WO2016015792A1 - Reduktionsmitteldosiersystem mit dämpfung der reduktionsmittelförderung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reduktionsmitteldosiersystem (10) zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Förderpumpe (20), mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank (40) über eine Saugleitung (30) aus dem Tank (40) angesaugt und über eine Druckleitung (50) gefördert und über zumindest eine Düse (60) in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, wobei die Saugleitung (30) ein bidirektionales Gummiventil (70) aufweist.

Description

Reduktionsmitteldosiersystem mit Dämpfung der

Reduktionsmittelförderung

Die Erfindung betrifft ein Reduktionsmitteldosiersystem zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Förderpumpe, mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank über eine Saugleitung aus dem Tank angesaugt und über eine Druckleitung gefördert und über zumindest eine Düse in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Reduktionsmitteldosiersystems zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Magnetkolbenpumpe als Förderpumpe, mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank über eine Saugleitung aus dem Tank angesaugt und über eine Druckleitung gefördert und über zumindest eine Düse in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, wobei die Kolbenbewegung durch Ansteuerung einer oder mehrerer Zylinderspulen herbeigeführt wird. Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion, sogenannte SCR- Katalysatoren (englisch: selective catalyic reduction, abgekürzt: SCR) werden eingesetzt, um die Stickoxydemission von Dieselmotoren, Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Industrieanlagen und dergleichen zu vermindern. Hierzu wird ein Reduktionsmittel in das Abgassystem mit einer Dosiervorrichtung eingedüst. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak oder eine Ammoniaklösung oder ein anderes Reduktionsmittel.

Da das Mitführen von Ammoniak in Fahrzeugen sicherheitskritisch ist, wird Harnstoff in wässriger Lösung mit üblicherweise 32,5 % Harnstoffanteil insbesondere gemäß DIN 70070 eingesetzt. Im Abgas zersetzt sich der Harnstoff bei Temperaturen oberhalb von 150° Celsius in gasförmiges Ammoniak und CO₂. Parameter für die Zersetzung des Harnstoffes sind im wesentlichen Zeit (Verdampfungs- und Reaktionszeit), Temperatur und Tröpfchengröße der eingedüsten Harnstofflösung. In diesen SCR- Katalysatoren wird durch selektive katalytische Reduktion (englisch selective catalyic reduction, SCR) der Ausstoß von Stickoxyden um etwa 90 % reduziert.

Bei den bekannten Reduktionsmitteldosiersystemen zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion wird die Reduktionsmittellösung mittels einer Magnetkolbenpumpe zur Düse gefördert. Dabei hat sich gezeigt, dass durch den Impuls in der Förderleitung nach einem Förderhub der Magnetkolbenpumpe eine unkontrollierte Nachförderung des Reduktionsmittels erfolgt. Ferner hat sich gezeigt, dass aufgrund einer hohen Kolbengeschwindigkeit bei einem Förderhub die Hydraulikflüssigkeit nicht wie gewünscht über die Steuerbohrungen aus dem Zylinder abfließt , sondern stattdessen Hydraulikflüssigkeit schon vor Verschließen der Steuerbohrungen gefördert wird, woraus ein Fördern von zuviel Reduktionsmittel aufgrund einer erhöhten Auslenkung der Fördermembrane erfolgt, was eine exakte Dosierung erschwert.

Ferner hat sich gezeigt, dass aufgrund einer hohen Kolbengeschwindigkeit nach einem Förderhub die Hydraulikflüssigkeit nicht wie gewünscht über die Steuerbohrungen dem Zylinder und Kolben zugeführt wird, sondern statt dessen Hydraulikflüssigkeit noch aus der Membrankammer angesaugt wird, woraus ein Ansaugen von zuviel Reduktionsmittel erfolgt, was eine exakte Dosierung erschwert. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Reduktionsmitteldosiersystem der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden und ein Verfahren zum Betrieb eines Reduktionsmitteldosiersystems anzugeben, sodass eine exakte Dosierung des Reduktionsmittels ermöglicht und eine unerwünschte Überförderung oder Nachförderung nach einem Förderhub zuverlässig verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Reduktionsmitteldosiersystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Besonders vorteilhaft bei dem Reduktionsmitteldosiersystem zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Förderpumpe, mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank über eine Saugleitung aus dem Tank angesaugt und über eine Druckleitung gefördert und über zumindest eine Düse in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, ist es, dass die Saugleitung ein bidirektionales Gummiventil aufweist. Insbesondere kann das Reduktionsmitteldosiersystem eine die Förderpumpe enthaltende Pumpeneinheit aufweisen. Diese Pumpeneinheit kann zusätzlich zu der Förderpumpe weitere Bauteile, insbesondere Schaltventile und/oder Sensoren aufweisen. Mit dem Begriff der Saugleitung ist dabei die Förderleitung vom Reduktionsmitteltank zum Saugmund der Förderpumpe bezeichnet. In dieser Saugleitung ist ein bidirektionales Gummiventil angeordnet. Bei einem solchen bidirektionalen Gummiventil handelt es sich um ein passives Bauteil, welches bei Auftreten einer entsprechenden Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des bidirektionalen Gummiventils automatisch öffnet und den Strömungskanal freigibt und umgekehrt bei Unterschreitung der geforderten Druckdifferenz zu beiden Seiten des bidirektionalen Gummiventils den Strömungskanal wieder automatisch verschließt. Hierdurch wird ein unerwünschtes Nachfördern des Reduktionsmittels aufgrund des Impulses in der Förderleitung nach einem Förderhub der Förderpumpe zuverlässig verhindert.

Mit dem Begriff der Druckleitung ist dabei jene Förderleitung bezeichnet, in welche^' die Druckseite der Förderpumpe mündet und über welche das Reduktionsmittel von der Pumpe zu der Düse gefördert wird.

Die Begriffe Reduktionsmitteldosiersystem bzw. Dosiersystem werden im Sinne der Erfindung synonym verwendet. Mit dem Begriff der Reduktionsmittellösung oder des Reduktionsmittels ist jedes zur selektiven katalytischen Reduktion geeignete Reduktionsmittel umfasst, vorzugsweise kommt hierzu eine Harnstofflösung gemäß DIN 70070 zum Einsatz. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Druckleitung eine Drossel auf. Es hat sich gezeigt, dass besonders die Anordnung eines bidirektionalen Gummiventils in der Saugleitung in Kombination mit einer Drossel in der Druckleitung eine besonders exakte Dosierung des Reduktionsmittels ermöglicht und eine unerwünschte Überförderung oder Nachförderung nach einem Förderhub zuverlässig verhindert.

Vorzugsweise weist das System einen Komponententräger auf, auf dem die Förderpumpe montiert ist und wobei in den Komponententräger ein Saugkanal zum Pumpeneinlass und ein an den Pumpenauslass anschließender Druckkanal integriert sind, wobei der Komponententräger einen Montagebereich aufweist, in welchem das Gummiventil strömungstechnisch in den Saugkanal integriert montiert ist.

Durch einen derartigen Komponententräger ist eine besonders vorteilhafte Anordnung der Pumpe sowie des bidirektionalen Gummiventils in der Saugleitung möglich. Dabei ist es möglich, die an und/oder auf dem Komponententräger angeordneten Komponenten zu einer Baugruppe vorzumontieren. Hierdurch ergibt sich eine einfachere Montage des Dosiersystems und eine Einsparung des benötigten Bauraumes durch Zusammenfassung mehrerer Komponenten zu einer platzsparenden Baugruppe.

In einer bevorzugten Gesamtanordnung weist das Reduktionsmitteldosiersystem einen Tank auf, an welchen die Saugleitung angeschlossen ist. Dabei wird die Reduktionsmittellösung in den Tank eingefüllt und für den Betrieb des Systems in dem Tank bevorratet. Zur Dosierung wird die Reduktionsmittellösung aus dem Tank entnommen und mittels der Förderpumpe gefördert und über zumindest eine Düse in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet.

Besonders bevorzugt weist das System eine Druckluftversorgung auf und das Reduktionsmittel wird innerhalb oder außerhalb der Düse mittels Druckluft zerstäubt. Dabei kann die Druckluftversorgung ein Schaltventil und/oder ein Druckregelventil aufweisen. Dieses Schaltventil dient der Steuerung, d. h. der Ein- und Abschaltung der Druckluftversorgung für das gesamte oder einen Teil des Dosiersystems.

Alternativ oder kumulativ kann die Druckluftversorgung ein Druckregelventil aufweisen. Hierdurch kann die Druckluft auf ein zur Zerstäubung des Reduktionsmittels mittels Druckluft gewünschtes Druckniveau eingestellt werden. Die Druckluft selbst kann aus einem bordeigenen Druckluftsystem, beispielsweise eines Nutzfahrzeuges, in dessen Abgastrakt das Dosiersystem angeordnet ist, entnommen werden, ohne dass der in dem Druckluftsystem vorherrschende Systemdruck eine Einschränkung darstellt, da der Druck der Druckluft auf den gewünschten Druck abgesenkt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmitteldosiersystems ist demnach eine Druckluftversorgung vorgesehen, wobei das Reduktionsmittel innerhalb oder außerhalb der Düse mittels Druckluft zerstäubt wird. Zur Zerstäubung des Reduktionsmittels kann eine Mischkammer vorgesehen sein, innerhalb derer eine Zerstäubung des Reduktionsmittels mittels der Druckluft bereits vor der Einleitung in den Abgastrakt erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch die Düse als außen mischende Zweistoffdüse ausgebildet, bei der aus einer ersten Düsenöffnung die Reduktionsmittellösung austritt und aus einer zweiten Düsenöffnung Druckluft austritt, wobei die beiden Düsenöffnungen derart zueinander ausgerichtet sind, dass die Druckluft das Reduktionsmittel außerhalb der Düse zerstäubt, so dass die Düse als außenmischende Zweistoffdüse ausgebildet ist und die Aerosolbildung außerhalb der Düse erfolgt. Insbesondere ist die zweite Öffnung der Düse derart positioniert, insbesondere unter einem Winkel gegenüber der Strahlrichtung der ersten Öffnung der Düse angestellt, dass mittels der aus der zweiten Öffnung austretenden Druckluft das aus der ersten Öffnung austretende Reduktionsmittel zerstäubt wird.

Vorzugsweise ist die Druckleitung über ein Schaltventil oder Regelventil an eine Druckluftversorgung angeschlossen, um die Druckleitung und die Düse nach Beendigung der Dosierung mittels Druckluft von Reduktionsmittel zu befreien.

In dieser bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmitteldosiersystems ist somit eine Druckluftversorgung vorgesehen, wobei die Reduktionsmittel fördernde Druckleitung und damit auch die Düse über ein Schaltventil an die Druckluftversorgung angeschlossen sind, um sie nach Beendigung der Dosierung mittels Druckluft von Reduktionsmittel zu befreien.

Hierdurch können die Reduktionsmittel fördernde Druckleitung und die Düse und/oder eine Dosierkammer und/oder die Dosierleitung nach Beendigung der Dosierung mittels der Druckluft von der Reduktionsmittellösung befreit werden, um ein Einfrieren oder Auskristallisieren der Reduktionsmittellösung zu verhindern. Hierdurch kann Frostschäden und Verstopfungen effektiv vorgebeugt werden.

Die Druckluft kann somit alternativ oder kumulativ zur Zerstäubung des Reduktionsmittels im Abgasstrang und zur Reinigung der Reduktionsmittel führenden Leitungen nach Beendigung der Dosierung genutzt werden.

Vorzugsweise wird der Druck in der Druckleitung mittels eines Drucksensors erfasst und überwacht. Durch eine derartige Erfassung und Überwachung des Druckes in der Reduktionsmittel führenden Druckleitung kann auch die korrekte Arbeitsweise der Förderpumpe und die Dosierung kontinuierlich überwacht werden. Vorzugsweise weist das System eine Beheizungseinrichtung zur Beheizung der Reduktionsmittellösung auf. Die vielfach eingesetzte Reduktionsmittellösung gemäß DIN 70070 gefriert aufgrund ihres Wassergehaltes bei ca. -11 °C. Daher ist es erforderlich, eine Beheizungseinrichtung beispielsweise innerhalb des Tanks und/oder in thermischer Kopplung zur Saugleitung und/oder Druckleitung zur Beheizung der Reduktionsmittellösung für den Fall sehr niedriger Umgebungstemperaturen vorzusehen.

Bei der Förderpumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Kolbenpumpe, insbesondere um eine Magnetkolbenpumpe. Bei einer solchen Magnetkolbenpumpe sind eine oder mehrere Zylinderspulen, mittels derer ein Magnetfeld erzeugt wird, angeordnet. Die Kolbenbewegung des magnetischen Kolbens wird durch das mittels der Spulen erzeugte Magnetfeld gesteuert.

Bei einer Magnetkolbenpumpe ist es besonders vorteilhaft, dass diese durch eine entsprechende Ansteuerung der das Magnetfeld erzeugenden Spulen, exakt betätigt und angesteuert werden kann.

Dementsprechend besteht die Möglichkeit, bei einem Verfahren zum Betrieb eines Reduktionsmitteldosiersystems zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Magnetkolbenpumpe als Förderpumpe, mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank über eine Saugleitung aus dem Tank angesaugt und über eine Druckleitung gefördert und über zumindest eine Düse in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, wobei die Kolbenbewegung durch Ansteuerung einer oder mehrerer Zylinderspulen, mittels derer ein Magnetfeld erzeugt wird, gesteuert wird, es vorzusehen, dass eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des/der Zylinderspule/n in Abhängigkeit der aktuellen Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Kolbens erfolgt. Mit dem Begriff der Ansteuerung des/der Zylinderspule/n ist dabei die zeitlich variable Bestromung der Spule/n gemeint, durch die jeweils ein resultierendes Magnetfeld erzeugt wird, welches eine resultierende Kraft auf den magnetischen Kolben ausübt. Durch die resultierende magnetische Kraft wird der Kolben in dem Zylinder der Magnetkolbenpumpe zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt hin- und herbewegt und dabei beschleunigt oder abgebremst. Durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des/der Zylinderspule/n wird das Tastverhältnis, d.h. der Quotient von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer der Bestromung des/der Zylinderspule/n während eines Zyklus, variiert, woraus ein zeitlich veränderliches resultierendes Magnetfeld des/der Zylinderspule/n resultiert. Hieraus folgt wiederum eine zeitlich variierende auf den Kolben wirkende resultierende magnetische Kraft und der daraus resultierenden variablen Kolbenbeschleunigung bzw. Kolbengeschwindigkeit. Durch Variation des Tastgrades lässt sich der arithmetische Mittelwert der elektrischen Spannung ändern. Dementsprechend kann durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Zylinderspule/n einer Magnetkolbenpumpe die resultierende auf den Kolben einwirkende magnetische Kraft gesteuert werden.

Die Anwendung des Verfahrens zum Betrieb eines Reduktionsmitteldosiersystems kann dabei alternativ zu der erfindungsgemäßen Weiterbildung auch bei einem gattungsgemäßen Reduktionsmitteldosiersystem gemäß des Standes der Technik erfolgen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Verfahren zum Betrieb eines Reduktionsmitteldosiersystems kumulativ bei einem erfindungsgemäß weitergebildeten Reduktionsmitteldosiersystem anzuwenden. Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des/der Zylinderspule/n derart, dass der Kolben während eines Förderhubes auf Höhe der Steuerbohrungen, über die Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird, verlangsamt wird. Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des/der Zylinderspule/n derart, dass der Kolben während eines Saughubes auf Höhe der Steuerbohrungen, über die Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird, verlangsamt wird. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung des/der Zylinderspule/n derart, dass der Kolben zum Abschluss eines Förderhubes vor dem oberen Totpunkt abgebremst wird.

Durch eine Verlangsamung des Kolbens auf Höhe der Steuerbohrungen, über die Hydraulikflüssigkeit zum Zylinder, in dem der Kolben geführt ist, zugeführt und abgeführt wird, wird der gewünschte Fluss der Hydraulikflüssigkeit über die Steuerbohrungen optimiert, da bei zu großen Kolbengeschwindigkeiten beim Ansaugtakt ein unerwünschtes Ansaugen von zu viel Hydraulikflüssigkeit aus der Membrankammer während eines Saughubes zu beobachten ist, während beim Fördertakt infolge einer zu hohen Kolbengeschwindigkeit eine unerwünschte Förderung von Hydraulikflüssigkeit in die Membrankammer erfolgt. Diese unerwünschten Effekte sowohl bei einem Saughub als auch bei einem Förderhub lassen sich durch eine entsprechende pulsweitenmodulierte Ansteuerung des/der Zylinderspule/n und ein Abbremsen des Kolbens im Bereich der Steuerbohrungen deutlich reduzieren.

Ein ungebremstes Anprallen des Kolbens an der Prallplatte zum Ende eines Förderhubes führt zu einem erheblichen Impuls in der Druckleitung des Dosiersystems mit der Folge, dass aufgrund dieses Impulses das Einlassventil öffnet und eine unkontrollierte und unerwünschte Förderung von Reduktionsmittel erfolgt. Dieser unerwünschte Effekt kann durch ein Abbremsen des Kolbens kurz vor dem oberen Totpunkt unterdrückt werden. Durch die Vermeidung eines harten Anprallens des Kolbens an die Prallplatte wird der auftretende Impuls in der Druckleitung verringert, sodass ein unerwünschtes Weiterfördern von Reduktionsmittel nach Abschluss des Förderhubs unterbleibt. Zum Abbremsen des Kolbens erfolgt eine entsprechende Reduktion des Tastgrades der Bestromung des/der Zylinderspule/n. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: eine schematische Darstellung eines

Reduktionsmitteldosiersystems; eine vergrößerte Darstellung des Dosiersystems nach Fig. 1 im Schnitt; das bidirektionale Gummiventil nach den Figuren 1 und 2 in verschiedenen Ansichten; eine schematische Darstellung der Förderpumpe nach Fig. 2 im Schnitt; den Schnitt der Förderpumpe während der Phase B eines Förderhubs gemäß Fig. 9; den Schnitt der Förderpumpe während der Phase C eines Förderhubs gemäß Fig. 9; den Schnitt der Förderpumpe während der Phase D eines Förderhubs gemäß Fig. 9; den Schnitt der Förderpumpe während der Phase E eines Förderhubs gemäß Fig. 9; den Verlauf des Kolbenweges s und des PWM-Tastverhältnisses der Ansteuerung der Förderpumpe über der Zeit t während eines Fördertaktes der Förderpumpe;

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Reduktionsmitteldosiersystems 10 zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion. Mittels der Förderpumpe 20 wird über die Saugleitung 30 Reduktionsmittellösung aus dem Tank 40 angesaugt und über die Druckleitung 50 zur Einspritzdüse 60 gefördert. Über die Einspritzdüse 60 wird das Reduktionsmittel in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingespritzt. Erfindungsgemäß ist in der Saugleitung 30 ein bidirektionales Gummiventil 70 angeordnet.

Eine vergrößerte Darstellung des Dosiersystems nach Fig. 1 zeigt Fig. 2 im Schnitt. Dabei ist die Pumpe 20 auf einem Komponententräger 15 angeordnet. In den Komponententräger 15 integriert sind die integrierte Saugleitung 30' und die integrierte Druckleitung 50'. Die Pumpe 20 sowie der Komponententräger 15 sind derart aufeinander angepasst, dass die in den Komponententräger 15 integrierte Saugleitung 30' unmittelbar in den Pumpeneinlass der Pumpe 20 mündet und ferner der Pumpenauslass der Pumpe 20 unmittelbar in die in den Komponententräger 15 integrierte Druckleitung 50' mündet.

Ferner ist in Fig. 2 erkennbar der in den Komponententräger 15 integrierte Ventilsitz 16 zur Aufnahme des bidirektionalen Gummiventils 70. Das bidirektionale Gummiventil 70 wird in dem Ventilsitz fixiert durch den Ventilträger 31 , der wiederum integraler Bestandteil der Saugleitung 30 ist. Die Saugleitung 30 ist mit dem in Fig. 2 nicht dargestellten Tank verbunden. Der Ventilträger 31 wird gegen den Ventilsitz 16 in dem Komponententräger 15 mittels der Dichtfläche des bidirektionalen Gummiventils und zusätzlich mittels eines O-Rings 35 abgedichtet.

Fig. 3 zeigt das bidirektionale Gummiventil 70 in einer Draufsicht sowie den Schnitt A-A. Erkennbar in der Draufsicht auf das Gummiventil 70 ist der Öffnungsschlitz 71. Bei Anliegen einer entsprechenden Druckdifferenz über dem bidirektionalen Gummiventil 70 öffnet der Öffnungsschlitz 71 automatisch. Umgekehrt schließt der Öffnungsschlitz 71 aufgrund seiner Rückstellkräfte automatisch in dem Moment, wenn die erforderliche Druckdifferenz über dem bidirektionalen Gummiventil 70 den erforderlichen Öffnungsdruck unterschreitet. Die Anordnung dieses bidirektionalen Gummiventils 70 in der Saugleitung 30 des Dosiersystems 10 führt zu einer Dämpfung der Reduktionsmittelförderung insbesondere zum Ende eines Förderhubs, da ohne dieses integrierte bidirektionale Gummiventil 70 der Impuls in der Druckleitung 50 des Dosiersystems eine unerwünschte Nachförderung von Reduktionsmittel aus dem Tank bewirken würde. Durch das in die Saugleitung 30 auf der Saugseite der Pumpe 20 integrierte Ventil 70 wird diese unerwünschte Nachförderung zuverlässig unterbunden. In Fig. 4 ist eine Ansicht der Förderpumpe 20 im Schnitt dargestellt. Bei der Förderpumpe 20 handelt es sich um eine elektromagnetische Kolbenpumpe, bei der der Kolben 21 durch den Aufbau eines entsprechenden Magnetfeldes mittels eines Solenoids 22, das heißt durch das mittels einer Zylinderspule 22 erzeugte Magnetfeld und der daraus resultierenden auf den Kolben 21 wirkenden magnetischen Kraft bewegt wird.

Der Antrieb des Kolbens 21 durch eine entsprechende Ansteuerung der Zylinderspule 22 erfolgt in Ausschubrichtung des Kolbens 21 , das heißt während eines Förderhubs des Kolbens 21 in Richtung auf den oberen Totpunkt. Zurückgestellt wird der Kolben 21 mittels einer Feder 23, wie dies in Fig. 4 erkennbar ist.

Der den Kolben umgebende Raum mit der Zylinderspule ist mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, wobei eine Schmierung des Kolbens und das Füllen des Hubraumes über entsprechende Steuerbohrungen 24 erfolgt. Das eigentliche Fördervolumen der Pumpe 20 ist gebildet durch das Zylindervolumen 25.

Das Ansaugen erfolgt über den Einlasskanal 26. Das Ausschieben erfolgt über den Auslasskanal 27. Den Einlasskanal 26 und den Auslasskanal 27 überdeckt die Membran 28. Die Ansteuerung der Zylinderspule 22 in Abhängigkeit der Kolbenposition, Kolbengeschwindigkeit und Bewegungsrichtung wird nachfolgend anhand der weiteren Figuren erläutert. In den Figuren 4 bis 8 sind die jeweiligen Kolbenpositionen während eines Förderzyklusses erkennbar, die den einzelnen Phasen A bis G gemäß Fig. 9 entsprechen.

Bei einer 100prozentigen Ansteuerung der Zylinderspule während einer ersten Phase A ausgehend vom unteren Totpunkt des Kolbens erfolgt die Vormagnetisierung und der Aufbau eines starken Magnetfeldes durch die 100prozentige Ansteuerung der Zylinderspule. Hieraus resultiert eine große Beschleunigung des Kolbens ausgehend vom unteren Totpunkt UT zu Beginn eines Förderhubs, wie dies anhand der in Fig. 4 dargestellten Position des Kolbens 21 erkennbar ist. Zu Beginn der Phase A befindet sich der Kolben 21 an dem unteren Totpunkt UT. Mit verbesserter Ansteuerung mittels einer Pulsweitenmodulation der Bestromung wird nun in der in Figur 9 dargestellten Phase A mit einer großen Pulsweitenmodulation nur der Strom i eingestellt, der nötig ist, um das Magnetfeld so einzustellen, dass der Kolben 21 sich mit nur geringer Beschleunigung in Bewegung setzt.

An die erste Phase A mit 10Oprozentiger Ansteuerung schließt sich eine zweite Phase B mit großer Geschwindigkeit des Kolbens an. Während der Phase B soll eine Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit in die dafür vorgesehenen Steuerbohrungen 24 der Pumpe erfolgen, wie dies in Fig. 5 dargestellt und durch die Pfeile 24' schematisch angedeutet ist. Während dieser Bewegungsphase B während des Förderhubs fließt normalerweise die Hydraulikflüssigkeit nicht nur durch die davor vorgesehenen Steuerbohrungen 24 ab, sondern ein Teil auch zur Membrankammer hin. Um zu vermeiden, dass die Hydraulikflüssigkeit vor dem Kolben hergetrieben wird, anstatt in die dafür vorgesehenen Steuerbohrungen 24 abzufließen, wird der Kolben in der in Figur 9 dargestellten Bewegungsphase B mit reduziertem Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation auf einer geringen Geschwindigkeit gehalten, wie dies durch die geringere Steigung des Wegstreckenverlaufs s des Kolbens über der Zeit t in Fig. 9 erkennbar ist. Die Position des Kolbens auf Höhe der Steuerbohrungen 24 während der Phase B ist in der Schnittzeichnung gemäß Fig. 5 entsprechend angedeutet. Ebenfalls in Fig. 5 eingetragen ist das Höhenniveau 25' entsprechend der Steuerkante 25' der Steuerbohrungen 24, bei dem das eigentliche Zylindervolumen der Kolbenpumpe beginnt und als Fördervolumen zur Membrankammer gedrückt wird.

Nachdem der Kolben die Steuerbohrungen 24 und deren Steuerkanten 25' überstrichen hat und zu dem Beginn des eigentlichen Zylindervolumens 25 auf Höhe des Niveaus 25' gelangt, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist, folgt sodann im weiteren zeitlichen Verlauf die Phase C gemäß Fig. 9. In dieser Phase C erfolgt wiederum eine Ansteuerung der Zylinderspule mit einem höheren Tastgrad, so dass der Kolben wieder beschleunigt wird, wie dies aus dem Weg-Zeit- Diagramm der Figur 9 der Kolbenbewegung ablesbar ist sowie dem ebenfalls in Fig. 9 eingetragenen Tastverhältnis zu entnehmen ist. Während der Bewegungsphase C erfolgt die eigentliche Förderung des Zylindervolumens 25 der Pumpe 20.

Ein ungebremstes Anprallen des Kolbens 21 an der Prallplatte im oberen Totpunkt OT würde einen erheblichen Impuls in der Druckleitung 50 des Dosiersystems bewirken. Dieses Anprallen und auch der entstandene Impuls würde wiederum in der Dosierleitung so groß sein, dass das Einlassventil öffnet und Reduktionsmittel quer durch die Pumpe fließt, bis der Impuls abgebaut ist. Dies würde zu einer unerwünschten Nachförderung und somit zu einer unkontrollierten Dosierung führen.

Um diesen Effekt zu unterbinden, wird ein hartes Anprallen des Kolbens 21 an der Prallplatte im oberen Totpunkt OT dadurch verhindert, dass während der Bewegungsphase C zum Ende des Förderhubs der Kolben abgebremst wird, wie dies im Weg-Zeit-Diagramm der Kolbenbewegung gemäß Fig. 9 erkennbar ist. Das Abbremsen des Kolbens 21 vor dem oberen Totpunkt OT erfolgt wiederum zum Ende der Bewegungsphase C dadurch, dass der Tastgrad bei der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Zylinderspule extrem auf ein Minimum reduziert wird. Dies ist dem in Fig. 9 aufgetragenen Verlauf des Tastgrades während des Zeitabschnittes T4 entnehmbar.

Nach Erreichen des oberen Totpunktes OT wird der Kolben 21 mittels der Feder 23 zum unteren Totpunkt zurückverlagert, wodurch ein entsprechendes Ansaugen von Reduktionsmittel über die Saugleitung 30 erfolgt.

Die Phase D, angedeutet durch die Position des Kolbens 21 gemäß Figur 7 am oberen Totpunkt OT bzw. dargestellt in Figur 9 beginnt, wenn der Kolben den oberen Totpunkt OT erreicht hat.

Während der Rückfahrt des Kolbens in Phase E durch die Federkraft der Rückstellfeder wird während des Hubvolumenweges Hydraulikflüssigkeit aus der Membrankammer gesaugt. Da eine zu schnelle Kolbenbewegung beim Zurückfahren zum unteren Totpunkt UT im Bereich der Steuerbohrungen 24 dazu führt, dass weiterhin Hydraulikflüssigkeit von der Membran gesaugt wird und nicht nur aus den Steuerbohrungen 24, wie dies in Fig. 8 durch die Pfeile 24" dargestellt ist, wird hier in den Phasen E und F gemäß Fig. 9 der Kolben während seiner Rückfahrt durch die Federkraft der Rückstellfeder ebenfalls durch eine entsprechende pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Zylinderspule im Bereich der Steuerbohrungen 24 abgebremst, wie dies in Fig. 9 während der Bewegungsphase E und F erkennbar ist. Deutlich ablesbar in Fig. 9 ist die geringere Kolbengeschwindigkeit auf der Höhe der Steuerbohrungen 24 ab der unteren Steuerkante 25' der Steuerbohrungen. Sobald der Kolben die Steuerbohrungen überstrichen hat, erfolgt durch die langsamere Kolbengeschwindigkeit mit dem geringen Tastverhältnis in Phase F ein leichteres Ansaugen von Hydraulikflüssigkeit aus den Steuerbohrungen 24, wie dies durch die Pfeile 24" in Fig. 8 schematisch angedeutet ist. Der gesamte Bewegungszyklus ist in Fig. 9 in einer Gesamtübersicht dargestellt. Im oberen Teil nach Fig. 9 ist dargestellt das Weg-Zeit-Diagramm des Kolbenweges s über der Zeit t während eines gesamten Förder- und Ansaugzyklus. Eingetragen sind der untere Totpunkt UT, der obere Totpunkt OT sowie die Steuerkante 25' der Steuerbohrungen 24 der Pumpe. Erkennbar im Weg-Zeit-Diagramm sind die Abschnitte A - D während des Förderhubs sowie hieran anschließend die Phase E bis G entsprechend dem Ansaugtakt der Pumpe. Die entsprechende pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Zylinderspule, d.h. die jeweiligen Wechsel der Tastgrade, erfolgt phasenverschoben gegenüber den einzelnen Bewegungsphasen A bis G, da einerseits die entsprechende Magnetisierung erfolgen muss und ferner es einer gewissen Reaktionszeit bedarf, bis der Kolben auf das veränderte Magnetfeld entsprechend reagiert. Hierzu ist im unteren Teil nach Fig. 9 der jeweilige Tastgrad bei der Ansteuerung der Zylinderspule erkennbar, das heißt es ist der Verlauf der Einschaltzeiten beziehungsweise Abschaltzeiten bei der Bestromung der Zylinderspule der Kolbenpumpe dargestellt. Während eines ersten Zeitabschnittes T1 erfolgt mit einem hohen Tastgrad die nötige Magnetisierung resultierend in einer entsprechend kleinen Beschleunigung und niedrigen Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens während der Phase A. Hieran schließt sich eine konstante niedrige Geschwindigkeit des Kolbens durch eine Ansteuerung mit einem reduzierten Tastgrad während eines zweiten Zeitabschnitts 12 in der Bewegungsphase B an. Hieran schließt sich eine Ansteuerung mit einem leicht erhöhten Tastgrad während des Zeitabschnitts T3 in etwa entsprechend der Bewegungsphase C an, das heißt während der eigentlichen Förderung des Reduktionsmittels gefolgt von einer Ansteuerung der Zylinderspule mit einem minimalen Tastgrad während einer Zeitspanne T4 zum Abbremsen des Kolbens am Ende der Bewegungsphase C vor Erreichen des oberen Totpunktes OT. Am oberen Totpunkt OT wird in der Zeitspanne T5 in der Phase D das Tastverhältnis wieder erhöht, um ein Anprallen zu verhindern und ein sicheres Halten des Kolbens zu gewährleisten. Ausgehend vom oberen Totpunkt OT wird der Kolben durch die Federkraft der Rückstellfeder in Richtung auf den unteren Totpunkt UT zurückgefahren, wobei während einer hierauf folgenden Zeitspanne T6 mit einem minimalen Tastgrad die magnetische Beeinflussung des Kolbens nahezu unterlassen wird, wodurch lediglich die Geschwindigkeit des Kolbens etwas begrenzt wird. In der darauf folgenden Zeitspanne T7 wird mit erhöhten Tastgrad ein Abbremsen des Kolbens auf Höhe der Steuerbohrungen 24 beginnend auf der Höhe der Steuerkante 25' herbeigeführt. Hieran schließt sich ein weiterer Zeitabschnitt T8 an, bei dem wiederum mit einem etwas reduzierten Tastgrad der Kolben auf geringe Geschwindigkeit gehalten wird, und zum unteren Totpunkt UT zurückgefahren wird. Kurz vor Auftreffen des Kolbens am unteren Totpunkt UT wird mit einem erhöhten Tastverhältnis in der Zeitspanne T9 der Kolben wiederum abgebremst, um auch hier ein Anprallen zu unterbinden. Nach Ende des Zyklus, das heißt nach Beendigung der Zeitspanne T9 beginnt nach einer entsprechenden Pausenzeit je nach Dosiermengenanforderung der Förderzyklus wieder von vorne.

Durch diese variable pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Solenoids der Kolbenpumpe wird der Kolben an den Steuerbohrungen 24 langsam heran- und vorbeigeführt. Dadurch wird weniger Hydraulikflüssigkeit zu der Membrane gefördert und von der Membrane zurückgesaugt. Hieraus resultiert eine geradere Förderkennlinie über dem Pumpengegendruck, d.h. das System wird gegendruckunabhängiger. Da diese Ansteuerung den Kolben verlangsamt, wird die Periodendauer eines Kolbenhubes größer als bei einer konstanten nicht modulierten Ansteuerung der Zylinderspule. Die maximal mögliche Förderfrequenz nimmt dadurch ab. Da es sich aber gezeigt hat, dass bei hoher Frequenz ein Gegendruck in der Druckleitung des Dosiersystems durch die hohe Fördermenge aufgebaut wird, ist die Möglichkeit zur Reduktion der jeweiligen Tastverhältnisse in den einzelnen Zeitabschnitten in der Nähe der maximalen Förderfrequenz der Pumpe gegeben. Somit kann die maximale Förderfrequenz erreicht werden. Die dargestellten Werte der Tastverhältnisse, Zeiten und Wege sind nur symbolisch.

Durch die spezielle pulsweitenmodulierte Ansteuerung wird die Dosiergenauigkeit einer Membran- oder Kolbenpumpe erhöht. Ferner wir durch die spezielle pulsweitenmodulierte Ansteuerung die Fördergeschwindigkeit des Reduktionsmittels während eines Förderhubes einer Membran- oder Kolbenpumpe reduziert und somit ist die Bildung eines feineren Sprays mit einer Zweistoffdüse gegeben.

Claims

Ansprüche

1. Reduktionsmitteldosiersystem (10) zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, mit einer Förderpumpe (20), mittels derer Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank (40) über eine Saugleitung (30) aus dem Tank (40) angesaugt und über eine Druckleitung (50) gefördert und über zumindest eine Düse (60) in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugleitung (30) ein bidirektionales Gummiventil (70) aufweist.

2. Dosiersystem (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung (50) eine Drossel aufweist.

3. Dosiersystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) einen Komponententräger (15) aufweist, auf dem die Förderpumpe (20) montiert ist und wobei in den Komponententräger (15) ein Saugkanal (30') zum Pumpeneinlass und ein an den Pumpenauslass anschließender Druckkanal (50') integriert sind, wobei der Komponententräger (15) einen Montagebereich (16) aufweist, in welchem das Ventil (70) strömungstechnisch in den Saugkanal (30') integriert montiert ist.

4. Dosiersystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) einen Reduktionsmitteltank (40) aufweist, an welchen die Saugleitung (30) angeschlossen ist.

5. Dosiersystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Druckluftversorgung aufweist und das Reduktionsmittel innerhalb oder außerhalb der Düse mittels Druckluft zerstäubt wird, insbesondere dass die Druckluftversorgung ein Schaltventil und/oder ein Druckregelventil aufweist.

6. Dosiersystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Düse (60) um eine außen mischende Zweistoffdüse handelt, bei der aus zumindest einer ersten Öffnung Reduktionsmittel austritt und aus zumindest einer zweiten Öffnung Druckluft austritt, wobei die zweite Öffnung derart positioniert, insbesondere unter einem Winkel gegenüber der Strahlrichtung der ersten Öffnung angestellt ist, dass mittels der aus der zweiten Öffnung austretenden Druckluft das aus der ersten Öffnung austretende Reduktionsmittel zerstäubt wird.

7. Dosiersystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung (50) über ein Schaltventil oder Regelventil an eine Druckluftversorgung angeschlossen ist, um die Druckleitung (50) und die Düse (60) nach Beendigung der Dosierung mittels Druckluft von Reduktionsmittel zu befreien.

8. Dosiersystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Förderpumpe (20) um eine Kolbenpumpe handelt, insbesondere um eine Magnetkolbenpumpe.