Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzdüse für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine.

Zahlreiche Bestandteile im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen sind uner- wünscht, da diese negative Auswirkungen auf die Umwelt haben können. Um die Emissionen dieser Bestandteile des Abgases möglichst gering zu halten, existieren oftmals gesetzlich vorgegebene Grenzwerte, die die Abgase von Verbrennungskraftmaschinen einhalten müssen. Ein möglicher unerwünschter Bestandteil sind Stickoxide (NO _x ). Die Emission von Stickoxiden kann einerseits durch innermo- torische Maßnahmen verringert werden, andererseits kann dies durch eine alternative oder zusätzliche Abgasnachbehandlung erfolgen. Eine Möglichkeit der Abgasnachbehandlung zur Reduktion des Anteils von Stickoxiden im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen stellt die selektive katalytische Reduktion dieser Stickoxide dar.

Bei diesem Verfahren werden die Stickoxide durch ein selektiv auf diese wirkendes Reduktionsmittel wie bspw. eine Harnstoff- Wasser-Lösung oder Ammoniak (katalytisch) reduziert. Insbesondere bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen ist aufgrund der starken Dynamik der Stickoxidemission infolge der sich schnell und zum Teil gravierend ändernden Lastzustände der Verbrennungskraftmaschine eine präzise Steuerung der Zugabe von Reduktionsmitteln zum Abgas erforderlich, um eine optimale Umsetzung der Stickoxide im Abgas zu gewährleisten. Die Zugabe des Reduktionsmittels erfolgt regelmäßig durch eine als Dosierdüse ausgebildete Einspritzdüse, die an oder sogar teilweise in einer Abgasleitung angeordnet ist. Das durch die Abgasleitung geführte Verbrennungsabgas weist regelmäßig eine Temperatur von mehreren 100 ⁰ C auf. Hierdurch ist die Einspritzdüse hohen dy- namischen thermischen Belastungen ausgesetzt, wodurch ggf. eine exakte Dosierung der abgegebenen Reduktionsmittelmengen nicht mehr gewährleistet sein kann, weil beispielsweise bei Anwendung einer Harnstoff- Wasser-Lösung als Reduktionsmittel ein Teil des Reduktionsmittels in Abhängigkeit der thermischen Belastungen innerhalb der Einspritzdüse verdampft.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzdüse für ein Reduktionsmittel zum Einbringen des Reduktionsmittels in eine Abgasleitung anzugeben, das auch bei hohen thermischen Belastungen der Einspritzdüse eine präzise Dosierung der Reduktionsmitte lmenge ermöglicht. Ferner soll ein Kraftfahrzeug angegeben werden, mit dem eine präzisere Dosierung von Reduktionsmittel hin zum Abgas während des Betriebes erreicht werden kann.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Einsatzgebiete des Verfahrens sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen ein- zeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Einspritzdüse für ein Reduktionsmittel zum Einbringen des Reduktionsmittels in eine Abgasleitung, die ein heißes Fluid führt, wird die Einspritzdüse durch Aktivierung mindestens eines an der Einspritzdüse angeordneten Peltierelements gekühlt. Ein Peltierelement ist ein elektrisches Bauelement, welches bei Stromfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Die Entstehung der Temperaturdifferenz basiert auf dem nach Jean Peltier benannten Effekt. Ein Peltierelement besteht aus zwei verschiedenen elektrisch leitenden Materialen mit unterschiedlichen Energieniveaus (Fermi-Niveau). Diese werden alternierend elektrisch miteinander verbunden und mechanisch derart angeordnet, dass die Verbindungsstellen jeweils abwechselnd auf einer Ebene liegen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinander liegende Kontaktstellen dieser Materialien, so muss auf der einen Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen werden, damit das Elektron in das energetische höhere Lei- tungsband des benachbarten Leitermaterials gelangt, folglich kommt es zur Abkühlung. Auf der anderen Kontaktstelle fällt das Elektron von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Bevorzugt ist daher, dass die heiße Seite des Peltierelements mit (Kühl- )Rippen versehen ist. Zudem haben sich zur Kühlung von Einspritzdüsen kreis- ringförmige Peltierelemente als besonders geeignet herausgestellt. Grundsätzlich ist auch möglich, dass mehrere Peltierelemente vorgesehen sind, die als (getrennt regelbare) Kühlstufen ausgebildet sind. Peltierelemente zeichnen sich insbesondere durch ihr geringes Gewicht, hohe Zuverlässigkeit, kleine Baugrößen, geringe Kosten, Wartungsfreiheit und eine sehr genaue Temperaturregelung aus.

Bevorzugt ist, dass die wenigstens eine Einspritzdüse an der Abgasleitung in wärmeleitendem Kontakt angeordnet und/oder keine weitere (aktive, regelbare) Kühlung vorgesehen ist.

Gleichwohl kann die Einspritzdüse (zusätzlich) von der Abgasleitung und/oder dem heißem Fluid thermisch - zum Bespiel durch Isolationsmittel - (zumindest oder nur) teilweise entkoppelt und/oder durch Wärmestrahlungsschutzschilde vor thermischen Einflüssen der Abgasleitung und/oder des heißen Fluids geschützt werden. Bei dem heißen Fluid handelt es sich insbesondere um ein Verbrennungsabgas einer Verbrennungskraftmaschine eines flurgebundenen Kraftfahrzeugs, Seefahr- zeugs oder Luftfahrzeugs. Die Einspritzdüse ist bevorzugt als Dosierdüse ausgebildet und insbesondere dazu geeignet, das Reduktionsmittel zu verteilen bzw. zu zerstäuben. Als Reduktionsmittel werden regelmäßig Harnstoff- Wasser-Lösungen und/oder Ammoniak (NH ₃ ) angewendet. Die Aktivierung des Peltierelements erfolgt durch Anlegung einer Spannung, wobei die Aktivierung insbesondere durch das Motormanagement (Motorsteuergerät) zum Beispiel während der Regeneration eines Partikelfilters initiiert werden kann. Die Kühlleistung eines Peltierelements wird regelmäßig über die Spannungshöhe eingestellt.

Durch die Kühlung der Einspritzdüse für ein Reduktionsmittel mit dem mindestens einen Peltierelement kann in vorteilhafter Weise die Temperatur des Reduktionsmittels in der Einspritzdüse auf kleiner 100 ⁰ C, bevorzugt kleiner 80 ⁰ C und besonders bevorzugt kleiner 60 ⁰ C, reduziert werden. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Reduktionsmittel in der Einspritzdüse nicht verdampft und somit eine exakte Dosierung der Reduktionsmittelmenge in Abhängigkeit zur Stickstoffkonzentration im Abgas erfolgen kann. Diese Kühlung kann besonders schnell imitiert und damit auch im Betrieb schnell eingestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Aktivierung des mindestens einen Peltierelements in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Parameter erfolgt:

- Temperatur der Einspritzdüse (insbesondere die Temperatur des Einspritzdü- sengehäuses und/oder der Einspritzdüsenspitze),

- Temperatur des Reduktionsmittels,

- Temperatur der Abgasleitung,

- Temperatur des heißen Fluids.

Die Aktivierung des mindestens einen Peltierelementes erfolgt insbesondere dann, wenn zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

- A - a) die Temperatur der Einspritzdüse (hier insbesondere die Temperatur der Mantelfläche des Einspritzdüsengehäuses) übersteigt 120 ⁰ C, bevorzugt 160 ⁰ C, besonders bevorzugt 200 ⁰ C, b) die Temperatur der Einspritzdüsenspitze, aus der das Reduktionsmittel in die Abgasleitung eintritt, übersteigt 150 ⁰ C, bevorzugt 200 ⁰ C oder besonders bevorzugt 250 ⁰ C, c) die Temperatur des Reduktionsmittels übersteigt 80 ⁰ C, bevorzugt 100 ⁰ C oder besonders bevorzugt 120 ⁰ C, d) die Temperatur der Abgasleitung bei mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschinen übersteigt 120 ⁰ C, bevorzugt 350 ⁰ C, besonders bevorzugt 450 ⁰ C, e) die Temperatur der Abgasleitung bei mit Ottokraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschinen übersteigt 120 ⁰ C, bevorzugt 650 ⁰ C, besonders bevorzugt 850 ⁰ C, f) die Temperatur des heißen Fluids (Abgases) bei mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschinen übersteigt 150 ⁰ C, bevorzugt 500 ⁰ C, besonders bevorzugt 650 ⁰ C, g) die Temperatur des heißen Fluids (Abgases) bei mit Ottokraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschinen übersteigt 150 ⁰ C, bevorzugt 850 ⁰ C, besonders bevorzugt 1050 ⁰ C.

Die jeweils angegebenen Temperaturen können (sensorisch) gemessen und/oder berechnet werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn eine Kühlleistung des mindestens einem Peltierelements so eingestellt wird, dass die Temperatur einer Einspritzdüsenspitze der Einspritzdüse 250 ⁰ C, bevorzugt 200 ⁰ C, besonders bevorzugt 150 ⁰ C nicht übersteigt und die Temperatur eines Einspritzdüsengehäuses der Einspritzdüse 200 ⁰ C, bevorzugt 160 ⁰ C, besonders bevorzugt 120 ⁰ C nicht übersteigt. Bei der Einspritzdüsenspitze der Einspritzdüse handelt es sich um den Bereich der Einspritzdüse, aus dem das Reduktionsmittel aus der Einspritzdüse in die Abgaslei- tung eintritt. Dies kann insbesondere durch eine gezielte räumliche Anordnung der Peltierelemente an der Einspritzdüse erreicht werden, wobei die Peltierelemente unabhängig von einander aktiviert und/oder ihre Kühlleistungen unterschiedlich eingestellt werden können. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise mechanische Beschädigungen der Einspritzdüse und ein vorzeitiges Verdampfen des Reduktionsmittels vermieden.

Insbesondere ist auch ein Verfahren vorteilhaft, wobei das mindestens eine Peltierelement aktiviert wird, wenn kein Reduktionsmittel eingebracht wird. Damit ist auch gemeint, dass zumindest in einer Zeitspanne (unmittelbar) vor der (oder jeder) Phase der Einbringung des Reduktionsmittels die Kühlung initiiert und erreicht wird, so dass dann ein einwandfreier Betrieb ermöglicht wird, bei dem das Reduktionsmittel z. B. im wesentlichen nur in flüssiger Form exakt dosiert wird.

Gerade dann, wenn die Einspritzdüse auch teilweise bzw. zeitweise als Speicher für das (flüssige) Reduktionsmittel dient, dann wird bevorzugt, dass das mindestens eine Peltierelement über mehrere Phasen der Einbringung von Reduktionsmittel aktiviert wird, also insbesondere eine Kühlung vor, während und nach diesen Phasen aufrecht erhalten bleibt. So kann auch vorgesehen sein, dass das mindestens eine Peltierelement für einen fest vorgegebenen Zeitraum des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine (und ggf. auch noch danach) aktiviert ist.

Das Aktivieren und/oder Deaktivieren kann zeitgesteuert und/oder (z. B. von der Temperatur abhängig) geregelt werden. Dies kann mit separaten Regeleinheiten erreicht werden, es ist aber auch ein Betrieb über die Motorsteuerung oder ähnliche Systeme des Kraftfahrzeuges möglich. Dabei kann die Kühlleistung (z. B. während der Regeneration eines in der Abgasleitung nahe der Einspritzdüse positionierten Partikelfilters) durch die Motorsteuerung aktiviert bzw. verstärkt werden.

Die Erfindung findet bevorzugt Anwendung in einem Kraftfahrzeug aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgasleitung mit einer Einspritzdüse zum Einbringen eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung, wobei die Einspritzdüse mindestens ein Peltierelement aufweist und eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die zur Durchfuhrung des erfmdungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Dies kann insbesondere durch geeignete elektrische Schaltungen, Operatoren, Sensoren und/oder Software umgesetzt sein. Die Steuervorrichtung steuert das Peltierelement hierbei insbesondere in der Weise, dass eine Verdampfung des Reduktionsmittels in der Einspritzdüse verhindert wird. Dies ermöglicht eine exakte Dosierung des Reduktionsmittels, so dass der Stickstoffgehalt des Verbrennungsabgases weitgehend reduziert werden kann.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 : eine Einspritzdüse mit einem Peltierelement geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2: ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Einspritzdüse mit Peltierelement, die mit einer Steuervorrichtung zusammenwirkt.

Aus Fig. 1 geht eine Abgasleitung 3 mit einem Katalysator 12 (zum Beispiel ein SCR-Katalysator und/oder ein Filter) hervor, die ein heißes Fluid 4 (Abgas) führt. An diese Abgasleitung 3 ist eine Einspritzdüse 1 mit ihrer Einspritzdüsenspitze 13 in der Weise angeordnet, dass die Einspritzdüse 1 in die Abgasleitung 3 ein Reduktionsmittel 2 einbringen kann. Diese Einspritzdüse 1 weist auf ihrem Einspritzdüsengehäuse 14 ein Peltierelement 5 auf, wobei das Peltierelement 5 mit einer Spannungsquelle 10 elektrisch verbunden ist. Das Peltierelement 5 ist dabei derart an der Einspritzdüse 1 angeordnet, dass diese bei Aktivierung die Ein- spritzdüse 1 kühlt. Das Peltierelement 5 ist bevorzugt in einem Bereich der Ein- spritzdüse 1 angeordnet, in dem das Reduktionsmittel 2 aus der Einspritzdüse 1 austritt.

Aus der Fig. 2 geht darüber hinaus ein Kraftfahrzeug 6 mit einer Verbrennungs- kraftmaschine 7 und einer Abgasleitung 3 hervor. An diese Abgasleitung 3 ist eine Einspritzdüse 1 mit einem Peltierelement 5 angeordnet. Dieses Peltierelement 5 ist mit einer Steuerleitung 9 mit einer Steuervorrichtung 8 Daten leitend verbunden. Diese Steuervorrichtung 8 wird mit mehreren Sensoren 11 (z. B. zur Bestimmung der Temperatur und/oder eines Abgasparameters) verbunden und ist in der Weise eingerichtet, dass diese durch Aktivierung des Peltierelements 5 ein Verdampfen des Reduktionsmittels 2 (vgl. Fig. 1) verhindert.

Durch die vorliegende Erfindung kann in vorteilhafter Weise eine exakte Dosierung der Reduktionsmittelmenge durch eine Einspritzdüse gewährleistet werden.

Bezugszeichenliste

1 Einspritzdüse

2 Reduktionsmittel

3 Abgasleitung

4 heißes Fluid

5 Peltierelement

6 Kraftfahrzeug

7 Verbrennungskraftmaschine

8 Steuervorrichtung

9 Steuerleitung

10 Spannungsquelle

11 Sensor

12 Katalysator

13 Einspritzdüsenspitze

14 Einspritzdüsengehäuse