Beschreibung

Titel

Vorrichtung zum Dosieren eines Reduktionsmittels

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem, welches insbesondere zur Reduzierung von Stickoxiden in einem Abgas eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann.

Bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei dieselbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen, muss aufgrund der in den nächsten Jahren anstehenden verschärften Abgasgesetzgebung unter anderem der Anteil an Stickoxiden im Abgas reduziert werden. Zur Reduzierung des Stickoxid-Anteils im Abgas wird zum Beispiel eine selektive katalyti- sehe Reduktion (SCR) durchgeführt, bei der die Stickoxide mit Hilfe von Reduktionsmitteln zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Als Reduktionsmittel wird zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung eingesetzt.

Das Reduktionsmittel wird üblicherweise in einem Tank gelagert und über eine Leitung vom Tank zu einem Dosiermodul befördert, mit dem das Reduktionsmittel zum Beispiel in das Abgasrohr eingespritzt wird. Das System arbeitet üblicherweise mit einem vorgegebenen Systemdruck, welcher beispielsweise über die Drehzahl eines Pumpmotors und entsprechende Sensorsysteme sowie Drosseln realisiert wird.

Eine Problematik besteht dabei darin, dass der im Fahrzeug verfügbare Bauraum für den Tank üblicherweise äußerst begrenzt ist. Aus dem Stand der Technik sind daher Systeme bekannt, bei welchen das flüssige Reduktionsmittel auf zwei verschiedene Tanks verteilt wird. So offenbart beispielsweise EP 0 928 884 A2 eine Gemischabgabevorrichtung zur Einführung eines Reduktionsmittels in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine. Bei dem offenbarten System wird eine Harnstoff- Wasser- Lösung mittels einer Pumpe unter Druck und Zugabe von Druckluft vor einem Katalysator eingebracht, um die Reduktion von

Stickoxiden im Abgas der Brennkraftmaschine zu bewirken. Das dargestellte System weist neben einem Reduktionsmittelverbrauchsbehälter zusätzlich einen Reduktionsmittelvorratsbehälter auf, welcher mit dem Reduktionsmittelverbrauchsbehälter in Verbindung steht. über eine Pumpe und einen Gasspeicher werden der Reduktionsmittelvorratsbehälter und der Reduktionsmittelverbrauchsbehälter mit Druck beaufschlagt. Der Reduktionsmittelverbrauchsbehälter ist mit einem elektrischen Heizelement ausgestattet, welches ein Gefrieren bei niederen Temperaturen verhindert.

Eine Herausforderung bei bekannten Zwei-Tank-Systemen stellt das Management der Reduktionsmittelverteilung auf die beiden Tanks dar. Zum einen muss gewährleistet sein, dass der beheizte Arbeitstank stets mit einer ausreichenden Menge flüssigen Reduktionsmittels beaufschlagt ist, um das Kraftfahrzeug auch während einer unvorhergesehenen Kälteperiode mit ausreichend flüssigem Reduktionsmittel zu versorgen.

Dabei muss jedoch stets sichergestellt sein, dass ein vorgegebener Höchstfüllstand im Arbeitsbehälter nicht überschritten wird. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass der Arbeitstank keine allzu große Menge an Flüssigkeit beinhaltet, da eine ständige Beheizung einer zu hohen Flüssigkeitsmenge mit erheblichem Energieaufwand verbunden ist. In EP 0 928 884 A2 wird diese Problematik mittels eines Steuergerätes gelöst, welches die In- formationen von Füllstandssensoren auswertet und entsprechend ein Umpumpen zwischen den Behältern steuert.

Offenbarung der Erfindung

Es wird dementsprechend eine Vorrichtung zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem vorgeschlagen, insbesondere zur Reduzierung von Stickoxiden in einem Abgas, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen vermeidet und gegenüber bekannten Vorrichtungen, wie beispielsweise der EP 0 928 884 A2, vorteilhaft weitergebildet ist. Die Vorrichtung kann beispielsweise im Rahmen der oben beschriebenen SCR- Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise um Harnstoff- Wasser- Lösungen oder andere flüssige oder flüssig/gasförmige Reduktionsmittel oder auch Suspensionen oder Emulsionen von Reduktionsmitteln in ein Abgassystem einzuspritzen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens einen Arbeitsbehälter zur Bevor- ratung einer Arbeitsmenge des flüssigen Reduktionsmittels und mindestens einen Lagerbehälter zur Bevorratung einer die Arbeitsmenge überschreitenden Lagermenge des flüs-

sigen Reduktionsmittels. Die Erfindung betrifft insbesondere die Kommunikation zwischen Lagerbehälter und Arbeitsbehälter. Diese Kommunikation wird über eine Förderpumpe realisiert, wobei auf ein zusätzliches Abschaltventil oder eine zusätzliche Förderpumpe zum Umpumpen verzichtet werden kann. Der Umpumpvorgang kann insbesondere wäh- rend der Fahrt eines Kraftfahrzeugs stattfinden, das heißt insbesondere während des Dosierbetriebes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen Systemaufbau aus, welcher kostengünstig realisierbar ist. Insbesondere kann auf ein komplexes Steuer- gerät (welches gleichwohl dennoch vorgesehen sein kann) verzichtet werden, oder die Funktionalität des Steuergerätes (insbesondere die Anforderungen an Software und Ressourcenaufwand) können erheblich reduziert werden. Dennoch ist die vorgeschlagene Vorrichtung, insbesondere aufgrund ihrer einfachen Ausgestaltung, im Rahmen einer Fehlerdiagnose, insbesondere im Rahmen eines On- Board- Diagnosesystems (OBD), leicht zu überwachen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfol- genden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur (Figur 1) zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend einen Lagerbehälter, einen Arbeitsbehälter, eine Förderpumpe und ein Dosiermodul.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem dargestellt. Die- se Vorrichtung 110 kann beispielsweise im Rahmen der eingangs beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Applikationen zur Verminderung von Schadstoffen im Abgas, insbesondere zur Reduzierung von Stickoxiden, eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Arbeits- behälter 112 und einen Lagerbehälter 114. Anstelle jeweils eines Behälters sind auch Ausführungsbeispiele mit mehreren Behältern möglich, beispielsweise im Rahmen von Sys-

temen, welche auf einer getrennten Lagerung verschiedener Substanzen beruhen, welche anschließend vor einem Eindosieren gemischt werden.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 110 eine Förderpumpe 116, welche (vorzugsweise gleichzeitig) über eine Lageransaugleitung 118 aus dem Lagerbehälter 114 und über eine

Arbeitsansaugleitung 120 aus dem Arbeitsbehälter 112 flüssiges Reduktionsmittel 122 ansaugen kann. Beispielsweise kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um eine wäss- rige Harnstofflösung handeln, welche beispielsweise eingesetzt werden kann, um den

Schadstoff NOx in einem Katalysator zu N ₂ und H ₂ O zu reduzieren. Als Förderpumpe 116 haben sich dabei insbesondere Membranpumpen bewährt, wobei jedoch auch andere

Pumpensysteme eingesetzt werden können.

Die Förderpumpe 116 ist auf ihrer Druckseite über eine Dosierleitung 126 mit einem Dosiermodul 124 verbunden, welches beispielsweise im Abgastrakt einer Verbrennungs- kraftmaschine angeordnet sein kann. Für die Ausgestaltung derartiger Dosiermodule, bei welchen es sich beispielsweise um Einspritzdüsen handeln kann, kann auf den Stand der Technik verwiesen werden, beispielsweise auf die in EP 0 928 884 A2 genannten Einspritzventile.

Weiterhin ist eine von der Dosierleitung 126 abzweigende Rücklaufleitung 128 vorgesehen, welche im Arbeitsbehälter 112 mündet. Der Druck in der Dosierleitung 126 kann mit einem oder mehreren Drucksensoren 130 überwacht werden. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist einer dieser Drucksensoren 130 zwischen der Abzweigung der Rücklaufleitung 128 und dem Dosiermodul 124 angeordnet.

Der Drucksensor 130 kann beispielsweise über eine einfache Regelung mit der Förderpumpe 116 in Verbindung stehen, beispielsweise um eine Drehzahl dieser Förderpumpe 116 zu regeln und somit die Fördermenge beziehungsweise den Druck in der Dosierleitung 126 einzustellen. Auch komplexere Regelsysteme sind realisierbar, welche bei- spielsweise auch elektronische Steuergeräte, beispielsweise Mikrocomputer, umfassen können.

Der Arbeitsbehälter 112 ist dabei von seinem maximalen Fassungsvermögen her derart dimensioniert, dass dieser vorteilhafterweise für den Betrieb des Kraftfahrzeugs für eine Wintersaison ausreichend flüssiges Reduktionsmittel zur Verfügung stellen kann. Typischerweise liegt das maximale Fassungsvermögen im Bereich zwischen 1 und 15 I, be-

sonders bevorzugt bei (maximal) 6 I. Auf diese Weise kann in der kalten Jahreszeit der Betrieb des Kraftfahrzeugs lediglich mit der im Arbeitsbehälter 112 bevorrateten Menge an flüssigem Reduktionsmittel 122 aufrechterhalten werden, so dass lediglich der Arbeitsbehälter 112 mit einer Arbeitsbehälterheizung 132 (in Figur 1 lediglich symbolisch dargestellt) ausgestattet werden sollte. Auf eine Heizung des Lagerbehälters 114 kann verzichtet werden.

In der Lageransaugleitung 118, der Arbeitsansaugleitung 120 und der Rücklaufleitung 128 sind jeweils Drosselelemente 134, 136, 138 angeordnet, welche beispielsweise als Dros- selelemente mit vorgegebenem Drosselquerschnitt oder auch als einstellbare (beispielsweise regelbare) Drosselelemente ausgestaltet sein können und welche in Figur 1 mit Di, D ₂ beziehungsweise D ₃ bezeichnet sind.

Die Förderpumpe 116 saugt während des (Normal-) Betriebs sowohl aus dem Lagerbehäl- ter 114 als auch aus dem Arbeitsbehälter 112 flüssiges Reduktionsmittel 122 an. Dabei sind die Ansaugleitungen 118, 120 derart aufeinander abgestimmt (beispielsweise durch entsprechende Ausgestaltungen der Drosselelemente 134, 136), dass aus dem Lagerbehälter 114 stets (entsprechende Füllstände in den Behältern 114, 112 vorausgesetzt) eine größere Menge entnommen wird als aus dem Arbeitsbehälter 112.

Der Lagebehälter 114 hat ein Fassungsvermögen, welches das maximale Fassungsvermögen des Arbeitsbehälters 112 übersteigt. Vorzugsweise liegt das maximale Fassungsvermögen des Lagerbehälters im Bereich zwischen 15 I und 100 I, insbesondere im Bereich zwischen 20 I und 50 I.

Der Arbeitsbehälter 112 und der Lagerbehälter 114 sind über eine oder mehrere überlaufleitungen 140, welche insbesondere als einfache hydraulische überlaufleitung ausgestaltet ist, miteinander verbunden. Aufgrund der Abstimmung der Drosselelemente 134, 136 und 138 relativ zueinander führt die aus dem Lagerbehälter 114 entnommene Mehrmenge an flüssigem Reduktionsmittel 122 dazu, dass der Arbeitsbehälter 112 unter Normalbedingungen stets bis zur Einmündung der überlaufleitung 140 in diesen Arbeitsbehälter 112 gefüllt ist.

Dementsprechend kann diese Einmündung der überlaufleitung 140 in den Arbeitsbehälter 112 den maximalen Füllstand des Arbeitsbehälters 112 definieren. Alternativ könnten jedoch auch Füllstandssensoren, beispielsweise im Arbeitsbehälter 112 und/oder im Lager-

behälter 114, vorgesehen sein. Die maximale Füllmenge des Arbeitsbehälters 112 ist in der dargestellten Ausgestaltung somit unabhängig vom Füllstand des Lagerbehälters 114. Der maximale Füllstand im Arbeitsbehälter 112 ist bestimmt durch die axiale Lage der Einmündung der überlaufleitung 140.

Dabei sind vorzugsweise die beiden Behälter 112, 114 derart zueinander angeordnet, dass der maximale Füllstand des Lagerbehälters 114 (welcher beispielsweise durch entsprechende Sensoren überwacht werden kann) stets unterhalb oder gleich dem Füllstand des Arbeitsbehälters 112 ist. Damit ist gewährleistet, dass die in den Arbeitsbehälter 112 über die Rücklaufleitung 128 zurückfließende Menge an flüssigem Reduktionsmittel 122 stets über die überlaufleitung 140 in den Lagerbehälter 114 zurückfließen kann und es somit zu keiner überfüllung des Arbeitsbehälters 112 kommen kann. Auf entsprechende Sensoren im Arbeitsbehälter 112 könnte somit verzichtet werden.

Während normaler Betriebsbedingungen, das heißt beispielsweise oberhalb einer Temperatur von -11 ⁰ C, also bei einer Temperatur, bei welcher eine wässrige Harnstoff lösung im flüssigen Zustand ist, wird somit der Arbeitsbehälter 112 im Dosierbetrieb (das heißt beispielsweise während einer Fahrt) vom Lagerbehälter 114 der Vorrichtung 110 über die Rücklaufleitung 128 gespeist. Gefriert der (in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel unbeheizte) Lagerbehälter 114 ein, so wird der Dosierbetrieb lediglich vom beheizten Arbeitsbehälter 112 gespeist, da die Lageransaugleitung 118 innerhalb des Lagerbehälters 114 ebenfalls eingefroren und somit verschlossen ist. Die Förderpumpe 116 gleicht diesen Querschnittsverlust in den Ansaugleitungen 118, 120, beispielsweise geregelt über den Drucksensor 130, vorzugsweise durch eine erhöhte Drehzahl aus. Ist der Lagerbehälter 114 eingefroren, so verliert in der Regel auch die überlaufleitung 140 ihre Funktion.

Vorzugsweise ist der Lagerbehälter 114 und insbesondere die Ansaugstelle 142 der Lageransaugleitung 118 im Lagerbehälter 114 derart ausgeführt beziehungsweise isoliert, dass die Ansaugstelle 142 zeitlich vor der überlaufleitung 140 einfriert. Umgekehrt sollte bei einer Erhöhung der Temperatur die überlaufleitung 140 nicht nach dem Lagertank 114 auftauen. Diese zeitliche Abfolge der Einfrier- beziehungsweise Auftauvorgänge kann beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung der Isolierung des Lagerbehälters 114 im Bereich der Ansaugstelle 142 gestaltet werden.

Alternativ oder zusätzlich kann, wie in Figur 1 dargestellt, die überlaufleitung 140 auch als ganz oder teilweise beheizte überlaufleitung 140 ausgestaltet sein, beispielsweise durch

Verwendung einer überlaufheizung 144 (in Figur 1 lediglich symbolisch angedeutet). Durch diese bevorzugten Ausgestaltungen wird gewährleistet, dass auch bei einem Einfrieren der Vorrichtung 110 ein überfüllen des Arbeitsbehälters 112 vermieden wird.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass in dem in Figur 12 dargestellten Ausführungsbeispiel die Abzweigung der Rücklaufleitung 128 von der Dosierleitung 126 als zwischen der Förderpumpe 116 und dem Dosiermodul 124 liegend dargestellt ist. Abweichend von dieser bevorzugten Ausgestaltung kann diese Abzweigung jedoch auch unterschiedlich ausgestaltet sein. So kann die Abzweigung beispielsweise auch innerhalb des Dosiermoduls 124 selbst angeordnet sein, also Teil des Dosiermoduls 124 sein. Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Rücklaufleitungen 128 vorgesehen sein, beispielsweise eine Leckage- Rücklaufleitung aus dem Dosiermodul 124 in den Arbeitsbehälter 112.