DE102010040365A1

DE102010040365A1 - Druckluftzerstäuber

Info

Publication number: DE102010040365A1
Application number: DE102010040365A
Authority: DE
Inventors: Dirk Von Meduna; Jan Bleith; Markus Glöckle; Matthias Burger; Thomas Prasser; Markus Bürglin; Martin Braun; Heinrich Dütsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-08
Also published as: CN102410068B; CN102410068A; FR2964414A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Eindosieren eines Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels (110) in einen Abgasstrom (12) einer Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst ein Dosiermodul (18). Der Betriebs-/Hilfsstoff (110), insbesondere ein Reduktionsmittel, wird entweder trägermedienfrei oder mit einem ersten Teilstrom (108.1) eines Trägermediums (108) transportiert. Ein weiterer zweite Teilstrom (108.2) des Trägermediums (108) wird getrennt von der ersten Menge (108.1) des Trägermediums (108) zu einer Eindosierungsstelle (68, 70; 90) transportiert.

Description

Stand der Technik
Aufgrund der in den nächsten Jahren zu erwartenden verschärften Abgasgesetzgebung muss bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen unter anderem der Anteil an Stickoxid im Abgas reduziert werden. In Abgasnachbehandlungssystemen hat sich zur Stickoxidreduzierung ein auf selektiver katalytischer Reduktion (SCR) basierendes Verfahren weitestgehend etabliert. Beim SCR-Verfahren werden die Stickoxide mittels eines Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere eines schadstoffmindernden Mediums zu Stickstoff und Wasserstoff reduziert. Als schadstoffminderndes Medium wird häufig eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) eingesetzt, wobei durch thermische Zersetzung des Harnstoffs als Reduktionsmittelvorläufer, das eigentliche Reduktionsmittel ein gasförmiger Ammoniak NH₃ entsteht. Über ein Dosiersystem wird das schadstoffmindernde Medium in den Abgastrakt eingebracht. Hierbei wird das schadstoffmindernde Medium in einem Vorratsbehälter bevorratet und über ein Versorgungssystem zu einem Dosiermodul zur Einspritzung, beispielsweise in das Abgasrohr im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine gefördert.
Die Harnstoffwasserlösung ist eine gefrierfähige Flüssigkeit, welche je nach Harnstoffgehalt bei tiefen Temperaturen einfriert. Beispielsweise gefriert die unter dem Markennamen „AdBlue” erhältliche eutektische Harnstoff-Wasser-Lösung bei Temperaturen unterhalb von –11°C. Um dem Abgasnachbehandlungssystem auch bei tiefen Außentemperaturen unterhalb von ca. –11°C in einer akzeptablen Zeit in ausreichender Menge flüssiges schadstoffminderndes Medium zur Verfügung stellen zu können, sind eine Isolation und aufwändige Heizsysteme für den Vorratstank sowie im Dosier-/Fördermodul für das Reduktionsmedium notwendig. Nachteilig bei diesen Lösungen sind die hohen Kosten eines aufwändigen Heizsystems sowie der hohe Raumbedarf und das Mehrgewicht, welches letztlich den Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeuges negativ beeinflusst. Bei einem Verlust der Energieleistung der Heizsysteme verursacht die mit dem Einfrieren einhergehende Volumenexpansion und eine einsetzende Kristallisation von Harnstoff bei niedrigen Außentemperaturen Schäden am Tank und den Tankeinbauten sowie an Pumpen und anderen Vorrichtungen des Abgasnachbehandlungssystems.
Aus WO 2004/069385 A1 ist ein Verfahren zum Absenken eines Gefrierpunktes einer harnstoffhaltigen Reduktionsmittellösung bekannt, wobei eine Ammoniumverbindung, insbesondere Ammoniumformiat dem harnstoffhaltigen Reduktionsmittel hinzugefügt wird. Dies bedeutet allerdings das Bevorraten eines zusätzlichen Betriebsstoffes sowie zusätzliche Versorgungseinrichtungen im Kraftfahrzeug und außerhalb desselben. Ferner setzt das zusätzliche Ammoniumformiat bei Temperaturen von über 300°C Ameisensäure frei, welche stark korrosiv wirkt. Bei der Dehydrierung von Ammoniumformiat entsteht giftiges Methanamid, welches ein Gesundheitsrisiko darstellt.
Aus DE 198 19 579 ist ein Reduktionsmitteldosiersystem bekannt mit einem Druckspeicherbehälter. Der Druckspeicherbehälter weist eine federbelastete Membran auf, welche auf das im Druckspeicherbehälter befindliche Reduktionsmittel einwirkt, so dass dieses unter einem Überdruck von dem Druckspeicherbehälter abgegeben und einer Dosiereinheit zugeführt werden kann. Der Druckspeicherbehälter dient dabei als Zwischenspeicherung des Reduktionsmittels für ein Abzumessen bedarfsgerechter Mengen des Reduktionsmittels.
Um eine sehr gute Zerstäubung des in das Abgasrohr dosierten Reduktionsmittels, so zum Beispiel AdBlue, Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) zu erreichen, wird das Prinzip einer Zweistoff-Zerstäubung angewandt. Dabei werden in einer Mischkammer Druckluft und das Reduktionsmittel miteinander vermischt. Dieses Gemisch wird über die Dosierleitung der Abgasanlage zugeführt und mit einem Sprührohr in die Abgasanlage eingebracht. Das Sprührohr ist mit einer Anzahl von Austrittsbohrungen versehen, in denen das Reduktionsmittel mit Hilfe der Druckluft fein zerstäubt dem Abgas beigegeben wird.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu erblicken, dass bei kleinen Reduktionsmittel-Dosiermengen in der Dosierleitung und dem Sprührohr zuviel Wasser aus dem Reduktionsmittel verdunstet und von der Druckluft aufgenommen wird. Hierdurch steigt in unerwünschter Weise die Harnstoffkonzentration im Reduktionsmittel an und überschreitet die Sättigungsgrenze, so dass sich feste Harnstoffkristalle in der Leitung und dem Rohr bilden. Die Kristallbildung kann in ungünstigen Fällen soweit führen, dass das Rohr von der Mantelfläche her zuwächst und das System dadurch ausfällt.
Um diese unerwünschte Kristallbildung zu vermeiden, wird bei kleineren Dosiermengen die zugeführte Druckluftmenge reduziert, wodurch die Verdunstungsrate des Wassers aus dem Reduktionsmittel reduziert wird. Dadurch kann die Kristallbildung verhindert werden. Allerdings reicht die reduzierte Druckluftmenge nicht mehr aus, um eine ausreichende Zweistoff-Zerstäubung zu erzielen, wodurch die an die Sprayaufbereitung gestellten Anforderungen nicht mehr erfüllt werden können.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine zum Transport des Reduktionsmittels, wie zum Beispiel AdBlue benötigte Druckluftmenge von einer weiteren Druckluftmenge, die zur Zerstäubung des Reduktionsmittels, d. h. zur Bildung eines Spraynebels erforderlich ist, zur Abgaslage bzw. in die Abgasanlage voneinander zu trennen. Die zum Transport des Reduktionsmittels, wie zum Beispiel AdBlue erforderliche erste Luftmenge, insbesondere eine erste Druckluftmenge ist dabei deutlich geringer als eine zweite erforderliche Luftmenge, insbesondere eine zweite Druckluftmenge, die zur Zerstäubung des Reduktionsmittels nötig ist.
In einer ersten Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens wird das Reduktionsmittel, insbesondere AdBlue mit einer ersten niedrigen Druckluftmenge in einer Dosierleitung transportiert. Da diese erste Luftmenge, insbesondere die erste Druckluftmenge zum Transport des Reduktionsmittels im Vergleich zu bisher eingesetzten Transportluftmengen gering ist, wird das Verdunsten des Wassers des im Reduktionsmittel enthaltenen Wassers zum Transport erforderliche erste Druckluftmenge deutlich reduziert, so dass die Kristallbildung vermieden wird. Die weitere, zweite Druckluftmenge, die der Zerstäubung des Reduktionsmittels dient, wird in einer von der Dosierleitung getrennten, separaten Leitung transportiert.
In einer weiteren, zweiten Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens wird der Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere das Reduktionsmittel druckluftfrei durch die Dosierleitung in die Abgasanlage transportiert. Eine Zusammenführung des Reduktionsmittels und der für die Zerstäubung erforderlichen Druckluft erfolgt erst innerhalb der Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine.
Gemäß der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung werden einem Dosiermodul einer Vorrichtung zur Eindosierung eines Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels in einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine der Betriebs-/Hilfsstoff und Druckluft zugeführt. Ein Dosierventil, welches innerhalb des Dosiermoduls vorgesehen ist, wird über eine Steuereinheit gesteuert und misst die genaue Menge an Reduktionsmittel zu. Innerhalb des Dosiermoduls wird ein Druckluftstrom in zwei Teildruckluftströme aufgeteilt. Der kleinere der beiden Teildruckluftströme, der zum Beispiel 5 l/min beträgt, wird zum Transport des Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere des Reduktionsmittels verwendet. Dieser erste Teildruckluftstrom gelangt in eine Mischkammer des Dosiermoduls, wo er mit dem Reduktionsmittel zusammentrifft und dieses durch einen ersten Teil der Dosierleitung transportiert. Der größere der beiden Teildruckluftströme, der zum Beispiel 15 l/min beträgt, wird in einem vom ersten Teil der Dosierleitung getrennten zweiten separaten Teil zur Abgasanlage geführt. Kurz vor der Eindosierungsstelle in den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine oder innerhalb der Abgasanlage, werden die beiden Teildruckluftströme wieder zusammengeführt.
Da der Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere das Reduktionsmittel, mit einer reduzierten Druckluftmenge, nämlich dem ersten Teildruckluftstrom gefördert wird, wird eine Kristallbildung vermieden. Eine gute Aufbereitung des Sprühnebels bzw. des Sprays ist dadurch sichergestellt, da durch den zweiten separat geführten größeren Teildruckluftstrom der Druckluft an der Sprayaufbereitungsstelle, d. h. an der Eindosierungsstelle des Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere des Reduktionsmittels, wieder der volle Druckluftstrom zur Verfügung steht. Stromab der Aufteilungsstelle der beiden Teildruckluftströme innerhalb des Dosiermoduls befindet sich jeweils eine Drosselstelle in den Strömungspfaden, deren Querschnitte so bemessen sind, dass sich unter Berücksichtigung aller nachfolgenden Druckverluste im Leitungssystem die gewünschte Aufteilung der Teilströme, beispielsweise im Verhältnis von 1:3 – wie oben bereits erwähnt – einstellt.
Die beiden Teile der Dosierleitung stellen voneinander getrennte Räume dar, die von den jeweiligen Medien durchströmt werden. Die beiden Leitungsteile der Dosierleitung können zum Beispiel als zwei voneinander getrennte Rohre oder zwei voneinander getrennte Schläuche ausgeführt sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Separierung der Dosierleitung dadurch zu erreichen, dass ein doppelwandiges Rohr bzw. ein doppelwandiger Schlauch in einer einzigen Leitung ausgebildet werde.
Um sicherzustellen, dass auch bei einem abgestellten Fahrzeug und außer Betrieb geschalteten Dosiersystem und nicht vorhandenem Druckluftstrom kein Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere kein Reduktionsmittel in den Druckkreislauf des Fahrzeugs gelangt, kann im Dosiermodul beispielsweise ein Rückschlagventil eingesetzt werden.
Zur Verbesserung der Genauigkeit der Zumessung des Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere des Reduktionsmittels, kann im Dosiermodul ein Differenzdrucksensor eingesetzt werden. Der Differenzdrucksensor bestimmt den Differenzdruck zwischen dem Betriebs-/Hilfsstoff, d. h. Reduktionsmittel vor dem Dosierventil sowie den Druck desselben nach dem Dosierventil. Der Druck stromab des Dosierventils kann in der Druckluftleitung zur Mischkammer des Dosiermodules nach der Drosselstelle bzw. in der Mischkammer selbst abgegriffen werden. Das Drucksignal kann zur genaueren Steuerung der AdBlue-Menge benutzt werden. Aufgrund der Verwendung eines Differenzdrucksensors werden mit einem einzigen Sensor sowohl eventuelle Änderungen der Dosiermenge aufgrund von Druckschwankungen im Betrieb-/Hilfsstoff im System als auch Druckschwankungen im Druckluftsystem erfasst und gegebenenfalls korrigiert. Der Differenzdrucksensor sendet sein Signal an die Steuereinheit, wo je nach tatsächlichem ermittelten Differenzdruck die Dosiermenge durch eine entsprechend geänderte Öffnungsdauer oder eine entsprechend geänderte Frequenz des Dosierventiles korrigiert wird. Weicht der Ist-Differenzdruck Δp_Ist vom Soll-Differenzdruck Δp_Soll ab, so wird die Öffnungsdauer des Ventiles entsprechend der Formel t_{Öffnungsdauer,Ist} = t_{Öffnungsdauer,Soll}·Wurzel aus (Δp_Soll/Δp_Ist) angepasst. In analoger Weise ließe sich auch die Frequenz entsprechend anpassen, gemäß f_Ist = f_Soll·Wurzel (Δp_Soll/Δp_Ist).
In einer weiteren Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens wird der Betriebs-/Hilfsstoff, d. h. das Reduktionsmittel und der gesamte Druckluftstrom getrennt voneinander zur bzw. in die Abgasanlage geführt. Erst an der Sprayerzeugungsstelle, d. h. an der Eindosierungsstelle, werden der Betriebs-/Hilfsstoff, d. h. das Reduktionsmittel und die getrennt von diesem geförderte Druckluft zusammengeführt. Durch die getrennte Führung des Betriebs-/Hilfsstoffes, d. h. des Reduktionsmittels und der Druckluft, kann keine Kristallbildung im System erfolgen, weil das Reduktionsmittel nicht mit der Druckluft in Kontakt kommt und somit nicht austrocknen kann.
Wie auch vorstehend bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung beschrieben, kann optional ein Rückschlagventil in der Druckluftzuführung eingebaut sein. Ebenso kann mittels eines Differenzdrucksensors – wie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsvariante bereits dargestellt – mit einer Druckdifferenz am Dosierventil stromauf und stromab des Dosierventils bestimmt werden. Das Differenzdrucksignal kann – wie vorstehend bereits beschrieben – zur Verbesserung der Dosiergenauigkeit herangezogen werden.
Die Dosierleitung, die gemäß der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung einen ersten Teil und ein von diesem separierten zweiten Teil aufweist, kann beispielsweise als doppelwandiges Rohr oder als doppelwandiger Schlauch ausgebildet sein. Die Dosierleitung weist beispielsweise ein inneres und ein äußeres Rohr auf, die durch einen gemeinsamen Stopfen am Ende des Sprührohres, welches sich in den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine erstreckt, verschlossen sind. Im innenliegenden Rohr wird gemäß dieser Ausführungsvariante beispielsweise das Reduktionsmittel/Druckluft-Gemisch mit Hilfe des kleineren ersten Teildruckluftstroms transportiert. Durch den außenliegenden Teil, d. h. dem zweiten Teil der Dosierleitung wird der zweite, größere Druckluftteilmassenstrom, der zur Zerstäubung dient, geführt. Am Ende des innenliegenden Rohres befinden sich Öffnungen zum äußeren Rohr, wodurch das Reduktionsmittel/Druckluftgemisch und der zweite Druckluftteilstrom, der zur Zerstäubung dient, zusammengeführt werden. Kurz vor dem Stopfen, der beide miteinander geführten Rohre verschließt, befinden sich im äußeren Rohr Öffnungen zum Abgas hin. Diese Öffnungen können beispielsweise als Spritzlöcher ausgestaltet sein, so zum Beispiel in 45°-Teilung als 8 Bohrungslöcher beispielsweise mit jeweils 0,5 mm Durchmesser ausgebildet sein. An diesen Öffnungen zum Abgastrakt wird das Reduktionsmittel mit Hilfe des zweiten, größeren Teildruckluftstroms zerstäubt in den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine eindosiert.
In einer weiteren Ausführungsmöglichkeit des Sprührohres sind ein inneres und ein äußeres Rohr vorgesehen, die durch einen gemeinsamen Stopfen am Ende des Sprührohres verschlossen sind. Während dem äußeren Rohrteil das Reduktionsmittel/Druckluftgemisch mit Hilfe des ersten kleineren Teildruckluftstromes transportiert wird, strömt durch das innere Rohr der größere Druckluftmassenstrom, d. h. der zweite Druckluftteilstrom. Am Ende des inneren Rohres befinden sich Öffnungen, die in das Innere des äußeren Rohres münden, wodurch die beiden Druckluftteilströme und das Reduktionsmittel zusammengeführt werden.
Kurz vor dem Stopfen, der das Sprührohr verschließt, befinden sich im äußeren Rohr Öffnungen, die einen Austritt des Reduktionsmittels als fein zerstäubtes Spray in den Abgastrakt ermöglichen. Diese Öffnungen, beispielsweise ausgebildet als Spritzlöcher, sind zum Beispiel als 8-Bohrungen in 45°-Teilung an dem Umfang des äußeren Rohrs verteilt ausgebildet, so zum Beispiel mit 0,5 mm Durchmesser. An diesen Öffnungen drückt das Reduktionsmittel als fein zerstäubtes Spray in den Abgastrakt ein.
In einer weiteren Ausgestaltung des Sprührohres zum Eindosieren eines Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt, können ein inneres und ein äußeres Rohr eingesetzt werden, wobei beide Rohre durch einen gemeinsamen Stopfen verschlossen werden. Im inneren Rohr wird ein Reduktionsmittel/Druckluftgemisch mit Hilfe des verzweigten ersten Druckluftteilstroms transportiert, während durch das äußere Rohr der größere, d. h. der zweite Druckluftteilstrom, der zur Zerstäubung erforderlich ist, transportiert wird. Zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr befinden sich innerhalb des sich bildenden Strömungsquerschnittes Stege, die zur Befestigung des inneren Rohres im äußeren Rohr dienen. Diese Stege können in Strömungsrichtung der Medien gesehen, d. h. in axiale Richtung gesehen, schräg gestellt werden, so dass den Medienströmen ein Drall aufgeprägt wird, wodurch die Durchmischung von Druckluft mit Reduktionsmittel begünstigt wird.
Im weiteren Verlauf mündet das innere Rohr an einer Öffnung in das äußere Rohr, wodurch die beiden Druckluftteilströme und das Reduktionsmittel zusammengeführt wird. Am Ende des außenliegenden Rohres kann beispielsweise ein Stopfen vorgesehen sein, der mit Stegen am äußeren Rohr befestigt ist. Diese Stege können – wie vorstehend bereits erwähnt – in Strömungsrichtung der Medien gesehen schräg gestellt sein, um dem Gemisch aus Reduktionsmittel und Druckluft einen weiteren Drall aufzuprägen, wodurch die nachfolgende unter zur Hilfenahme des zweiten, größeren Druckluftteilstromes erfolgende Zerstäubung des Reduktionsmittels optimiert wird. Zwischen dem Stopfen und dem äußeren Rohr befindet sich ein insbesondere ringförmig ausgebildeter Spalt, durch den das Druckluft/Reduktionsmittelgemisch zum offen Ende des äußeren Rohres geführt wird und dort fein zerstäubt als Nebel oder als Spray in den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine abgegeben wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung umfasst das Sprührohr ein inneres und ein äußeres Rohr sowie einen gemeinsamen Stopfen am Ende beider Rohre. Im äußeren der beiden Rohre wird das Druckluft/Reduktionsmittelgemisch mit Hilfe des ersten kleineren Druckluftteilstroms transportiert, während der größere, d. h. der zweite Druckluftteilstrom durch das innere Rohr strömt. Zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr befinden sich Stege, welche zur Befestigung des inneren Rohres im äußeren Rohr dienen. Im weiteren Verlauf läuft das innere Rohr in einer Öffnung aus, so dass die beiden Druckluftteilströme sowie das Reduktionsmittel zusammengeführt werden.
In einer weiteren Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umfasst das Sprührohr ebenfalls ein inneres und ein äußeres Rohr, die durch einen gemeinsamen Stopfen am Ende des Sprührohrs verschlossen sind. Im äußeren der beiden Rohre wird der Druckluftstrom gefördert, der zur Zerstäubung des Reduktionsmittels erforderlich ist. Durch das Innere der beiden Rohre wird ausschließlich der Betriebs-/Hilfsstoff, d. h. im vorliegenden Falle das Reduktionsmittel geführt. Am Ende des innenliegenden Rohres befindet sich ein federbelastetes Rückschlagventil. Hierdurch kommt der Betriebs-/Hilfsstoff bis zum Ende des inneren Rohres nicht mit der Luft in Berührung, kann somit nicht austrocknen, wodurch eine Kristallbildung ausgeschlossen ist.
In vorteilhafter Weise ist das Rückschlagventil derart beschaffen, dass dieses ein nadelförmig ausgebildetes Ventilglied aufweist, ferner eine Druckfeder sowie einen Halter. Der Halter ist mit dem nadelförmig ausgebildeten Ventilglied fest verbunden und kann zum Beispiel auf dieses aufgepresst, mit diesem verschweißt oder in dieses eingesteckt, ausgebildet sein. Die Druckfeder stützt sich an einem Ende des Halters ab, am gegenüberliegenden Ende stützt sich diese sich an einem Vorsprung im inneren Rohr ab. Aufgrund der durch die Druckfeder ausgeübten Federkraft, wird das nadelförmig ausgebildete Ventilglied gegen das Ende des inneren Rohres gedrückt, wodurch sich eine Dichtung zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr ergibt, so dass der Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere das Reduktionsmittel, nicht mit der Druckluft in Berührung kommt, sondern diese Medien voneinander getrennt sind.
Wird das Reduktionsmittel als fein zerstäubter Nebel in den Abgasmassenstrom der Verbrennungskraftmaschine eindosiert, so öffnet das Dosierventil, welches im Dosiermodul vorgesehen ist, und der Druck in dem das Reduktionsmittel führenden Teil der Dosierleitung steigt. Sobald der Öffnungsdruck des Rückschlagventiles überschritten ist, öffnet dieses und das Reduktionsmittel gelangt in das äußere Rohr, in dem der Druckluftstrom ansteht, so dass diese beiden Medien abgeführt werden. Die weitere Eindosierung des Reduktionsmittels sowie die Gestaltung der Stege, die zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr vorgesehen sein können, sowie die Ausführungsmöglichkeiten des Stopfens entsprechen im Wesentlichen der vorstehend skizzierten ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung.
Durch die Trennung des Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere des Reduktionsmittels von der Druckluft durch das Rückschlagventil wird sichergestellt, dass bei einer Dosierpause oder dem Abstellen des Fahrzeugs die das Reduktionsmittel führende Leitung nicht leer läuft. Somit können auch bei abgestellten Dosiersystemen keine Kristalle innerhalb des Dosiersystemes entstehen.
In allen vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten können die den Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere das Reduktionsmittel führenden Teile im Dosierrohr eine Reduktionsmittelanziehende Oberfläche besitzen. Dadurch kann beispielsweise aus dem Reduktionsmittel ein Wandfilm gebildet werden, der sich gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung kommt es zu einer zeitlich gut homogenisierten Dosiermengenabgabe, was für eine gleichmäßige Zweistoffzerstäubung vorteilhaft ist.
Anstelle einer vorstehend Reduktionsmittel-anziehenden Ausgestaltung der Oberfläche, kann auch eine Reduktionsmittel-abweisende Oberfläche im Dosierrohr ausgebildet sein. Dies führt dazu, dass das Reduktionsmittel keinen Wandfilm ausbildet, sondern in Tropfenform transportiert wird. Hierdurch wird die Oberfläche des Reduktionsmittels verringert und die Kontaktfläche, die sich zwischen diesem und der Druckluft ergibt, ist deutlich verkleinert. Aufgrund der deutlichen Verkleinerung der Kontaktfläche wird die Verdunstungsrate des Wassers aus dem Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere aus dem Reduktionsmittel gesenkt und die Gefahr einer sich einstellenden Kristallbildung nochmals deutlich reduziert.
Es besteht auch die Möglichkeit, eine das Reduktionsmittel-anziehende und das Reduktionsmittel-abweisende Gestaltung der Oberflächen miteinander zu kombinieren. Dazu sind zum Beispiel alle das Reduktionsmittel führenden Rohrleitungen bis kurz vor Ende des Dosierrohres Reduktionsmittel abweisend ausgestaltet, was – wie oben stehend beschrieben – die Gefahr der Kristallbildung deutlich reduziert. In Endbereich des Dosierrohres hingegen sind dessen Oberflächen nach der Zusammenführung des Reduktionsmittels mit dem gesamten Druckluftstrom Reduktionsmittel anziehend ausgestaltet, was die Homogenisierung des Sprühnebels sowie die Zerstäubung begünstigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 ein luftunterstütztes Dosiersystem mit einer im Fahrzeug vorgesehenen Druckluftversorgung,
2 den Aufbau eines Dosiermoduls einer Dosierleitung und eines Dosierrohres gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung,
3 die Ausführungsvariante gemäß 2 ergänzt um einen Drucksensor,
4 eine weitere Ausführungsvariante von Dosiermodul, Dosierleitung und Dosierrohr nach einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung,
5 ineinander geführte erste und zweite Rohre einer Dosierleitung, die in ein Sprührohr münden,
6 eine Abwandlung der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung am Ende des Sprührohrs im Abgastrakt,
7 eine weitere Untervariante der ersten Ausführungsvariante mit Ende des Sprührohrs im Abgastrakt,
8 eine weitere Untervariante der ersten Ausführungsvariante mit konischem Stopfen sich ergebendem Ringspalt am Sprührohrende,
9 eine weitere Untervariante der ersten Ausführungsvariante mit konisch ausgebildetem Stopfen und
10 eine Untervariante der zweiten Ausführungsvariante mit einem Medium betätigten Ventil im innenliegenden Rohr.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Darstellung eines luftunterstützten Dosiersystems zum Eindosieren eines Betriebs-/Hilfsstoffes in einen Abgasstrom zu entnehmen.
Wie aus 1 hervorgeht, strömt im Abgastrakt 10 einer in 1 nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine ein Abgasstrom 12. In den Abgastrakt 10 ragt ein Sprührohr 14 hinein, welches wie in 1 angedeutet in Bezug auf eine Anschlussstelle 64 abgewinkelt ausgebildet sein kann und einem Sprühnebel oder ein Spray 16 aus zerstäubtem Reduktionsmittel und Luft in den Abgasstrom 12 einbringt. Zwischen der Anschlussstelle 64 des Sprührohres 14 und einem Dosiermodul 18 erstreckt sich eine Dosierleitung 20. Das Dosiermodul 18 wird – wie aus 1 hervorgeht – einerseits über ein Druckluftreservoir 26 und eine Druckluftleitung 24 mit Druckluft versorgt; andererseits strömt dem Dosiermodul 18 über eine Reduktionsmittelleitung 22 beispielsweise eine gefrierfähige Harnstoffwasser-Lösung zu. Diese wird aus einem Vorratstank 28 entnommen, und über ein Fördermodul 30 aus diesem in die Reduktionsmittelleitung 22 gefördert und strömt von dort dem Dosiermodul 18 zu.
2 zeigt eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen luftunterstützten Dosiersystems in schematischer Anordnung.
Aus der Darstellung der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung gemäß 2 geht hervor, dass im Dosiermodul 18 ein Dosierventil 32 aufgenommen ist. Das Dosierventil 32 umfasst einerseits einen elektrisch betätigbaren Steller 52 und andererseits eine Rückstellfeder 54. Stromab des Dosierventiles 32 befindet sich eine Mischkammer 44. Wie aus 2 hervorgeht, werden dem Dosiermodul 18 über die Reduktionsmittelleitung 22 sowohl Reduktionsmittel 110 als auch über die Druckluftleitung 24 Druckluft 108 zugeführt. Die Druckluftleitung 24 umfasst ein Rückschlagventil 46, welches vor einer ersten Drosselstelle 48 und vor einer weiteren zweiten Drosselstelle 50 liegt. Über die Druckluftleitung 24, die von dem in 1 schematisch angedeuteten Druckluftreservoier 26 versorgt wird, strömt sowohl der Mischkammer 44 als auch einem Teil der in der Ausführungsvariante gemäß 2 zweiteilig ausgebildeten Dosierleitung 20 Druckluft zu. Im Dosiermodul 18 wird die das Rückschlagventil 46 passierende Druckluft 108 in zwei Druckluftteilströme 108.1 und 108.2 aufgeteilt. Der kleinere der beiden Teilströme passiert die erste Drosselstelle 48, der größere der beiden Teildruckluftströme passiert die zweite Drosselstelle 50.
Der kleinere der beiden Druckluftteilströme 108.1 und 108.2 der beispielsweise 5 Normliter/min beträgt, dient dem Transport des Reduktionsmittels, welches der Mischkammer 44 über die Reduktionsmittelleitung 22 zugeführt wird. Der erste kleinere Druckluftteilstrom 108.1 gelangt in die Mischkammer 44, vermischt sich dort mit dem Reduktionsmittel 110, welches der Mischkammer 44 über die Reduktionsmittelleitung 22 zugeführt wird. Die Druckluft 108, die der Mischkammer 44 mit dem ersten, kleineren Druckluftteilstrom 108.1 zugeführt wird, dient dem Transport des Reduktionsmittels 110 in einem ersten Teil 40 der Dosierleitung 20. Der größere der beiden Druckluftteilströme 108.2, welcher die weitere, zweite Drosselstelle 50 passiert, wird einem zweiten Teil 42, der in der Ausführungsvariante gemäß 2 zweiteilig ausgebildeten Dosierleitung 20, zugeführt. Der größere der beiden Druckluftteilströme, d. h. der zweite Druckluftteilstrom 108.2 beträgt beispielsweise 15 Normliter/min und wird in den zweiten Teil 42 der Dosierleitung 20 getrennt von dem Gemisch aus Reduktionsmittel 110 und dem ersten Teildruckluftstrom 108.1. transportiert. Kurz vor dem Abgastrakt 10 der Verbrennungskraftmaschine werden der erste Teildruckluftstrom 108.1 sowie der zweite, der Zerstäubung dienende Teildruckluftstrom 108.2 wieder zusammengeführt, wie in 5 untenstehend noch erläutert wird.
Da das Reduktionsmittel 110, so zum Beispiel HWL oder AdBlue mit einem im Vergleich zur bisher eingesetzten Druckluftmenge reduzierten ersten Druckluftteilstrom 108.1 gefördert wird, wird eine Kristallbildung innerhalb des Leitungssystems des Dosiersystems vermieden. Eine gute Sprayaufbereitung im Sprührohr 14 zum Einbringen des Reduktionsmittels 110 in den Abgasstrom 12 ist dadurch sichergestellt, dass durch den im zweiten Teil 42 der Dosierleitung 20 transportierten zweiten Druckluftteilstrom 108.2 an der Sprayaufbereitungsstelle, d. h. am Ende des Sprührohrs 14 der volle Druckluftstrom, die beiden Druckluftteilströme 108.1 und 108.2 umfassend zur Verfügung steht.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung gemäß der in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante erfolgt im Dosiermodul 18 die Aufteilung der beiden Druckluftteilströme 108.1 und 108.2 über die erste Drosselstelle 48 und die zweite Drosselstelle 50, wobei die Querschnitte der Drosselstellen 48 bzw. 50 derart gewählt sind, dass sich unter Berücksichtigung nachfolgender Druckverluste die gewünschte Aufteilung der beiden Druckluftteilströme 108.1 und 108.2 von Druckluft 108 bevorzugt im Verhältnis von 1:3 – wie oben erwähnt – einstellt.
Der erste Teil 40 sowie der zweite Teil 42 der in der ersten Ausführungsvariante gemäß 2 geteilt ausgebildeten Dosierleitungen 20, wird durch zwei voneinander getrennte Räume gebildet und von den jeweiligen Medien durchströmt werden. Die beiden Teile 40 bzw. 42 der Dosierleitung 20 können als getrennte Rohre bzw. als getrennte Schläuche ausgebildet sein. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, den ersten Teil 40 sowie den zweiten Teil 42 der Dosierleitung 20 durch doppelwandige Rohre bzw. doppelwandige Schläuche in einer einzigen Leitung zu realisieren.
Das im Dosiermodul 18 in die Druckluftleitung 24 integrierte Rückschlagventil 46 stellt sicher, dass auch bei abgestelltem Fahrzeug und außer Betrieb befindlichem Dosiersystem kein Reduktionsmittel 22 in den Druckluftkreis, d. h. entgegen der Strömungsrichtung der Druckluft 108 vom Druckluftreservoir 26 zum Dosiermodul 18 in den Druckluftkreislauf des Fahrzeugs gelangt.
Der Darstellung gemäß 3 ist eine Weiterbildung der in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
Auch bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante wird Druckluft 108 über die Druckluftleitung 24 und Reduktionsmittel 110 über die Reduktionsmittelleitung 22 dem Dosiermodul 18 zugeführt. Dieses enthält analog zur in 2 dargestellten Ausführungsvariante stromab des Rückschlagventiles 46 die erste Drosselstelle 48 sowie die zweite Drosselstelle 50. Über die erste Drosselstelle 48 wird der Mischkammer 44 der erste Druckluftteilstrom 108.1 zugeleitet, während über die zweite Drosselstelle 50 der zweite Druckluftteilstrom 108.2 in den zweiten Teil 42 der Dosierleitung 20 gelangt. Am Ende des Sprührohrs 14 werden der erste Druckluftteilstrom 108.1 der Druckluft 108, der dem Transport des Reduktionsmittels 110 dient sowie der zweite Druckluftteilstrom 108.2 der Druckluft 108, der der Zerstäubung des Reduktionsmittels 110 und der Bildung des Sprühnebels 16 dient, zusammengeführt.
Das Dosiermodul 18 umfasst in der in 3 dargestellten Ausführungsvariante einen Drucksensor 56, der insbesondere als Differenzdrucksensor ausgebildet ist. Der Drucksensor 56 bestimmt einen Differenzdruck Δp zwischen dem Reduktionsmittel 110 vor dem Dosierventil 32 und nach dem Dosierventil 32. Der Druck stromab des Dosierventiles 32 kann in dem Teil der Druckluftleitung, der sich zur Mischkammer 44 stromab der ersten Drosselstelle 48 erstreckt bzw. in der Mischkammer 44 selbst erfasst werden. Dieses Drucksignal dient zur genaueren Steuerung der jeweils zuzumessenden Menge an Reduktionsmittel 110. Aufgrund der Verwendung eines Drucksensors 56, der insbesondere als Differenzdrucksensor ausgebildet ist, können mit einem einzigen Drucksensor 56 sowohl mögliche Änderungen der Dosiermenge des einzudosierenden Reduktionsmittels 110 aufgrund von Druckschwankungen in demselben korrigiert als auch Druckschwankungen, die innerhalb der Druckluftleitung 24 bzw. dem Druckluftreservoir 26 auftreten, korrigiert werden. Der Drucksensor sendet sein Ausgangssignal an eine Steuereinheit 57, wobei je nach tatsächlichem Differenzdruck Δp die Dosiermenge durch eine entsprechend geänderte Öffnungsdauer oder eine geänderte Frequenz des Dosierventils 32 korrigiert wird. Weicht der Ist-Differenzdruck Δ_Ist vom Solldifferenzdruck Δp_Soll, ab, so wird die Öffnungsdauer des Dosierventiles 32 angepasst. Die Öffnungsdauer des Dosierventiles 32 lässt sich beispielsweise gemäß der nachfolgenden Beziehung variieren: t_Öffnungsdauer_Ist = t_Öffnungsdauer_Soll·Wurzel (Δp_Soll/Δ_Ist)
Es kann jedoch auch eine Anpassung der Frequenz gemäß nachfolgender Beziehung erfolgen: f_Ist = f_Soll·Wurzel (Δp_Soll/Δp_Ist)
Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen luftunterstützten Dosiersystems zum Eindosieren eines Betriebs-/Hilfsstoffes in einen Abgasstrom zu entnehmen.
Gemäß der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, werden das Reduktionsmittel 110 und die gesamte in der Druckluftleitung 24 strömende Druckluft 108 getrennt in den Abgastrakt 10 geführt. Erst an der Sprayerzeugungsstelle, d. h. am Ende des Sprührohres 14, werden das Reduktionsmittel 110 und die Druckluft 108 zusammengeführt, vergleiche Darstellung gemäß 10.
Durch die getrennte Führung des Reduktionsmittels 110 im ersten Teil 40 der Dosierleitung 20 und der Druckluft 108 nach Passage des Rückschlagventiles 46 im zweiten Teil 42 der Dosierleitung 20, wird ein direkter Kontakt, der zur Kristallbildung führen könnte, zwischen diesen beiden Medien vermieden und insbesondere eine die Kristallbildung fördernde Herabsetzung der Wasserkonzentration im Reduktionsmittel 110 ausgeschlossen. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsvariante ist die in 3 im Dosiermodul 18 enthaltene Mischkammer 44 entfallen. Weiterhin sind im Vergleich zur ersten in 3 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die erste Drosselstelle 48 sowie die zweite Drosselstelle 50 entfallen. Wie in Zusammenhang mit 3 bereits erläutert, kann optional das Rückschlagventil 46 in der Druckluftleitung 24 enthalten sein. Ebenso kann mit dem Drucksensor 56, insbesondere ausgestaltet als Differenzdrucksensor, die Druckdifferenz Δp an der Eintrittsseite und an der Austrittsseite des Dosierventiles 32 bestimmt werden. Mit diesem vom Drucksensor 56, insbesondere vom als Differenzdrucksensor ausgestalteten Drucksensors 56 ermittelten Differenzdrucksignal kann, wie bereits zuvor in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsvariante gemäß 3 beschrieben, die Dosiergenauigkeit verbessert werden. Das Dosierventil 32 umfasst analog zum in 3 dargestellten Dosierventil 32 einen elektrisch betätigbaren Steller 52 sowie eine Rückstellfeder 54, mit welcher das Dosiermodul 32 im vorliegenden Fall wieder in seine Schließstellung überführt werden kann.
Der Darstellung gemäß 5 ist eine Ausbildungsmöglichkeit der Dosierleitung 20 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosiersystems zu entnehmen.
Die in 5 dargestellte Ausführungsvariante der Ausbildung einer Dosierleitung 20, ein inneres Rohr 60 und ein äußeres Rohr 62 umfassend, eignet sich sowohl für die in 3 dargestellte erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung als auch für die im Zusammenhang mit 4 oben stehend erläuterte, zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung. Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass die Dosierleitung 20 ein inneres Rohr 60 und ein dieses umschließendes äußeres Rohr 62 umfasst. Die Dosierleitung 20 gemäß der Darstellung in 5 ist demnach als doppelwandiges Rohr oder als doppelwandiger Schlauch ausgebildet. Das innere Rohr 60 stellt beispielsweise den ersten Teil 40 der Dosierleitung dar, über den gemäß der Ausführungsvariante in 3 ein Gemisch aus zum Transport dienender erster Druckluftteilstrom 108.1 und Reduktionsmittel 110 oder gemäß der Ausführungsvariante in 4 ausschließlich Reduktionsmittel 110 transportiert wird, während über das äußere Rohr 62 entweder der zweite Druckluftteilstrom 108.2 von Druckluft 108, die der Zerstäubung des Reduktionsmittels 110 dient, transportiert wird oder die gesamte Druckluft 108, wie in der Ausführungsvariante gemäß 4 gezeigt ist.
An der Anschlussstelle 64 geht die in der Ausführungsvariante gemäß 5 doppelwandig ausgebildete Dosierleitung 20, das innere Rohr 60 und das äußere Rohr 62 umfassend, in das Sprührohr 14 über, an dessen Ende sich ein Stopfen 66 befindet und der Sprühnebel 16 aus Reduktionsmittel 110 und zerstäubter Druckluft 108 erzeugt wird, so dass das eindosierte Reduktionsmittel 110 in den Abgasstrom 12 eingebracht werden kann.
Der Darstellung gemäß 6 ist eine Abwandlung der ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosiersystems gemäß der 1 und 2 zu entnehmen.
Das Ende des in 6 dargestellten Sprührohres 14 ist durch einen Stopfen 66 verschlossen. Dieser umfasst eine Stufe 80 sowie eine Stirnfläche 82 und verschließt somit sowohl einen ersten Strömungsquerschnitt 72 des inneren Rohres 60 mit seiner Stirnfläche 82 sowie einen zweiten Strömungsquerschnitt 74, der die Gestalt eines Ringspaltes hat, zwischen dem inneren Rohr 60 und der Innenseite des äußeren Rohres 62.
Im inneren Rohr 60 gemäß der Darstellung in 6 wird das Gemisch aus Reduktionsmittel 110 und erstem Druckluftteilstrom 108.1 gefördert. Im inneren Rohr 60 strömt demnach der kleinere der beiden Druckluftteilströme 108.1 und transportiert das Reduktionsmittel 110, während im zweiten Querschnitt 74 des äußeren Rohres 62 der größere der beiden Druckluftteilströme 108.2, der der Zerstäubung des Reduktionsmittels 110 dient, getrennt vom Reduktionsmittel 110 bis zum Stopfen 66 transportiert wird.
Am Ende des inneren Rohres 60 sind Öffnungen 70 vorgesehen, über welche der erste Querschnitt 72 des inneren Rohres 60 mit dem zweiten Querschnitt 74 des äußeren Rohres 62 in Verbindung steht und über welche das Gemisch aus Reduktionsmittel 110 und erstem Druckluftteilstrom 108.1 in den zweiten Querschnitt 74 des äußeren Rohres 62 überströmt.
Das äußere Rohr 62 umfasst unmittelbar vor dem Stopfen 66 ebenfalls Öffnungen 68, die als Einspritzlöcher des Gemisches aus Druckluft 108 und Reduktionsmittel 110 in den Abgastrakt 10 der Verbrennungskraftmaschine dienen. Sowohl die Öffnungen 68 im äußeren Rohr 62 als auch die Öffnungen 70 im inneren Rohr 60, können beispielsweise als 8-Bohrungen in 45°-Teilung in einem Durchmesser von beispielsweise 0,5 mm ausgebildet werden, so dass sich an diesen Öffnungen, insbesondere an den Öffnungen 68 zum Abgastrakt hin, ein fein zerstäubter Sprühnebel 16 aus Reduktionsmittel 110 und Druckluft 108 bildet.
Der Ausführungsvariante gemäß 7 ist zu entnehmen, dass das Sprührohr 14 ebenfalls ein inneres Rohr 16 und ein äußeres Rohr 62 umfasst. Im Vergleich zur in 6 dargestellten Ausführungsvariante der Strömungsquerschnitte 72 bzw. 74 im inneren Rohr 60 bzw. im äußeren Rohr 62, liegen die Größenverhältnisse bezüglich der Strömungsquerschnitte in der Darstellung gemäß 7 anders.
Aus der Darstellung gemäß 7 geht hervor, dass in dieser Ausführungsvariante der dritte Strömungsquerschnitt 92 im inneren Rohr 60 dem Transport des zweiten Druckluftteilstroms 108.2 dient, während durch den vierten Querschnitt 94 zwischen dem Mantel des inneren Rohres 60 und der Innenseite des äußeren Rohres 62 das Gemisch aus Reduktionsmittel 110 und dem ersten Druckluftteilstrom 108.1 strömt. Aufgrund der unterschiedlich bemessenen. Strömungsquerschnitte 92, 94 in der in 7 dargestellten Ausführungsvariante, ergibt sich zwangsläufig eine andere Geometrie des Stopfens 66 hinsichtlich der Größe der Stirnflächen 82 und hinsichtlich der radialen Lage der Stufe 80 auf der den Strömungsquerschnitten 92 bzw. 94 zuweisenden Seite des Stopfens 66. Analog zur in 6 dargestellten Ausführungsvariante befinden sich Öffnungen 70 im Mantel des inneren Rohres 60 und als Spritzlöcher dienende Öffnungen 68 im Mantel des äußeren Rohres 62. Die Öffnungen 68 bzw. 70 sind analog zur Darstellung gemäß 6 bevorzugt als 8-Bohrungen in 45°-Teilung am Umfang des inneren Rohres 60 bzw. am Umfang des äußeren Rohres 62 verteilt. Die Öffnungen 68, 70 weisen einen Durchmesser von nur wenigen Zehnteln Millimetern, so zum Beispiel 0,5 mm auf, so dass ein feiner Sprühnebel 16 erzeugt werden kann.
Der über die Öffnungen 70 in der Mantelfläche des inneren Rohres 60 austretende zweite Druckluftteilstrom 108.2 reißt aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit den im vierten Querschnitt 94, d. h. das im Ringspalt geförderte Gemisch aus Reduktionsmittel 110 und dem ersten Druckluftteilstrom 108.1 durch die als Spritzlöcher dienenden Öffnungen 68 nach außen, so dass sich im Ergebnis ein fein zerstäubter Sprühnebel 16 einstellt, der in den im Abgastrakt 10 der Verbrennungskraftmaschine strömenden Abgasstrom 12 eindosiert wird.
Der Darstellung gemäß 8 ist eine weitere Ausführungsvariante des Sprührohres 14 gemäß der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, dargestellt in den 2 und 3 zu entnehmen.
Wie 8 zeigt, umfasst das Sprührohr 14 ebenfalls das innere Rohr 60 und das äußere Rohr 62. Im inneren Rohr 60 wird gemäß der Darstellung in 8 im ersten Strömungsquerschnitt 72 der erste Druckluftteilstrom 108.1 und das Reduktionsmittel 110 transportiert. Das innere Rohr 60 mündet frei vor einem Stopfen 66, der in dieser Ausführungsvariante im Wesentlichen als Konus 102 beschaffen ist. Der Konus 102 bildet mit seiner Außenkontur und der Innenkontur des äußeren Rohres 62 einen Ringspalt 88, der an einer Düse 90 in den Abgastrakt 10 der Verbrennungskraftmaschine mündet.
Während im inneren Rohr 60 zum Transport des Reduktionsmittels 110 der erste Druckluftteilstrom 108.1 strömt, wird der zweite Querschnitt 74 zwischen dem äußeren Mantel des inneren Rohres 60 und dem inneren Mantel des äußeren Rohres 62 vom zweiten Druckluftteilstrom 108.2, die der Zerstäubung des Reduktionsmittel 110 dient, durchströmt. Bei der Ausführungsvariante gemäß 8 endet das innere Rohr 60 in einem Abstand vor einer Stirnseite des als Konus 102 ausgebildeten Stopfens 66, der unter Ausbildung eines Ringspaltes 88 in das äußere Rohr 62 eingelassen ist. Aus der Darstellung gemäß 8 geht hervor, dass das innere Rohr 60 im äußeren Rohr 62 durch zwei oder mehrere schaufelartige erste Stege 84 gehalten ist. Die Stege 84 sind innerhalb des zweiten Strömungsquerschnittes 74 in Strömungsrichtung des dort geführten Mediums, d. h. in Strömungsrichtung des zweiten Drucklufteilstroms 108.2 schräg gestellt um der Druckluft 108 einen Drall aufzuprägen, wodurch die Durchmischung der Druckluft 108 mit dem Reduktionsmittel 110 verbessert wird. Die Durchmischung zwischen dem zweiten Druckluftleitstrom 108.2, die der Zerstäubung des Reduktionsmittel 110 dient, erfolgt im Ringspalt 88, sobald sich des im inneren Rohr 60 bzw. im ersten Strömungsquerschnitt 72 geförderte Reduktionsmittel 110 transportiert durch den ersten Druckluftteilstrom 108.1 im Ringspalt 88 mit dem zweiten Druckluftteilstrom 108.2 vermischt. Durch die Verkleinerung des Ringspaltes 88 erfolgt eine Beschleunigung der Strömung, so dass an der Düse 90 ein feine Tröpfchen von Reduktionsmittel 110 aufweisender Sprühnebel 16 mit hoher Geschwindigkeit und einem entsprechenden Drall in den Abgasstrom 12, der im Abgastrakt 10 der Verbrennungskraftmaschine geführt ist, eingedüst werden kann.
Der als Konus 102 ausgebildete Stopfen 66 ist durch zweite Stege 85, die sich im Ringspalt 88 befinden, im äußeren Rohr 62 gehalten. Auch diese zweiten Stege 85 können in axialer Richtung gesehen schräg gestellt sein, um dem Gemisch aus Reduktionsmittel 110 und Druckluft 108 einen weiteren Drall aufzuprägen, wonach die nachfolgende Zerstäubung, die sich im Bereich der Düse 90 einstellt, nochmals verbessert wird.
9 zeigt eine weitere Ausführungsvariante ähnlich der in 8, jedoch mit unterschiedlich ausgebildeten Strömungsquerschnitten.
Wie der Darstellung gemäß 9 zu entnehmen ist, befinden sich im Sprührohr 14 das innere Rohr 60 und das äußere Rohr 62. Im Unterschied zur in 8 dargestellten Ausführungsvariante wird im inneren Rohr 60 im fünften Strömungsquerschnitt 104 der zweite Druckluftteilstrom 108.2 befördert, der der Zerstäubung des Reduktionsmittels 110 dient. Das innere Rohr 60 mündet analog zur Ausführungsvariante gemäß 8 vor dem als Konus 102 ausgebildeten Stopfens 66. Mit Bezugszeichen 106 ist ein sechster Strömungsquerschnitt bezeichnet, der sich aus dem Durchmesser des inneren Rohres 60 und dem Innendurchmesser des äußeren Rohres 62 ergibt. Im sechsten Strömungsquerschnitt 106 gemäß der Darstellung in 9 werden der erste Druckluftteilstrom 108.1 und das Reduktionsmittel 110 transportiert. Das innere Rohr 60 endet frei in einem Abstand vor dem als Konus 102 ausgebildeten Stopfen 66. Der sechste Strömungsquerschnitt 106, in dem das Reduktionsmittel 110 mit dem ersten Druckluftteilstrom 108.1 gefördert wird, geht unmittelbar in den Ringspalt 88 über. Auch in der in 9 dargestellten Ausführungsvariante ist das innere Rohr 60 durch erste Stege 84 im äußeren Rohr 62 fixiert. Gleiches gilt für den als Konus 102 ausgebildeten Stopfen 66, der durch die zweite Stege 85 im äußeren Rohr 62 fixiert ist. Sowohl die ersten Stege 84, als auch die zweiten Stege 85 sind in Strömungsrichtung gesehen schräg gestellt, so dass dem Gemisch aus Reduktionsmittel 110 und Druckluft 108 ein Drall aufgeprägt wird, wodurch die Zerstäubung an der Austrittsstelle, d. h. der Bereich der Düse 90 zur Erzeugung eines feine Tröpfchen von Reduktionsmittel 110 aufweisenden Sprühnebels 16 erheblich verbessert wird.
In der Ausführungsvariante gemäß 10 ist ein Sprührohr dargestellt, in dessen Innenrohr ausschließlich Reduktionsmittel gemäß der zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, vergleiche 4, strömt.
Das Ende des in 10 dargestellten Sprührohres 14 umfasst das innere Rohr 60 sowie das äußere Rohr 62. Im äußeren Rohr 62 befindet sich der als Konus 102 ausgebildete Stopfen 66, der über die bereits vorstehend erwähnten zweiten Stege 85 unter Ausbildung eines Ringspaltes 88 im äußeren Rohr 62 befestigt ist.
Im siebten Strömungsquerschnitt 112 des äußeren Rohres 62, strömt der gesamte Druckluftstrom von Druckluft 108, welcher der Zerstäubung des Reduktionsmittels 110 dient. Durch das innere Rohr 60 wird ausschließlich das Reduktionsmittel 110 geführt. Am Ende des inneren Rohres 60 befindet sich ein federbelastetes Rückschlagventil, welches einen Halter 56, ein nadelförmig ausgebildetes Ventilglied 98 und einen einen achten Strömungsquerschnitt 114 des inneren Rohres 60 verschließenden Ventilteller sowie eine das nadelförmig ausgebildete Ventilglied 98 beaufschlagende Feder 100 aufweist Durch das federbelastete Rückschlagventil kommt das Reduktionsmittel 110 solange nicht mit Luft in Berührung, bis das Ende des inneren Rohres 60 innerhalb des Sprührohres 14 erreicht ist. Dadurch ist eine Austrocknung, d. h. eine Konzentrationserhöhung von Harnstoff und eine damit verbundene Kristallbildung ausgeschlossen.
Die Feder 100 des federbelasteten Rückschlagventiles stützt sich am Halter 96 des inneren Rohres 60 ab. Aufgrund der Federkraft der Feder 100 wird das nadelförmig ausgebildete Ventilglied 98 gegen das Ende des inneren Rohrs 60 gedrückt, wodurch sich eine Abdichtung zwischen dem inneren Rohr 60, in dem ausschließlich das Reduktionsmittel 110 geführt ist mit dem äußeren Rohr 62 ergibt, in dem die Druckluft 108 für die Zerstäubung des Reduktionsmittels 110 geführt wird. Das Reduktionsmittel 110 ist somit von der Druckluft 108 getrennt.
Sobald eine Eindosierung von Reduktionsmittel in den Abgasstrom 12 erfolgen soll, öffnet das Dosierventil 32 im Dosiermodul 18, so dass der Druck in dem das Reduktionsmittel 110 führenden Teil, d. h. im siebten Strömungsquerschnitt 112 zwischen dem äußeren Rohr 62 und dem inneren Rohr 60 der Dosierleitung 20 ansteigt. Sobald der Öffnungsdruck der belasteten Rückschlagventile gemäß der Darstellung in 10 erreicht ist, öffnet dieses und das Reduktionsmittel 110 gelangt in das äußere Rohr 62, wo dieses mit der im siebten Strömungsquerschnitt 112 im äußeren Rohr 62 geführten Druckluft 108 zusammengeführt wird.
Auch in der Ausführungsvariante gemäß 10 ist das innere Rohr 60 samt dem an dessen Ende aufgenommenen federbelasteten Rückschlagventil aufgenommene innere Rohr 60 durch die ersten Stege 84 gehalten. Mit diesen kann der im siebten Strömungsquerschnitt 112 im äußeren Rohr 62 strömenden gesamten Druckluft 108 ein die Zerstäubung begünstigender Drall aufgeprägt werden. In der Darstellung gemäß 10 ist dargestellt, wie das Reduktionsmittel 110 bei geöffnetem Ventilteller des nadelförmig ausgebildeten Ventilgliedes 98 von der Druckluft 108 in den Ringspalt 88 mitgerissen wird, wobei oberhalb des Ringspaltes 88 zwischen der Innenseite des äußeren Rohres 62 und der Außenseite des Konus 102 die zweiten Stege 85 vorgesehen sind, über welche im Ringspalt 88 eine Drallerzeugung erfolgen kann, so dass an der Austrittsstelle, d. h. im Bereich der Düse 90, ein fein zerstäubter Sprühnebel 16 aus Druckluft 108 und Reduktionsmittel 110 in den Abgasstrom 12 der Verbrennungskraftmaschine eindosiert werden kann.
Durch die Trennung von Reduktionsmittel 110 und Druckluft 108 mittels des federbelasteten Rückschlagventiles gemäß der Darstellung in 10 wird sichergestellt, dass bei einer Dosierpause oder nach dem Abstellen des Fahrzeugs das innere Rohr 60, d. h. die Dosiermittelleitung 20 gemäß der zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung nicht leer läuft. Somit können sich auch bei Nichtbetrieb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosiersystems keine Kristalle im Dosiersystem bilden.
Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten bzw. deren Untervarianten, können die das Reduktionsmittel 110 führenden Teile des Dosiersystems eine reduktionsmittelfreundliche Oberfläche besitzen. Hierdurch bildet das Reduktionsmittel 110 einen Wandfilm und verteilt sich somit gleichzeitig auf der Oberfläche. Aufgrund dieser gleichmäßigen Verteilung kommt es zu einer zeitlich gut homogenisierten Dosiermengenabgabe, was für eine gleichmäßige Zweistoffzerstäubung vorteilhaft ist, d. h. eine Zerstäubung von Druckluft 108 und besagtem Reduktionsmittel 110.
Anstelle einer reduktionsmittelfreundlichen Ausgestaltung der Oberfläche kann auch eine reduktionsmittelstoßende Oberfläche in den das Reduktionsmittel führenden Teilen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosiersystems gewählt werden. Dies führt dazu, dass das Reduktionsmittel 110 keinen Wandfilm ausbildet, sondern in Form kleiner Tröpfchen mit geringer Oberfläche transportiert wird. Mit der dadurch bewirkten Oberflächenverkleinerung des Reduktionsmittels kann die Kontaktfläche zwischen dem Reduktionsmittel 110 und der Druckluft 108 deutlich verringert werden. Auch dadurch wird die Verdunstungsrate des im Reduktionsmittel 110 enthaltenen Wassers gesenkt und die Gefahr einer Kristallbildung deutlich herabgesetzt.
In einer weiteren denkbaren Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können sowohl Reduktionsmittel anziehende als auch Reduktionsmittel abstoßende Oberflächen miteinander kombiniert werden. Alle das Reduktionsmittel 110 führenden Rohre bzw. Leitungen sind hierbei bis kurz vor Ende des Sprührohres 14 als das Reduktionsmittel 110 abstoßend ausgestaltet, was, wie oben stehend beschrieben, die Gefahr einer sich einstellenden Kristallbildung deutlich reduziert. Im Endbereich der das Reduktionsmittel 110 führenden Leitungs- bzw. Rohrbereiche, d. h. kurz vor der Zerstäubungsstelle 16, 68, 70, 90 sind die Oberflächen der Komponenten nach der Zusammenführung des Reduktionsmittels 110 mit der Druckluft 108 als Reduktionsmittel-anziehend ausgebildet, was, wie oben stehend beschrieben, die Homogenisierung und Zerstäubung des Reduktionsmittels 110 zur Eindosierung in den Abgasstrom 12 in den Abgastrakt 10 der Verbrennungskraftmaschine deutlich verbessert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/069385 A1 [0003]
DE 19819579 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Eindosieren eines Betriebs-/Hilfsstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels (110) in einen Abgasstrom (12) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Dosiermodul (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere das Reduktionsmittel (110) entweder mit einem ersten Teilstrom (108.1) eines Trägermediums (108) transportiert wird und ein zweiter Teilstrom (108.2) des Trägermediums getrennt von dem ersten Teilstrom (108.1) zu einer Eindosierungsstelle (68, 70, 90) transportiert wird, oder das Reduktionsmittel (110) ohne Trägermedium bis zu einer Eindosierstelle (90, 98, 102) geführt wird und dort mit dem getrennt zugeführten Zerstäubermedium mit dem getrennt zugeführten Trägermedium (108) zusammengeführt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium (108) Druckluft ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom (108.1) des Trägermediums (108) zum Transport des Betriebs-/Hilfsstoffes (110) kleiner ist als der zweite Teilstrom (108.2) des Trägermediums (108), insbesondere zumindest um den Faktor 3 kleiner ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosierleitung (20) einen ersten Teil (40) und einen zweiten Teil (42) aufweist und die Dosierleitung (20) insbesondere durch ein doppelwandiges Rohr oder einen doppelwandigen Schlauch gebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiermodul (18) eine Mischkammer (44) und ein Dosierventil (32) umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiermodul (18) einen Drucksensor (56), insbesondere einen Differenzdrucksensor enthält, und eine Druckdifferenz Δp zwischen dem Betriebs-/Hilfsstoff (110) in der Dosierleitung (20) und der Zufuhr des Trägermediums (108) misst oder eine Druckdifferenz Δp zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite des Dosierventiles (32) erfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierleitung (20) ein inneres Rohr (60) und ein äußeres Rohr (62) aufweist, wobei das innere Rohr (60) erste Öffnungen (70) umfasst, die in das äußere Rohr (62) münden und das äußere Rohr (62) zweite Öffnungen (68) umfasst, die in den Abgastrakt (10) münden.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Rohre (60, 62) das Reduktionsmittel (110) mit einem ersten Teilstrom (108.1) eines Trägermediums (108) transportiert wird und in dem anderen der Rohre (60, 62) der zweite Teilstrom (108.2) des Trägermediums (108) zur Zerstäubung des Reduktionsmittels (110) transportiert wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr (60) im äußeren Rohr (62) vor einem konischen Stopfen (102) mündet und das aus dem Innenrohr (60) austretende Medium einen Ringspalt (88) zur Eindosierungsstelle (90) durchströmt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr (60) im äußeren Rohr (62) durch erste Stege (84) gehalten ist, die in Strömungsrichtung gesehen schräg gestellt sind und dem einen Strömungsquerschnitt (74, 106, 112) passierenden Medium einen Drall aufprägen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsquerschnitt (114) des inneren Rohres (60) ein federkraftbetätigtes Schließventil (96, 98, 100) aufgenommen ist, dass an den Strömungsquerschnitt (114) des inneren Rohres (60) anschließt und ab Überschreiten eines Öffnungsdruckes öffnet.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (110) mit einem ersten Teilstrom (108.1) des Trägermediums (108) im kleineren der Strömungsquerschnitte (72, 74; 92, 94; 104, 106) strömt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckluftzufuhr vor der Mischkammer (44) ein Rückschlagventil (46) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittel (110) führenden Bereiche der Dosierleitung (20) eine Reduktionsmittel abweisende Oberfläche aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Reduktionsmittel (110) führenden Bereiche der Dosierleitung (20) eine Reduktionsmittel anziehende Oberfläche aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Reduktionsmittel (110) führenden Bereiche der Dosierleitung (20) bis kurz einen Zerstäuberbereich (70, 80, 82, 102) eine Reduktionsmittel abweisende Oberfläche aufweisen und im innerhalb des Zerstäuberbereiches (70, 80, 82, 102) ein Reduktionsmittel anziehende Oberfläche aufweisen.