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Title:
METERING DEVICE FOR METERING A REDUCTANT LIQUID AND METHOD FOR OPERATING A METERING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/001607
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a metering device (1) for metering a reductant liquid into an exhaust gas flow of a combustion system. The metering device (1) has an inlet (6) and an outlet (8) for reductant and a shut-off device (10) arranged between the inlet (6) and the outlet (8). At least one heating element that can be electrically operated is arranged in the region of the shut-off device (10).

Inventors:
RÖSEL, Gerd (Cecilie-Vogt Weg 20, Regensburg, 93055, DE)
KLÜGL, Wendelin (Föhrenstr. 1, Seubersdorf, 92358, DE)
Application Number:
EP2017/060714
Publication Date:
January 04, 2018
Filing Date:
May 04, 2017
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH (Vahrenwalder Straße 9, Hannover, 30165, DE)
International Classes:
F01N3/20; F02M53/06
Foreign References:
DE102011077951A12012-12-27
DE102006025332A12007-12-06
DE19743302C11999-02-04
US20060118651A12006-06-08
DE102004054238A12006-05-11
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Claims:
Patentansprüche

Dosiervorrichtung (1) zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit in einen Abgasstrom einer Verbrennungs¬ anlage, wobei die Dosiervorrichtung (1) einen Einlass (6) und einen Auslass (8) für Reduktionsmittel und eine zwischen dem Einlass (6) und dem Auslass (8) angeordnete Ab¬ sperrvorrichtung (10) aufweist,

wobei im Bereich der Absperrvorrichtung (10) zumindest ein elektrisch betreibbares Heizelement angeordnet ist.

Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 1,

wobei das zumindest eine Heizelement im Bereich einer Düse der Dosiervorrichtung (1) angeordnet ist.

Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 2,

wobei das zumindest eine Heizelement dadurch gebildet ist, dass zumindest ein Gehäuseelement der Dosiervorrichtung (1) im Bereich der Düse gegen Elemente eines Abgastrakts (34) elektrisch isoliert ist und das Gehäuseelement durch Anlegen eines elektrischen Stroms kurzschlussheizbar ist.

Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 2,

wobei das zumindest eine Heizelement dadurch gebildet ist, dass eine erste Elektrode (36) in der Dosiervorrichtung (1) bis in die Nähe der Düse geführt ist und eine zweite Elektrode (38) ein Gehäuseelement der Dosiervorrichtung (1) im Bereich der Düse kontaktiert, so dass ein Strompfad von der ersten Elektrode (36) durch die Reduktionsmittel¬ flüssigkeit und das Gehäuseelement zur zweiten Elektrode (38) gebildet ist.

5. Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das zumindest eine Heizelement dadurch gebildet ist, dass zumindest eine Heizpille (42) im Bereich der Düse angeordnet und durch zumindest eine Elektrode (36) kon¬ taktiert ist, die durch das Gehäuse (3) der Dosiervor¬ richtung (1) bis an die Heizpille (42) geführt ist.

Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 5,

wobei die zumindest eine Heizpille (42) als ringförmige Scheibe um die Düse ausgebildet ist.

Dosiervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dosiervorrichtung (1) als Magnetventil ausge¬ bildet ist.

Abgasreinigungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die folgendes aufweist:

einen Behälter zur Aufnahme und Vorhaltung eines flüssigen Reduktionsmittels,

eine Dosiervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Abgabe des Reduktionsmittels in den Abgasstrom und eine den Behälter mit der Dosiervorrichtung (1) verbindende Reduktionsmittelleitung .

Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung (1) zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit in ein Abgas einer Verbrennungsanlage, wobei die Dosiervorrichtung (1) einen Einlass (6) und einen Auslass (8) und eine zwischen dem Einlass (6) und dem Auslass (8) angeordnete Ab¬ sperrvorrichtung (10) aufweist,

wobei ein Bereich der Absperrvorrichtung (10) zumindest dann, wenn die Verbrennungsanlage außer Betrieb ist, über einen Gefrierpunkt der Reduktionsmittelflüssigkeit geheizt wird .

10. Verfahren nach Anspruch 9,

wobei die Heizung elektrisch erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,

wobei die Heizung lokal im Bereich einer Düse der Dosiervorrichtung (1) erfolgt.

Description:
Beschreibung

Dosiervorrichtung zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit und Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit in einen Abgasstrom einer Ver ¬ brennungsanlage, beispielweise in den Abgastrakt eines

Kraftfahrzeugs. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Dosiervorrichtung.

Dosiervorrichtungen, auch Injektoren genannt, die Wasser bzw. wässrige Lösungen in den Abgastrakt einer Verbrennungsanlage einspritzen, sind bei abgestellter Brennkraftmaschine und Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt gefährdet, durch ein Einfrieren des Mediums im Injektor und die dadurch bedingte Ausdehnung zerstört zu werden. Bei Niederdruckinjektoren, die beispielsweise in SCR (selektive katalytische Reduktion) - Systemen eingesetzt werden, ist besonders der Düsenbereich des Injektors gefährdet, da in diesem Bereich eine Materialver ¬ stärkung Performance-Nachteile bei der Zerstäubung der Lösung hätte .

Aus der DE 10 2004 054 238 AI ist es bekannt, die Lösung durch Rücksaugen aus dem Injektor zu entfernen, sobald die Brennkraftmaschine abgestellt wird. Dies ist jedoch aufwendig.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dosie ¬ rvorrichtung zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit in einen Abgasstrom einer Verbrennungsanlage anzugeben, bei der eine Schädigung der Dosiervorrichtung durch Einfrieren des Reduktionsmittels verhindert wird. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Dosiervorrichtung angegeben werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Dosiervorrichtung zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit in einen Abgasstrom einer Verbrennungsanlage angegeben, wobei die Dosiervorrichtung einen Einlass und einen Auslass für Reduktionsmittel und eine zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnete Absperrvor ¬ richtung aufweist. Im Bereich der Absperrvorrichtung ist zumindest ein elektrisch betreibbares Heizelement angeordnet. Bei der Dosiervorrichtung handelt es sich insbesondere um einen Injektor zum Einspritzen einer wässrigen Lösung, beispielsweise Harnstofflösung, in den Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs zur Abgasnachbehandlung . Bei dem elektrisch betreibbaren Heizelement kann es sich insbesondere um eine Niederenergieheizung mit einer Heizleistung von etwa 1 Watt handeln. Wie sich herausgestellt hat, ist eine derartige Heizleistung ausreichend, um eine Temperaturerhöhung um 10 K des Reduktionsmittels im Bereich der Absperrvorrichtung zu erzielen. Dies ist in der ganz überwiegenden Mehrzahl der Fälle ausreichend, um ein Einfrieren der Reduktionsmittelflüssigkeit im besonders gefährdeten Bereich der Absperrvorrichtung zu verhindern . Wie sich gezeigt hat, weisen die Injektorspitze und der

Kühlmantel, insbesondere bei einer Wasserluftkühlung des In ¬ jektors, aufgrund geringer Flächen ausreichend hohe thermische Widerstände auf. Dadurch ist es möglich, den Energiebedarf des Heizelements so gering zu halten, dass beispielsweise aus einer Batterie mit 65 Ah/12 V (780 Wh) innerhalb von 8 Stunden lediglich 1 % der enthaltenen Energie für eine Temperaturerhöhung von 10 K genutzt werden müsste. Die Dosiervorrichtung hat somit den Vorteil, dass eine Schädigung insbesondere des besonders sensiblen Bereichs der Absperr ¬ vorrichtung vor einer Zerstörung durch Einfrieren des Reduktionsmittels geschützt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Heizelement im Bereich einer Düse der Dosiervorrichtung angeordnet. Eine derartige Düse ist typischerweise im Bereich des Auslasses der Dosiervorrichtung in Form einer Düsenplatte mit Löchern angeordnet. Da die Ausgestaltung der Düse durch die Art des zu erzeugenden Sprays bestimmt ist, ist eine Materialverstärkung an der Düsenplatte zum Schutz vor Schädigungen durch einfrierendes Reduktionsmittel typischerweise nachteilig. Eine gezielt in diesem Bereich erfolgende Heizung hat den Vorteil, dass der besonders sensible Bereich der Düse geschützt wird, ohne dass Veränderungen an der Düsenplatte vorgenommen werden müssen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das zumindest eine Heizelement dadurch gebildet, das zumindest ein Gehäuseelement der Dosiervorrichtung im Bereich der Düse gegen Elemente des Abgastrakts elektrisch isoliert ist und das Ge ¬ häuseelement durch Anlegen eines elektrischen Stroms kurzschlussheizbar ist.

Gemäß dieser besonders einfachen Ausführungsform sind im Bereich der Düse Elektroden am Gehäuse der Dosiervorrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe sich ein Stromfluss unmittelbar durch das Gehäuse erzeugen lässt. Auf diese Weise wird ein Stromfluss durch die Düsenplatte bzw. durch Gehäuseelemente in unmittelbarer Nähe der Düse erzeugt und diese werden dadurch geheizt. Hierzu werden gegen den Abgastrakt elektrisch isolierte Gehäuseelemente der Dosiervorrichtung elektrisch kontaktiert und die Anschlüsse aus dem Gehäuse der Dosiervorrichtung bzw. aus dem Abgastrakt herausgeführt .

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie besonders einfach ist, weil abgesehen von den elektrischen Anschlüssen keine weiteren Elemente für die Bildung des Heizelements benötigt werden .

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das zumindest eine Heizelement dadurch gebildet, dass eine erste Elektrode in der Dosiervorrichtung bis in die Nähe der Düse geführt ist und eine zweite Elektrode ein Gehäuseelement der Dosiervorrichtung im Bereich der Düse kontaktiert, so dass ein Strompfad von der ersten Elektrode durch die Reduktionsmittelflüssigkeit und das Ge ¬ häuseelement zur zweiten Elektrode gebildet ist. Bei einer Ausgestaltung ist die erste Elektrode durch den Einlass in die Dosiervorrichtung geführt.

Bei dieser Ausführungsform wird die elektrische Leitfähigkeit des Reduktionsmittels (beispielsweise wässrige Harnstofflösung) genutzt und es wird ein Stromfluss durch die Reduktionsmit ¬ telflüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Düse erzeugt. Dadurch wird die Reduktionsmittelflüssigkeit direkt aufgeheizt.

Die zweite Elektrode, die das Gehäuseelement kontaktiert, wird insbesondere mit der Fahrzeugmasse verbunden. Diese Ausführungsform erfordert zwar das Hindurchführen einer Elektrode durch die Dosiervorrichtung, jedoch benötigt auch sie abgesehen von den elektrischen Anschlüssen keine weiteren Bauteile und ist somit besonders einfach ausgebildet. Durch die direkte Heizung des Reduktionsmittels wird bei dieser Aus- führungsform der Energieverlust gering gehalten. Insbesondere ist ein Verlust von Wärme über den Metallflansch, der den Injektor mit dem Abgastrakt verbindet, unproblematisch. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zumindest eine Heizelement dadurch gebildet, dass zumindest eine Heizpille im Bereich der Düse angeordnet und durch zumindest eine Elektrode kontaktiert ist, die durch das Gehäuse der Dosiervorrichtung bis an die Heizpille geführt ist. Eine Heizpille ist insbesondere ein gekapseltes Heizelement, z.B. ein gekapseltes PTC-Heizelement ( PTC=positive temperature coefficient, positiver Temperatur ¬ koeffizient) .

Bei dieser Ausführungsform ist eine Heizpille zur Umsetzung von elektrischem Strom in Wärme als separates Element vorgesehen und in dem besonders sensiblen Bereich der Düse angeordnet, um diesen aufzuheizen. Die Heizpille wird durch mindestens eine Elektrode kontaktiert, die beispielsweise zwischen einem äußeren Ven ¬ tilgehäuse und einem inneren Gehäuse, das die Kavität zur Aufnahme der Reduktionsmittelflüssigkeit aufweist, geführt ist.

Somit verläuft die Zuleitung nicht in einem „nassen" Bereich der Dosiervorrichtung, so dass keine Dichtprobleme auftreten. Die zumindest eine Heizpille kann insbesondere als ringförmige Scheibe um die Düse ausgebildet sein. Die kann beispielsweise aus Metall oder Keramik ausgebildet sein.

Bei der Dosiervorrichtung kann es sich insbesondere um ein Magnetventil, d.h. ein magnetisch betätigbares Ventil, handeln. Derartige Ventile sind für eine präzise Dosierung von Flüs ¬ sigkeiten weit verbreitet. ,

b

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Abgasreinigungs ¬ einrichtung für ein Kraftfahrzeug angegeben, die einen Behälter zur Aufnahme und Vorhaltung eines flüssigen Reduktionsmittels, die beschriebene Dosiervorrichtung zur Abgabe des Redukti- onsmittels in den Abgasstrom sowie eine den Behälter mit der Dosiervorrichtung verbindende Reduktionsmittelleitung aufweist. Insbesondere kann in die Reduktionsmittelleitung eine Pumpe geschaltet sein zur Förderung von Reduktionsmittel aus dem Behälter in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors des Kraft- fahrzeugs.

Eine derartige Abgasreinigungseinrichtung kann insbesondere zur Reduzierung von Stickoxiden in Dieselfahrzeugen eingesetzt werden. Als Reduktionsmittelflüssigkeit kommt dabei typi- scherweise Harnstofflösung zum Einsatz. Es ist jedoch auch denkbar, die Abgasreinigungseinrichtung für eine andere Art von Kraftfahrzeug einzusetzen und/oder eine andere Art von Re ¬ duktionsmittel zu verwenden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit in ein Abgas einer Verbrennungsanlage angegeben, wobei die Dosiervorrichtung einen Einlass und einen Auslass und eine zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnete Absperrvorrichtung aufweist, wobei ein Bereich der Absperrvorrichtung zumindest dann, wenn die Verbrennungsanlage außer Betrieb ist, über einen Gefrierpunkt der Reduktionsmittel ¬ flüssigkeit geheizt wird. Das Verfahren hat den Vorteil, dass ein besonders sicherer

Betrieb der Dosiervorrichtung auch bei niedrigen Außentemperaturen möglich ist. Insbesondere ist die Dosiervorrichtung auch dann vor einer Zerstörung durch einfrierende Reduktionsmittelflüssigkeit geschützt, wenn die Verbrennungsanlage außer Betrieb ist und somit nicht über das Abgas Wärme an die Do ¬ siervorrichtung abgibt.

Bei diesem Verfahren kann es vorgesehen sein, beim Ausschalten der Verbrennungsanlage das Heizen eines Bereichs der Ab ¬ sperrvorrichtung zu veranlassen. Es wäre auch möglich, ein einem Verfahrensschritt vor dem Heizen und/oder während des Heizens zusätzlich zu prüfen, ob die Außentemperatur in einem Bereich liegt, der das Heizen notwendig macht, d.h. insbesondere zu prüfen ob die Außentemperatur kleiner oder gleich dem Gefrierpunkt der Reduktionsmittelflüssigkeit ist oder ob die Außentemperatur um weniger als einen vorgegebenen Wert oberhalb des Gefrierpunkts der Reduktionsmittelflüssigkeit liegt. Die Heizung erfolgt dabei insbesondere elektrisch, in dem ein Stromfluss durch Elemente der Dosiervorrichtung oder eine hierfür vorgesehene Heizpille eine Widerstandsheizung bewirken.

Insbesondere erfolgt die Heizung lokal im Bereich einer Düse der Dosiervorrichtung, der besonders durch Einfrieren des Reduktionsmittels gefährdet ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer

ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer

zweiten Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung; Figur 3 eine schematische Darstellung einer

dritten Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung und Figur 4 ein Detail aus Figur 3.

Figur 1 zeigt schematisch eine Dosiervorrichtung 1 zum Dosieren einer Reduktionsmittelflüssigkeit in einen Abgasstrom einer Verbrennungsanlage eines Kraftfahrzeugs.

Die Dosiervorrichtung 1 weist ein Innengehäuse 2 auf, das eine im Wesentlichen zylindrische Kavität 4 umgibt. Die Kavität 4 weist an ihrem oberen Ende einen Einlass 6 für ein flüssiges Reduktionsmittel und an ihrem unteren Ende einen Auslass 8 für das flüssige Reduktionsmittel auf. Ein Außengehäuse 3 umgibt das Innengehäuse 2 zum Teil.

Zwischen dem Einlass 6 und dem Auslass 8 ist eine Absperr ¬ vorrichtung 10 in Form eines Ventils angeordnet.

In der Kavität 4 ist ein Filtergehäuse 12 mit einem Filter 14 zur Filterung der Reduktionsmittelflüssigkeit angeordnet. Ferner ist in der Kavität 4 ein Federsitz 16 mit einer Rückstellfeder 18 angeordnet. Die Rückstellfeder 18 steht unter einer Vor- Spannung zwischen dem Federsitz 16 und einem Nadelsitz 20, der mechanisch mit einer Ventilnadel 22 gekoppelt ist.

Bei Nichtansteuerung des Ventils befindet sich die Ventilnadel 22 in einer Schließposition.

In der Schließposition wird die Ventilnadel 22 mit dem auf ihrer Spitze angeordneten Ball 24 derart in die Richtung des Auslasses 8 gedrückt, dass der Ball 24 fest gegen einen Sitz 26 gepresst wird und den Auslass 8 mit der Düsenplatte 28 verschließt. Die Absperrvorrichtung 10 wird angesteuert über eine elekt ¬ romagnetische Betätigungseinrichtung 30, die insbesondere eine über den elektrischen Anschluss 32 bestrombare Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufweist. Wird die Spule bestromt, so wird die Ventilnadel 22 gegen die Rückstellkraft der Ventilfeder 18 in Richtung des Einlasses 6 bewegt und der Ball 24 hebt sich von dem Sitz 26 ab, so dass Reduktionsmittelflüssigkeit aus der Kavität 4 durch den Auslass 8 in den Abgastrakt 34 gelangen kann. Gemäß der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform der

Dosiervorrichtung 1 sind im Bereich der Düsenplatte 28 um das Gehäuse 2 herum und mit elektrischem Kontakt zu dem Gehäuse 2 eine erste Elektrode 36 sowie eine zweite Elektrode 38 vorgesehen, über die ein elektrischer Strom an das Gehäuse 2 angelegt werden kann. Die Elektroden 36 und 38 werden somit über das Gehäuse 2 im Bereich der Düsenplatte 28 kurzgeschlossen und durch den Stromfluss wird das Gehäuse 2 im Bereich der Düsenplatte 28 aufgeheizt. Dadurch wird eine Temperaturerhöhung in diesem Bereich erzeugt, die ausreichend ist, um ein Einfrieren von Reduktionsmittelflüssigkeit zu verhindern.

Dabei kontaktieren die Elektroden 36 und 38 nicht das Abgasrohr 40, sondern sind gegen dieses elektrisch isoliert. Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Dosiervorrichtung 1, die sich von der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass eine erste Elektrode 36 durch den Einlass 6 in die Kavität 4 bis in den Bereich der Düse kurz vor dem Auslass 8 geführt ist. Die Elektrode 36 endet frei in der Kavität 4 auf Höhe der Ventilnadel 22. Ein zweiter Anschluss 38 verbindet das Gehäuse 2 mit der Fahrzeugmasse.

Bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, die elektrische Leitfähigkeit des Reduktionsmittels auszunutzen und einen Stromfluss durch das Reduktionsmittel von der ersten Elektrode 36 zur zweiten Elektrode 38 zu erzeugen. Hierdurch wird das Reduktionsmittel im Bereich vor der Düsenplatte 28 direkt aufgehei zt .

Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Dosiervorrichtung 1, die sich von den vorher gezeigten dadurch unterscheidet, dass ein Heizelement in Form einer ringförmigen Heizpille 42 an der Düsenplatte 28 angeordnet ist, die durch zumindest eine Elektrode 36 kontaktiert wird. Die Elektrode 36 ist dabei zwischen dem äußeren Gehäuse 3 und dem inneren Gehäuse 2 bis zur Spitze der Dosiervorrichtung 1 im Bereich der Düsenplatte 28 geführt.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Düsenplatte 28 von oben mit der ringförmig den Auslass 8 umgebenden Heizpille 42.