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Stand der Technik
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Ein
etabliertes Verfahren zur Stickoxidreduktion im Abgasmagerbetrieb
in Verbrennungskraftmaschinen ist die selektive katalytische Reduktion (SCR).
Bei dem Ammoniak-SCR-Verfahren wird als Reduktionsmittel Ammoniak
(NH3) im Abgas vor einem entsprechenden
Reduktionsmittelkatalysator benötigt. Dabei wird bei heutigen
Verfahren oftmals durch Einblasen eines wässrigen Harnstoff-Luft-Aerosols
in das Motorabgas durch Thermolyse und anschließende katalysierte
Hydrolyse das eigentliche Reduktionsmittel Ammoniak (NH3)
freigesetzt. Dieses Verfahren steht für den Nutzfahrzeugbereich
unmittelbar vor der Serieneinführung.
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Im
Hinblick auf einen möglichen Einsatz bei Personenkraftwagen
ist dieses Verfahren mit Lufteinblasung aufgrund der hohen Systemkomplexität
hinsichtlich entstehender Kosten, benötigtem Bauraum und
erforderlicher Druckluftversorgung als wenig marktgerecht einzustufen.
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Ein
weiteres Verfahren zur Vermeidung der Druckluftabhängigkeit
sieht die Einspritzung der mittels einer Pumpe komprimierten, unter
Druck stehenden Harnstofflösung (AdBlue) mit selbstaufbereitenden
Ventilen vor. Zur Anwendung kommen oftmals die Ventile, die aus
der Benzineinspritzung an Verbrennungskraftmaschinen bereits bekannt
sind.
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Schwierigkeiten
treten insbesondere hinsichtlich der Notwendigkeit der Kühlung
eines derartigen elektrischen Ventils auf, das unmittelbar an der höhere
Temperaturen führenden Abgasanlage angebracht ist. Weiterhin
ist die Wintertauglichkeit als problematisch anzusehen, da bei Temperaturen
von unter –11°C die gebräuchliche Harnstoff-Wasser-Lösung
gefriert und sich demzufolge ausdehnt. Somit ist zur Erzielung einer
Wintertauglichkeit eines derartigen Ventils und weiterer betroffener
Systemkomponenten (Förderaggregat und Druckregelkomponenten)
ein erheblicher konstruktiver und die Systemkomplexität
erhö hender Aufwand in Kauf zu nehmen, der durch eine eisdruckfeste
Konstruktion, die erforderliche Beheizung und gegebenenfalls eine
rücksaugende Pumpe dargestellt ist.
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Für
den Einsatz in Personenkraftfahrzeugen stellt sich somit die Frage
nach einem in der Systemkomplexität einfachen und damit
bezüglich Kosten und Kundenakzeptanz realistischen Konzeptpunkt. Mit
einem einfachen Konzept eröffnet sich die Möglichkeit
eines breiten Einsatzes der Harnstoff-SCR-Technik zur Entstickung
magerer dieselmotorischer Abgase und damit die Erfüllung
von in Zukunft zu erwartender Stickoxid-Abgasgrenzwerte.
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DE 196 46 643 C1 zeigt
eine Anlage zur Stickoxid-Reduktionsmitteleinspritzung in einen
Abgasstrom. Dabei wird das Reduktionsmittel durch eine Mehrzahl
feiner Düsenöffnungen hindurch in Form feiner
Strahlen mittels lokaler, getakteter Überdruckerzeugung
steuerbar in den Abgasstrom eingespritzt. Als Düsen werden
dabei piezoelektrisch gesteuerte Düsen, ähnlich
den Düsen in piezoelektrischen Tintenstrahldruckköpfen,
oder Düsen mit getakteten Heizwiderstandselementen, ähnlich
bekannten Bubble-Jet-Tintenstrahldruckköpfen, eingesetzt. Die
in der
DE 196 46 643
C1 beschriebene Anordnung ist jedoch apparativ sehr aufwändig
und insbesondere hinsichtlich der aggressiven Eigenschaften der
eingesetzten Fluide störanfällig und teuer und eignet
sich daher nicht für den Einsatz an Kraftfahrzeugen.
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DE 10 2005 037 150
A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dosierung eines
Reduktionsmittels. Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Dosierung
eines Reduktionsmittels, bei dem es sich insbesondere um eine wässrige
Harnstofflösung handelt, ermöglicht deren Eintrag
in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors.
Es ist eine Dosierpumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus
einem Tank über eine Leitung zu einer federbelasteten Einspritzdüse
vorgesehen. Diese öffnet sich selbstständig durch
den Druck des Reduktionsmittels und spritzt das Reduktionsmittel
in den Abgastrakt ein. In der Einspritzdüse herrscht ein
konstanter Druck des Reduktionsmittels, der größer
ist als ein Siededruck des Reduktionsmittels.
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Bei
Abgasnachbehandlungssystemen zur Stickoxid (NOx)-Reduktion
kommen nach innen öffnende Düsen zum Einsatz, über
welche das Reduktionsmittel, so zum Beispiel Harnstoff in wässriger
Lösung, in den Abgastrakt und den dort strömenden
Abgasstrom eingespritzt wird. Diese Systeme erfordern zum Teil ein
Rücksaugen des Reduktionsmittels beim Abstellen der Verbrennungskraftmaschine
oder bei Verzicht auf dieses Rücksaugen hohe Anforderungen
an die Eisdruckfestigkeit der Systemkomponenten. Nach dem Abschalten
des Abgasnachbehandlungssystems erfolgt ein Rücksaugen
oder Ausblasen des noch in den Systemkomponenten befindlichen Reduktionsmittels,
damit beim eventuellen Gefrieren des Mediums die Bauteile nicht
aufgrund von Eisdruck, einer etwa 8%-igen Volumenzunahme zwischen
Flüssigphase und Eisphase des Reduktionsmittels AdBlue,
platzen oder geschädigt werden. Bei den eingesetzten Dosierventilen
handelt es sich um nach innen öffnende Ventile. Dies bedeutet,
dass ein Spraybildner beziehungsweise ein Sprühnebelbildner
stromabwärts des Schließkörpers der eingesetzten
Dosierventile sitzt. Dies bedeutet, dass sich nach dem Abstellen
der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Abgasnachbehandlungssystems Medium,
d. h. Reduktionsmittel, in einem Totvolumen zwischen einer Sitz-Schließfläche
und der Spray- beziehungsweise Sprühnebelaustrittsöffnung
nach außen zum Abgasrohr hin befindet. Bei niedrigen Temperaturen
gefriert der nicht rücksaugbare Anteil des Reduktionsmittels,
der in diesen Hohlräumen noch vorhanden ist, und der auftretende
Eisdruck aufgrund der oben angesprochenen Volumenphase zwischen Flüssigphase
und Eis kann Verformungen beziehungsweise Schäden hervorrufen,
falls das Medium, im vorliegenden Falle falls das Reduktionsmittel, nicht
vollständig während der Abkühlphase verdampft.
Aber auch das Verdampfen des Reduktionsmittels erzeugt einen Harnstoffbelag
in diesen Hohlräumen, der sich bei Überschreitung
bestimmter Temperaturen zu schwer löslichem Biuret umbildet, insbesondere
bei den derzeit projektierten Nutzfahrzeugsystemen mit Düsentemperaturen
von bis zu 250°C. Mit zunehmendem Belagsaufbau wird jedoch der
Strömungsquerschnitt verringert und der erzeugte Sprühnebel
beeinflusst.
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Bei
rücksaugfreien Abgasnachbehandlungssystemen müssen
alle Teile eisdruckfest sein, sonst besteht die Gefahr des Gefrierens
bei niedrigen Außentemperaturen in der kalten Jahreszeit.
Die nach innen öffnenden Ventile öffnen aber nicht
passiv bei Druckanstieg, sondern bleiben geschlossen. Bei Verwendung
von Ventilen mit einem nach außen öffnenden Kegelsitzventil
(A-Ventile) besteht das Problem der Austrocknung derselben in der
Nachheizphase und dem Nachtropfen des Reduktionsmittels und dem
damit einhergehenden Eintrag vom aggressiven Reduktionsmittel AdBlue
in die Abgasanlage und dem sich daran anschließenden zwangsläufig
erfolgenden Aufbau schädlicher Harnstoffschichten mit den
oben genannten negativen Konsequenzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
ein nach außen öffnendes Einspritzventilglied
vorgeschlagen, welches einerseits einen Kegelsitz oder andererseits
auch einen Kugelsitz aufweisen kann, welches nach dem Abstellen
nicht tropft, da unter allen Bedingungen im Abstellfall Drucklosigkeit
herrscht oder ein gezielt vorgegebener geringer Druck herrscht,
und die Komponenten des Einspritzventilgliedes innen, d. h. stromauf
des Ventilsitzes, stets mit Medium benetzt sind. Dies verhindert
wirksam eine Bildung von Kristallen.
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Dadurch
kann verhindert werden, dass sich in den innenliegenden Hohlräumen,
d. h. den Hohlräumen, die vor dem Ventilsitz liegen, bei Über-
beziehungsweise Unterschreitung bestimmter Temperaturen schwerlöslicher
Biuret bildet. Dadurch kann dem schädlichen Belagsaufbau
vorgebeugt werden, der den Strömungsquerschnitt verringert
und die Sprühnebelbildung negativ beeinflusst.
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In
vorteilhafter Weise kann in einer Nachheizphase der Druck im Abgasnachbehandlungssystem
stets unterhalb des Öffnungsdruckes des Dosierventils gehalten
werden. Ein Abblasen des Druckes erfolgt über ein in einer
Querverbindung zwischen der Dosierleitung zum Dosierventil und dem
Tank angeordnetes, im stromlosen Zustand offenes Schaltventil oder
alternativ – wenn vorhanden – ein in einen Ventilblock
aufgenommenes erstes Rückschlagventil (R1).
Beim Abkühlen wird über das in diesem Falle offenstehende
Schaltventil und ein zweites Rückschlagventil innerhalb
eines Ventilblockes Flüssigkeit angesaugt. Dadurch ist
sichergestellt, dass stets ein mit Flüssigkeit befülltes
System vorliegt, in dem sich keine Harnstoffkristalle durch Austrocknen
der Harnstoff-Wasser-Lösung bilden können.
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Bei
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abgasnachbehandlungssystem
fördert ein Förderaggregat über einen
Filter Medium, so zum Beispiel wässrige Harnstofflösung,
zu einem getaktet betriebenen Dosierventil. Dieses kann zum Beispiel
als ein aus der Benzineinspritzung bekanntes Ventil ausgestaltet
sein. Von dort strömt das Medium einem Einspritzventil
zu, bei dem es sich zum Beispiel um ein modifiziertes Ventil einer
Benzineinspritzung handeln kann. Diesem ist eine Querverbindung
zum Tank des Reduktionsmittels vorgeschaltet, in dem ein im stromlosen
Zustand offenstehendes Schaltventil angeordnet ist. In Bezug auf
die räumliche Anordnung ist es vorteilhaft, wenn der Tank,
in dem das Reduktionsmittel bevorratet ist, höher liegt
als das stromlos offene Schaltventil und dieses höher liegt
als das Einspritzventil. Über dieses wird das Reduktionsmittel
in einen Austrittsraum, so zum Beispiel ein Abgasrohr, das von einer
Abgasströmung durchströmt ist, eingeführt,
wobei das Aufsteigen von Gasblasen gewährleistet bleibt.
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Alternativ
zu einer Querverbindung zwischen dem Boden des Tankes, in dem das
Reduktionsmittel bevorratet wird, und dem stromlos offenen Schaltventil,
kann in der Querverbindung ein Rückschlagventilblock ausgebildet
sein. In diesem sind zwei Rückschlagventile aufgenommen.
Ein erstes Rückschlagventil R1 stellt
bei offenstehendem Schaltventil sicher, dass sich in einer Nachheizphase
ein begrenzter Druck einstellen kann, um im aufgeheizten System
Dampfblasen zu minimieren. Ein weiteres, zweites Rückschlagventil
(R2) stellt ein nahezu kraftfrei ausgebildetes
Rückschlagventil dar, welches beim Abkühlen des
Systems und damit der Leitungen bei offenem Schaltventil ein Nachsaugen
von Medium aus dem Tank, in dem das Reduktionsmittel bevorratet
wird, zulässt.
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Die
Betriebszustände des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Abgasnachbehandlungssystems stellen sich wie folgt dar: Kurz vor
der Freigabe des Dosiermodus' hat der Katalysator, der eine selektive katalytische
Reduktion des Abgases vornimmt, Betriebstemperatur erreicht. Das
Reduktionsmittel, bei dem es sich bevorzugt um Harnstoff in wässriger
Lösung handelt, ist durch Heizungen oder Abwärme – beispielsweise
der Verbrennungskraftmaschine – aufgetaut, falls es vorher
gefroren war. Das dem Einspritzventil vorgeschaltete Dosierventil
werden geöffnet, um das Abgasnachbehandlungssystem zu spülen
und zu entlüften. Das Einspritzventil bleibt geschlossen,
da kein Druck anliegt, der größer als der Öffnungsdruck
dieses druckgesteuerten Ventils vorliegt.
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Im
Dosiermodus, d. h. für den Fall, dass Reduktionsmittel
in den Austrittsraum eingebracht wird, steht das stromlos offene
Schaltventil geschlossen und das Dosierventil, welches dem Einspritzventil vorgeschaltet
ist, wird getaktet angesteuert, entsprechend dem Dosiermengenbedarf.
Es erfolgt eine Einspritzung von Reduktionsmittel über
das Einspritzventil in den Austrittsraum, im vorliegenden Falle
in das Abgasrohr, welches vom Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine
durchströmt wird.
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Im
Falle einer Regeneration, zum Beispiel eines Dieselpartikelfilters
und abgestellter Verbrennungskraftmaschine, steht das stromlos offene Schaltventil
offen, wohingegen das dem Einspritzventil vorgeschaltete Dosierventil
geschlossen ist. Das Einspritzventil bleibt geschlossen, da dessen Öffnungsdruck
nicht überschritten wird.
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Zum
Erreichen eines guten Spülergebnisses, vor oder nach erfolgter
Eindosierung von Reduktionsmittel, ist es sinnvoll, ein T-Stück
zwischen den Ventilen Einspritzventil, Dosierventil und Schaltventil möglichst
nahe am stromlos offenen Schaltventil anzuordnen. Sollte ein Ausgasen
im Bereich des dem Einspritzventil vorgeschalteten Dosierventils
ein Problem darstellen, ist das T-Stück nahe an das Schaltventil
zu verlegen und gegebenenfalls dort zu integrieren.
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Als
Leitungen zur Leitung des Reduktionsmittels im Abgasnachbehandlungssystem
werden bevorzugt Wellschläuche eingesetzt, die in der Lage sind,
einen im Falle von Eisbildung ansteigenden Druck ausgleichen zu
können. Aus dynamischen Gründen hinsichtlich der
Ansprechbarkeit des Abgasnachbehandlungssystems kann es unter Umständen
erforderlich sein, die Leitungen zwischen dem Einspritzventil, dem
diesen vorgeschalteten Dosierventil und dem stromlos offenen Schaltventil
härter auszuführen, so zum Beispiel derart, dass
deren Härte im Resonanzbereich des Einspritzventils und im Öffnungsdruckbereich
des Dosierventils liegen. Das Einspritzventil öffnet nicht
statisch, sondern dessen Ventilnadel schwingt mit einer Frequenz
von zum Beispiel 100 Hz zwischen der geschlossenen und der offenen
Position, um einen möglichst feinen, kleine Tröpfchen
enthaltenden Sprühnebel zu erzeugen. In Bezug auf das Einspritzventil
ist es sinnvoll, dass das Einspritzventil während der Dosierung
schwingt und die Leitungen um das T-Stück – an
dem die Querverbindung zum Tankboden in die Dosierleitung mündet – herum
diese Schwingung nicht dampfen.
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Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene System ist auch
für die Dosierung von Dieselkraftstoff für die
Dieselpartikelfilter (DPF)-Regeneration geeignet, da es sich durch
die Querverbindung zum Tank sowie über das stromlos offene
Schaltventil und die Rückschlagventile R1,
R2 von derzeit eingesetzten Seriensystemen
unterscheidet. Dadurch kann ein Spülen in den Regenerationspausen
erfolgen, um ein Verharzen des Dieselkraftstoffes zu vermeiden und
um eine Kühlung herbeizuführen. In diesem Falle
ist das T-Stück, an dem die Querverbindung vom Tank des Reduktionsmittels
vor dem Einspritzventil in die Dosierleitung mündet, nahe
am Einspritzventil zu platzieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Komponenten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Abgasnachbehandlungssystems und
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2 einen
Ventilblock, der in eine Querverbindung zwischen dem Reduktionsmitteltank
und der Dosierleitung eingebaut ist, die vor dem Einspritzventil
in die Dosierleitung mündet.
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Ausführungsformen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung Komponenten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Abgasnachbehandlungssystems.
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Ein
in 1 dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem 10 umfasst
einen Tank 12, in dem Reduktionsmittel 14 bevorratet
wird. Bei dem Reduktionsmittel 14 handelt es sich bevorzugt
um in einer wässrigen Lösung gelösten
Harnstoff (HWL), der dem Abgas von magerbetriebenen selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen
im Abgastrakt zugemischt wird. Ein Pegel, welchen das Reduktionsmittel 14 im
Tank 12 einnimmt, ist in der Darstellung gemäß 1 durch
Bezugszeichen 16 angedeutet. Aus dem Tank 12 wird
das Reduktionsmittel 14 durch Zwischenschaltung eines Filters 18 mittels
eines Förderaggregates 20 angesaugt. Das Förderaggregat 20 wird über
eine Ansteuerleitung 22 von einem hier nur schematisch
angedeuteten Steuergerät 24 angesteuert. Druckseitig
ist dem Förderaggregat 20 ein Filterelement 26 nachgeschaltet, über
welches das durch das Förderaggregat 20 komprimierte
Medium nochmals gefiltert wird, bevor es in ein Dosierventil 28 gelangt.
Das Dosierventil 28 wird ebenfalls über das Steuergerät 24 mittels
einer Steuerleitung angesteuert.
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Abströmseitig
ist dem Dosierventil 28 ein Einspritzventil, vergleiche
Bezugszeichen 30, nachgeschaltet, welches als ein nach
außen öffnendes Ventil (A-Ventil) beschaffen sein
kann. Vor dem Einspritzventil 30 mündet in die
Leitung, die sich zum Einspritzventil 30 vom Dosierventil 28 aus
erstreckt, an einem T-Stück eine Querverbindung 34 ein.
Die Querverbindung 34 verläuft zwischen einem
Tankboden 38 des Tanks 12, in dem das Reduktionsmittel 14 bevorratet
wird und mündet in die Zuleitung zum Einspritzventil 30 zwischen
diesem und dem Dosierventil 28.
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Die
Querverbindung 34 zwischen T-Stück 36 und
dem Tankboden 38 des Tanks 12 zur Bevorratung
des Reduktionsmittels 14 umfasst ein stromlos offenes Schaltventil 32.
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Das
Einspritzventil 30 ist zum Beispiel als ein nach außen öffnendes
Ventil ausgeführt (A-Ventil) und umfasst einen Hohlraum 40.
Der Hohlraum 40 wird durch das in einen Austrittsraum 54 einzudosierende
Medium beaufschlagt, im vorliegenden Falle im Falle eines Abgasnachbehandlungssystems 10 durch
Reduktionsmittel 14 (HWL). Im Hohlraum 40 des
Einspritzventils 30 befindet sich ein Ventilschaft 44,
der durch eine Feder 42 beaufschlagt ist. Das Einspritzventil 30 gemäß der
Darstellung in 1 wird bevorzugt als öffnungsdruckgesteuertes
Ventil ausgeführt. Je nachdem, welcher Druck im Hohlraum 40 – erzeugt
durch das Förderaggregat 20 und gesteuert durch
das Dosierventil 28 sowie das stromlos offene Schaltventil 32 – herrscht, öffnet
das Einspritzventil 30 an einem Ventilsitz 48 oder
bleibt geschlossen. Dies hängt davon ab, ob der Öffnungsdruck
des Einspritzventils 30 erreicht ist oder nicht.
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Im
Hohlraum 40 des Einspritzventils 30 befindet sich
der Ventilschaft 44, an welchem ein Ventilteller 46 ausgeführt
ist. Der Ventilteller 46 kann entweder kegelstumpfförmig
ausgebildet sein oder auch als Kugel beschaffen sein. Der Ventilteller 46 verschließt
in der Dar stellung gemäß 1 einen
Sitz 48, der am Gehäuse des Einspritzventils 30 ausgeführt
ist. Dieses ist an einem Befestigungsstutzen 58 an einem
Austrittsraum 54 – hier beschaffen als Abgasrohr – angeflanscht. Überschreitet
der im Hohlraum 40 des Einspritzventils 30 herrschende
Druck des Reduktionsmittels den Öffnungsdruck des Einspritzventils 30,
so tritt Reduktionsmittel 14 als Sprühnebel in
den Austrittsraum 54 ein. Der Austrittsraum 54 gemäß der
Darstellung in 1 ist als Abgasrohr beschaffen.
Dieses wird von einem Abgasstrom 52 durchströmt,
welcher den Austrittsraum 54 in Strömungsrichtung 56 durchströmt.
Bei offenstehendem Einspritzventil 30 wird das Reduktionsmittel 14 – angedeutet
durch den Sprühnebel – in den den Austrittsraum 54 in
Strömungsrichtung 56 passierenden Abgasstrom 52 eindosiert.
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In
diesem Falle steht eine Austrittsöffnung 50, an
der der Sitz 48 des Einspritzventils 30 ausgebildet
ist, offen. Sobald der Druck im Hohlraum 40 den Öffnungsdruck
des Einspritzventils 30 unterschreitet, schließt
das Einspritzventil 30 am Sitz 48 aufgrund der
durch die Feder 42 in Schließrichtung entgegen
des anstehenden Druckes wirkenden Federkraft.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass in der Querverbindung 34 zwischen dem Boden 38 des
Tanks 12 und dem T-Stück 36 das stromlos
offene Schaltventil 32 angeordnet ist. Des Weiteren kann – wie.
in 2 dargestellt – in der Querverbindung 34 ein
Ventilblock 64 vorgesehen sein.
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2 zeigt
den als Option zur Ausführungsvariante gemäß 1 in
die Querverbindung integrierbaren Ventilblock mit zwei gegensinnig
zueinander wirkenden Rückschlagventilen.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht,
umfasst der Ventilblock 64 ein erstes Rückschlagventil 66 (R1) sowie ein gegensinnig zu diesem angeordnetes
zweites Rückschlagventil 68 (R2).
Eine Sperrrichtung, in welche das erste Rückschlagventil 66 sperrt,
ist durch Bezugszeichen 70 angedeutet. Das erste Rückschlagventil 66 umfasst
einen kugelförmigen Schließkörper, der
durch eine Feder beaufschlagt ist.
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Zu
diesem in entgegengesetzter Wirkrichtung ist in einem zweiten Ast 76 gegenläufig
zu einem ersten Ast 74 – des Ventilblocks 64 das
zweite Rückschlagventil 68 aufgenommen. Dieses
umfasst ebenfalls einen kugelförmig ausgebildeten Schließkörper, der
durch ein Federelement beaufschlagt ist.
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Während
das erste Rückschlagventil 66 in der Querverbindung 34 zum
stromlos offenen Schaltventil 32 schließt, d.
h. in Sperrrichtung 70, schließt das zweite Rückschlagventil 68 in
einer zweiten Sperrrichtung 72 in Richtung auf den Tank 12,
in dem Reduktionsmittel 14 bevorratet wird.
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Bei
dem in den 1 und 2 dargestellten
Abgasnachbehandlungssystem 10 ist sichergestellt, dass
mit einem nach außen öffnenden Einspritzventil 30,
welches als Kegelsitzdüse oder auch als Kugelsitzdüse
ausgebildet ist, nach dem Abstellen ein nachträgliches
Abtropfen von Reduktionsmittel 14 verhindert wird, sobald
das Abgasnachbehandlungssystem 10 abgestellt wird. Es ist
gewährleistet, dass unter allen auftretenden Betriebsbedingungen das
Abgasnachbehandlungssystem 10 im Abstellfall drucklos wird
oder mit einem gezielten, geringen Druck beaufschlagt bleibt. Des
Weiteren ist durch die Konfiguration des Abgasnachbehandlungssystems 10 gemäß der 1 und 2 sichergestellt,
dass sämtliche Komponenten stets innen immer mit Medium,
d. h. Reduktionsmittel 14, benetzt sind, so dass eine Kristallbildung
durch Austrocknen wirksam unterbunden wird, ebenso ein mit der Kristallbildung einhergehender
Aufbau von Harnstoffschichten, der die Sprühnebelbildung
im Abgasnachbehandlungssystem 10 negativ beeinflusst.
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Bei
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abgasnachbehandlungssystem 10 ist
sichergestellt, dass in einer Nachheizphase des Systems der dort herrschende
Druck stets unterhalb des Öffnungsdruckes des Einspritzventils 30 verbleibt.
Ein Abblasen von Druck erfolgt über das stromlos offenstehende Schaltventil 32 und
das gegebenenfalls vorhandene erste Rückschlagventil 66 in
der Querverbindung 34 in Richtung des Tankbodens 38 des
das Reduktionsmittel 14 aufnehmenden Tanks 12.
Beim Abkühlen des Abgasnachbehandlungssystems 10 wird über das
Dosierventil 28 und das zweite Rückschlagventil 68 Medium,
d. h. Reduktionsmittel 14, angesaugt. Somit ist stets ein
mit Flüssigkeit gefülltes Abgasnachbehandlungssystem 10 sichergestellt,
in dem sich keine Kristalle des Reduktionsmittels 14 bilden können.
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Das
Förderaggregat 20 fördert über
den Filter 18 beziehungsweise das Filterelement 26 zum Dosierventil 28.
Bei diesem handelt es sich um ein über das Steuergerät 24 via
Steuerleitung 60 angesteuertes Ventil, zum Beispiel ein
Benzineinspritzventil. Stromab des getaktet angesteuerten Dosierventils 28 befindet
sich das Einspritzventil 30, welches zum Beispiel als ein
ebenfalls aus der Benzineinspritzung stammendes, jedoch modifiziertes
Ventil ausgeführt sein kann. In der Querverbindung 34 zwischen
dem Tankboden 38 des das Reduktionsmittel 14 bevorratenden
Tanks 12 und dem T-Stück 34 befindet
sich das im stromlosen Zustand offene Schaltventil 32.
Der Tank 12 ist höher angeordnet als das stromlos offene
Schaltventil 32 und ebenfalls höherliegend angeordnet
als das Einspritzventil 30, so dass Gasblasen aufsteigen
können.
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Wird
in die Querverbindung 34 der Ventilblock 64 eingebaut,
so kann das in diesem vorgesehene erste Rückschlagventil 66 bei
offenstehendem Schaltventil 32 sicherstellen, dass sich
in einer Nachheizphase ein gewisser, jedoch begrenzter Druck einstellt,
um im aufgeheizten Abgasnachbehandlungssystem 10 die Bildung
von Dampfblasen zu minimieren. Das zweite Rückschlagventil 68 des
Ventilblocks 64 ist ein nahezu kraftfrei ausgelegtes Rückschlagventil,
welches beim Abkühlen der Leitung – bei offenstehendem
Schaltventil 32 – ein Nachsaugen aus dem das Reduktionsmittel 14 (HWL)
bevorratenden Tank 12 möglich macht. Dieses zweite Rückschlagventil 38 sperrt
hingegen sicher, wenn der Druck im Abgasnachbehandlungssystem 10 über Atmosphärendruckniveau
liegt. Dies ist dann der Fall, wenn keine Dosierung vorliegt, das
Schaltventil 32 offensteht und über das erste
Rückschlagventil 66 ein Druckaufbau erfolgt.
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Kurz
vor Freigabe des Dosiermodus' über Betätigung
des Einspritzventils 30, vorausgesetzt, der SCR-Katalysator
hat seine Betriebstemperatur erreicht, das Reduktionsmittel 14,
zum Beispiel Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL), ist durch Heizungen oder
Abwärme aufgetaut, falls vorher eingefroren, wird das Schaltventil 32 geöffnet.
Das Dosierventil 28 wird geöffnet und das Abgasnachbehandlungssystem 10 gespült
und entlüftet. Das Einspritzventil 30 steht vorerst
geschlossen, da kein dessen Öffnungsdruck übersteigender
Druck anliegt. Dies ist durch die Auslegung des Förderaggregates 20 beziehungsweise
die Leitungsquerschnitte der Leitungen des Abgasnachbehandlungssystems 10 beziehungsweise durch
die Auslegung des ersten Rückschlagventils 66 zu
gewährleisten. Im Dosiermodus, d. h. im Betriebsmodus des
Abgasnachbehandlungssystems 10, innerhalb dessen Reduktionsmittel 14 in
den Austrittsraum 54 eingesprüht wird, wird das
stromlos offene Schaltventil 32 bestromt, d. h. geschlossen,
das Dosierventil 28 wird durch das Steuergerät 24 gemäß Anforderungen
und Dosiermengenbedarf getaktet, und Reduktionsmittel 14 wird über
das Einspritzventil 30 in den Austrittsraum 54,
hier ausgebildet als Abgasrohr, welches vom Abgasstrom 52 durchströmt wird,
eingesprüht.
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Bei
abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine oder abgeschaltetem Abgasnachbehandlungssystem 10,
so zum Beispiel bei der Regeneration eines Dieselpartikelfilters,
steht das stromlos offene Schaltventil 32 offen, das Dosierventil 28 wird nicht
angesteuert und ist geschlossen, ferner bleibt das Einspritzventil 30 geschlossen,
da dessen über die Feder 42 eingestellter Öffnungsdruck
im Abgasnachbehandlungssystem 10 nicht überschritten
wird.
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Zur
Erreichung eines guten Spülvorgangs vor oder nach einem
Dosierzyklus ist es sinnvoll, das T-Stück 36 zwischen
dem Dosierventil 28, dem Einspritzventil 30 sowie
dem stromlos offenstehenden Schaltventil 32 derart anzuordnen,
dass dieses möglichst nahe am stromlos offenen Schaltventil 32 sitzt. Sollte
ein Ausgasen im Bereich des Dosierventils 28 ein Problem
darstellen, ist es sinnvoll, das T-Stück 36 möglichst
nahe am Dosierventil 28 unterzubringen, beziehungsweise
in dieses zu integrieren. In vorteilhafter Weise werden im erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Abgasnachbehandlungssystem 10 die Leitungen als Wellschläuche
ausgebildet, die einen eventuell auftretenden Eisdruck durch Verformung ausgleichen
können. Aus dynamischen Gründen kann es erforderlich
sein, den Leitungsabschnitt zwischen dem Einspritzventil 30,
dem Dosierventil 28 sowie dem stromlos offenen Schaltventil 32 härter auszuführen,
zumindest im Resonanzbereich des Einspritzventils 30 sowie
in dessen Öffnungsdruckbereich. Ursache dafür
ist ein mögliches Schwingen des Einspritzventils 30 während
der Dosierung, weshalb die Leitungsabschnitte um das T-Stück 36 herum
diese Schwingung möglichst unbeeinflusst lassen sollten.
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Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene Abgasnachbehandlungssystem 10 ist
darüber hinaus auch für die Dosierung von Dieselkraftstoff
für Dieselpartikelfilterregeneration geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19646643
C1 [0006, 0006]
- - DE 102005037150 A1 [0007]