wie in 3 dargestellt – sowohl mit der Druckquelle 10 als auch mit dem Druckhalteventil 25 wirkverbunden ist, ist eine sehr genaue Steuerung oder Regelung des Reduktionsmitteldrucks in dem gemeinsamen Druckspeicher 29 möglich. Die verschiedenen Wirkverbindungen des Steuergeräts 37 sind dabei in 3 als strichlierte Linien dargestellt.
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Vorzugsweise weisen auch die übrigen hier beschriebenen Ausführungsbeispiele ein entsprechendes Steuergerät 37 auf. Insofern ist alles, was hier in Zusammenhang mit dem Steuergerät 37 ausgeführt ist, nicht ausschließlich in Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel zu verstehen, sondern genauso auf die übrigen Ausführungsbeispiele anwendbar.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Systems 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind hier drei Dosiereinrichtungen 9 parallel zueinander angeordnet, die von der gemeinsamen, hier als Pumpe 11 ausgebildeten Druckquelle 10 mit Reduktionsmittel versorgt werden. Im Unterschied zu dem dritten Ausführungsbeispiel entfällt bei dem vierten Ausführungsbeispiel allerdings das externe Druckhalteventil 25. Stattdessen ist in jede der Dosiereinrichtungen 9 ein Druckhalteventil 25 integriert. Dabei ist in 4 explizit dargestellt, dass jede der Dosiereinrichtungen 9 eine Verbindungsleitung 39 zwischen dem Vorlaufanschluss 15 und dem Rücklaufanschluss 17 aufweist. Das Druckhalteventil 25 ist in der Verbindungsleitung 39 angeordnet und daher ausgebildet, einen Druck stromaufwärts seiner Position und somit insbesondere stromaufwärts der Rücklaufleitung 27 zu halten. Stromaufwärts des Druckhalteventils 25 zweigt von der Verbindungsleitung 39 eine Dosierleitung 41 ab, durch welche das Dosierventil 19 mit dem Reduktionsmittel 3 versorgbar ist. Durch die Integration der Druckhalteventile 25 in die Dosiereinrichtungen 9 kann ein Teil entfallen, nämlich das externe Druckhalteventil 25, wodurch die Teilezahl des Systems 1 verringert und dessen Montage vereinfacht wird.
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In Zusammenhang mit dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel zeigt sich, dass diese aufgrund der parallelen Anordnung der Dosiereinrichtungen 9 regelungstechnisch besonders einfach zu behandeln sind und eine besonders genaue, reproduzierbare Eindosierung von Reduktionsmittel 3 in die Abgaseinrichtung 5 ermöglichen.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Systems 1 möglich ist, auch Brennkraftmaschinen 7 im mittleren bis hohen Leistungsbereich auf einfache, reproduzierbare und kostengünstige Weise mit Reduktionsmittel 3 zur Abgasnachbehandlung zu versorgen. Dabei werden Bauteilkosten durch den modularen Aufbau und die Versorgung der Dosiereinrichtungen 9 über die gemeinsame Druckquelle 10 erheblich minimiert, da die Anzahl der erforderlichen Komponenten wie Schlauchleitungen und Pumpen deutlich reduziert wird.
