DE102008041326A1

DE102008041326A1 - Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008041326A1
Application number: DE102008041326A
Authority: DE
Inventors: Katharina Dravits; Max Leonhard; Frank Miller; Ulrich Meingast; Wolfgang Klenk; Ulf-Peter Schmeling; Andreas Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem temperaturbeaufschlagten Bauteil 10 vorgeschlagen, wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einem Material 20, 48 zum Schutz vor einem Überschreiten einer Höchsttemperatur versehen ist, welches einen Phasenübergang unterhalb der Höchsttemperatur vollzieht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Um Stickoxide im Abgasstrom eines Dieselmotors reduzieren zu können, kann eine wässrige Harnstofflösung (AdBlue) über ein Dosiermodul in den Abgastrakt eines Personen- oder Lastkraftwagens eingespritzt werden. Das Dosiermodul wird dazu direkt an das Abgasrohr angebracht. Durch den Wärmefluß vom Abgasrohr in das Dosiermodul beziehungsweise durch applikationsbedingt hohe Umgebungstemperaturen (zum Beispiel in der Nähe eines Partikelfilters) kann sich das Dosiermodul stark aufheizen, was sich schädlich auf die Dauerhaltbarkeit und die Funktion auswirken kann. In Kombination mit der eingespritzten Harnstoff-Wasser-Lösung, die ab Temperaturen von 80 Grad Celsius schnell altert und die korrosiven Zerfallsprodukte Ammoniak und Kohlendioxid bildet, reagieren metallische Werkstoffe beziehungsweise sie korrodieren. Je höher die Temperatur, desto stärker ist der korrosive Angriff auf das Dosiermodul. Als Folge davon können Dichtheitsprobleme und eine Fehlmengendosierung auftreten. Wird das Dosiermodul überhitzt, könnten bei hohen Temperaturen auch in diesem Bereich verwendete Kunststoffmaterialien schmelzen bzw. die wässrige Harnstofflösung im Dosiermodul zum Kochen kommen.
Aus der DE 10 2006 061 730 ist schon eine Vorrichtung bekannt, bei der passive Kühlmassnahmen zum Schutz einer Injektionseinrichtung vor hohen Temperaturen des Abgases vorgesehen sind.
Aus der DE 4436397 ist es bekannt, eine Anordnung zur Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung mit einer aktiven Kühlung in Form einer Kühlmanschette zu versehen, die vom Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine gespeist wird.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, ein temperaturbeaufschlagtes Bauteil mittels einer raumsparenden Maßnahme effektiv vor dem Erreichen von für die Lebensdauer abträglichen Temperaturbedingungen zu schützen und temperaturausgleichend zu wirken; es fallen keine zusätzlichen Maßnahmen beispielsweise für eine aktive Kühlung an.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, einen insbesondere in der Form angepassten Schutzkörper über ein an sich bereits bekanntes Bauteil überzustülpen, wodurch keine weiteren konstruktiven Maßnahmen erforderlich sind.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, einzelne Funktionskomponenten des temperaturbeaufschlagten Bauteils derart zu modifizieren, dass sie Wärmeeinträge abpuffern und wärmeausgleichend wirken, insbesondere solche Funktionskomponenten, die der Hitzequelle wie einem Abgasstrang zugewandt sind.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die weiteren in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein Einspritzventil mit einem Natrium enthaltenden Schutzkörper,
2 eine schematische Querschnittsansicht durch den Schutzkörper,
3 Teile eines Einspritzventils mit einer mit Natrium befüllten Ventilnadel und
4 ein Einspritzventil mit einem Latentwärmespeicher, der zusammen mit dem Ventil von einer Isolationsschicht umgeben ist.
Ausführungsformen der Erfindung
1 beschreibt eine als Harnstoff-Einspritzventil 10 ausgebildete Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einer Anschlussleitung 14 zur Zufuhr einer wässrigen Harnstofflösung (AdBlue), die über das Ventil dosiert in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll, um mittels eines im Abgastrakt nachgeordneten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion das Abgas von Stickoxiden zu befreien. Am Ventilkopf ist eine elektrische Kontaktierung 16 zur elektrischen Ansteuerung einer Ventilnadel des Ventils über ein entsprechend programmiertes, nicht näher dargestelltes elektronisches Steuergerät vorgesehen. Am Ventilfuß bzw. der Ventilspitze 12 befindet sich ein Behältnis 21 aus Edelstahl, das in Form einer doppelwandigen Hülse 18 einen geschlossenen Innenraum 25 umgibt. Der Innenraum ist zumindest teilweise mit einer Natriumfüllung 20 versehen und steht auf Höhe der Ventilspitze 12 über die Edelstahlhülse formschlüssig mit der Außenseite 23 des Ventils wärmeleitend in Verbindung. 2 zeigt eine Schnittansicht 30 der Doppelwandhülse 18 auf Höhe der in 1 gestrichelt dargestellten Querschnittsebene A-A', wobei der mit der Natriumfüllung 20 beaufschlagte verschlossene Innenraum 25 schraffiert abgebildet und die von der Hülse umschlossenen Bestandteile der Ventilspitze nicht näher dargestellt sind.
Das dargestellte Einspritzventil 10 ist aus einem oder mehreren metallischen Werkstoffen gefertigt und kann bei Anbringung im Abgastrakt eines Personenkraftwagens oder eines Lastkraftwagens dosiert Harnstoff in den Abgasstrom einbringen, um Stickoxide zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren. Das heiße Abgas kann die Spitze 12 eines Einspritzventils ohne besondere Maßnahmen auf Temperaturen oberhalb von 100 Grad Celsius aufheizen. Metallische Ventilwerkstoffe reagieren oberhalb dieser Temperatur verstärkt mit der wässrigen Harnstofflösung, werden oxidiert und bilden Korrosionsprodukte, die sich auf dem Ventilkörper ablagern. Als Folge davon können unter Umständen Dichtheitsprobleme auftreten. Je höher die Temperatur, umso stärker der Korrosionsangriff. Darüber hinaus verlieren die für den Ventilkörper eingesetzten austenitischen Werkstoffe ab 110 Grad Celsius verstärkt an Festigkeit. Das Alkalimetall Natrium hat einen Schmelzpunkt von 98 Grad Celsius, also innerhalb eines Bereichs von 80 bis 110 Grad Celsius, das heißt in einem Bereich, ab dem die abgasinduzierte Temperaturbeaufschlagung des Ventils kritisch werden kann. Der mittels der doppelwandigen Hülse 18 hergestellte gut wärmeleitende Kontakt des Alkalimetalls mit mindestens einem heißen Ventilbereich, beispielsweise der Ventilspitze wie in 1 dargestellt, gewährleistet, unter Ausnutzung der auftretenden Schmelzenthalpie des Natriums, eine Abpufferung der Temperaturbelastung und damit einen Temperaturschutz der Ventilwerkstoffe. Damit kann eine Aufheizung der Ventilspitze auf Temperaturen über 100 Grad Celsius verhindert beziehungsweise zumindest verzögert werden. Fällt die Temperatur im Abgas ab, erstarrt das Natrium wieder und kann das Ventil nachfolgend vor einer erneuten Temperaturbelastung schützen. Der Vorgang ist reversibel und kann beliebig oft wiederholt werden. Der direkte Kontakt von Natrium und Harnstofflösung ist zu vermeiden, was durch das vollständige Umschließen mittels der doppelwandigen Hülse aus Edelstahl gewährleistet ist, da Natrium stark exotherm mit wässrigen Lösungen reagiert. Die Edelstahlhülse kann beim Zusammenbau der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einfacher Weise passgenau über die Ventilspitze eines an sich bekannten Einspritzventils geschoben werden.
3 zeigt Teile 40 eines alternativen Einspritzventils zur Einspritzung von AdBlue in den Abgastrakt, und zwar eine auf einem schematisch dargestellten Ventilsitz 44 aufsitzende Ventilnadel 42, die in dieser Position die in den Ventilsitz 44 eingebrachten und mit einem Abgasraum kommunizierend anordenbaren Einspritzkanäle 46 verschließt. Die Ventilnadel ist mit einer Bohrung beziehungweise einem Hohlraum 50 versehen, der mit Natrium 48 aufgefüllt und anschließend verschlossen worden ist, so dass keine wässrige Harnstofflösung in die Nadel eindringen kann.
In ähnlicher Weise wie ein außen angebrachtes, mit Natrium befülltes Behältnis 21 kann alternativ oder auch zusätzlich die mit Natrium befüllte Ventilnadel einer ansonsten bekannten Ventilanordnung eine Temperaturbelastung des Ventils, insbesondere der Ventilspitze, abpuffern und damit zum Schutz der Ventilwerkstoffe beitragen. Ein Körper bzw. Schutzkörper kann also durch ein mit beispielsweise Natrium befülltes separates Behältnis (18, 21) und/oder durch eine bereits vorhandene, abgeänderte Funktionskomponente des temperaturbeaufschlagten Bauteils gebildet werden, bei einem Einspritzventil beispielsweise durch den Einsatz einer Ventilnadel 42 mit einem geschlossenen Hohlraum, der vor dem Verschließen beispielsweise mit Natrium befüllt worden ist.
4 zeigt ein Einspritzventil, bei dem gleiche oder ähnliche Bestandteile wie beim Einspritzventil nach 1 mit gleichem Bezugszeichen versehen sind und nicht nochmals beschrieben werden. Links abgebildet ist eine Schnittansicht entlang der im rechten Teil der Figur mit A-A' markierten Querschnittsebene durch eine Längsansicht des Einspritzventils 10. Der Ventilschaft bzw. die Ventilspitze 12 ist von einem latentwärmespeichernden Material 63 ringförmig umgeben. Sowohl der Latentwärmespeicher als auch der Ventilkopf 65 sind mit einer Isolationsschicht 61 zur thermischen Isolation abgedeckt. Hinsichtlich des Latentwärmespeichers erfüllt die Isolationsschicht nicht nur die Funktion einer thermischen Isolation, sondern sie umschließt ihn auch nach außen hin und hält ihn so im Falle eines Phasenübergangs zusammen bzw. schützt ihn vor einem Kontakt mit der äußeren Umgebung. Letzteres ist insbesondere im Falle eines Alkalimetalls wie Natrium, wie bereits beschrieben, von Bedeutung, um chemische Reaktionen dieses Materials insbesondere mit Wasser zu verhindern.
Der funktionsempfindlichste Bereich eines Dosiermoduls zur Einbringung eines Hilfsmittels in den Abgastrakt ist das Dosier- bzw. Einspritzventil. Dieses soll vor hohen Temperaturen oberhalb von 80 Grad Celsius geschützt werden. Ein ein- bzw. angebauter Latentwärmespeicher kann die auftretenden hohen Temperaturen abpuffern und die Gesamttemperatur in empfindlichen Bereichen in einem unteren Temperaturbereich halten. Ein Latentwärmespeicher ist eine Einrichtung, die thermische Energie verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und über lange Zeit speichern kann. Als Latentwärmespeicher kommen neben dem bereits beschriebenen Natrium auch andere Alkalimetalle sowie Paraffine oder Salze in Betracht. Besonders geeignet sind Stoffe, deren Schmelzpunkt zwischen 80 und 100 Grad Celsius liegt und die nicht sublimieren. Die außen angebrachte Isolationsschicht 61 verhindert einen hohen Wärmeeintrag von außen beispielsweise in Folge der Regeneration eines nahe angeordneten Partikelfilters, während der Latentwärmespeicher die Wärme aus dem Ventil aufnimmt.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Latentwärmespeicher wie in 1 von einem geschlossenen Körper umgeben sein, so dass in diesem Falle die Isolationsschicht auch im Bereich des Latentwärmespeichers nur die Funktion einer thermischen Isolation zu übernehmen braucht, während der Zusammenhalt bzw. die chemische Isolation des latentwärmespeichernden Materials durch den geschlossenen Körper gewährleistet wird. In einer vereinfachten Ausführungsform kann die Isolationsschicht 61 dann auch weggelassen werden. In weiteren alternativen Ausführungen kann der Latentwärmespeicher zusätzlich oder alternativ auch an einer oder mehreren anderen Stellen als am Ventilschaft 12 angeordnet werden, an denen im Bereich des Dosierventils ein Wärmeübertrag stattfinden kann. Beispielsweise können auch Kühlrippen eines nicht näher dargestellten Kühlkörpers des Einspritzventils mit latentwärmespeicherndem Material belegt oder zumindest teilweise durch latentwärmespeicherndes Material gebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006061730 [0003]
- DE 4436397 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem temperaturbeaufschlagten Bauteil (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest teilweise mit einem Material (20, 48) zum Schutz vor einem Überschreiten einer Höchsttemperatur versehen ist, welches einen Phasenübergang unterhalb der Höchsttemperatur vollzieht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit dem Material zumindest teilweise umgeben ist und/oder ein solches Material enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (20, 48) vollständig in mindestens einem Körper (18, 21; 42) eingeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Dosierung eines Hilfsmittels zur Abgasnachbehandlung, beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein an einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine anbringbares Einspritzventil (10) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im Bereich einer Ventilspitze (12) des Einspritzventils (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem im Bereich der Ventilspitze (12) angeordneten Behältnis (21) mit einem verschlossenen Innenraum (25) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (21) eine doppelwandige Hülse (18) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (18) aus Edelstahl besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (21) die Ventilspitze (12) auf der Außenseite (23) des Ventils (10) umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (21) passgenau auf der Außenseite (23) des Ventils (10) aufsitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (18, 21; 42) bzw. ein weiterer Körper (42; 18, 21) durch eine Funktionskomponente des Einspritzventils gebildet ist, insbesondere durch eine Ventilnadel (42) des Einspritzventils, welche einen geschlossenen, zumindest teilweise mit dem Material (20, 48) befüllten Hohlraum (50) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturbeaufschlagte Bauteil von einer thermischen Isolationsschicht (61) zumindest teilweise umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (61) derart angeordnet ist, dass sie das Material (20, 48) nach außen hin vollständig umgibt, so dass das Material (20, 48) nicht mit einer äußeren Umgebung des temperaturbeaufschlagten Bauteils in Kontakt kommen kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenübergang sich zwischen einer festen und einer flüssigen Phase des Materials (20, 48) vollzieht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höchsttemperatur in einem Bereich von zirka 80 bis 110 Grad Celsius, insbesondere in einem Bereich von zirka 80 bis 100 Grad Celsius, liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (20, 48) teilweise oder vollständig aus einem latentwärmespeichernden Stoff, beispielsweise Natrium, besteht.
Abgassystem zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturbeaufschlagte Bauteil abgasstromaufwärts einer Aufbereitungseinheit zur Aufbereitung und/oder Konditionierung des Abgases, beispielsweise stromaufwärts eines Oxidationskatalystors, eines Partikelfilters oder eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion mittels eines Abgasflansches mit einer das Abgas von der Brennkraftmaschine abführenden Abgasleitung verbunden ist.