Dosiervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Dosier¬ vorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Dosiervorrichtung sowie einem Ver¬ fahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung nach den Oberbegrif¬ fen der unabhängigen Ansprüche.

Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide hat sich für selbstzündende Verbrennungs¬ motoren ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion ("SCR") als vorteilhaft erwiesen. Bei diesem Verfahren werden die Stickoxide zusammen mit Ammoniak in einem selektiven Katalysator zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Das zur katalytischen Umset¬ zung der Stickoxide notwendige Reduktionsmittel wird anstelle des Ammoniaks in Form einer wässrigen Harnstofflösung im Fahrzeug mitgeführt, aus der das Ammoniak durch Thermolyse und Hydrolyse der Harnstofflösung in der jeweils zur Umsetzung benötigten Menge freigesetzt werden kann.

Herkömmliche Verfahren, die das Reduktionsmittel durch Einsprit¬ zung oder Einblasung im Abgassystem aufbereiten, benötigen je- doch eine Mindesttemperatur und Mindestzeit für die Hydrolyse des

Reduktionsmittels zu Ammoniak, wodurch Umsatzverluste in Kauf genommen werden müssen. Dieser Nachteil kommt gerade beim Betrieb von Brennkraftmaschinen mit der für die SCR-Anwendungen vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen zum Tragen. Bekannt ist eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, bei der Reduktions¬ mittel über eine zur Einstellung der Fördermenge steuerbare Pumpe zu einer Heizeinrichtung befördert wird. Das Reduktionsmittel wird in der Heizeinrichtung erwärmt und über eine dem Reduktionskatalysa¬ tor vorgelagerte Zugabevorrichtung in den Abgasstrom eingebracht.

In einer alternativen bekannten Ausführungsform wird zur Einstellung der Fördermenge nicht die Pumpe, sondern eine als steuerbares Ventil ausgebildete Zugabevorrichtung angesteuert. Aus der Europä¬ ischen Patentschrift EP 0 708 230 B1 ist auch die Alternative be- kannt, die Einrichtung zur Aufbereitung des Reduktionsmittels als Verdampfungseinrichtung auszugestalten, wobei das dosierte Re¬ duktionsmittel in verdampfter Form in den Abgasstrom eingebracht wird. Die externe und bedarfsgerechte Ammoniakerzeugung führt zu einem von der Abgastemperatur nahezu unabhängigen Betrieb, was eine Verbesserung der NOx-Konvertierungsrate zur Folge hat. Prob¬ lematisch ist dabei eine unkontrollierte Reduktionsmittelaufbereitung, beispielsweise durch Nachverdampfen.

Vorteile der Erfindung

Es wird vorgeschlagen, dass bei der erfindungsgemäßen Dosiervor¬ richtung mit einer Dosierpumpe zur Einstellung einer Fördermenge eines Reduktionsmittels in einer Normalbetrieb-Förderrichtung gese- hen stromauf der Aufbereitungseinheit ein Rückschlagventil vorge-

sehen ist, das in Abhängigkeit von einer Änderung des Innendrucks des Reduktionsmittels in einer Aufbereitungseinheit schließbar ist. Die Dosierpumpe fördert das Reduktionsmittel entlang der Normalbe¬ trieb-Förderrichtung von einem Vorratstank über die einem Abgas- System vorgelagerte Aufbereitungseinheit in das Abgassystem. Es ist dabei von Vorteil, dass das Reduktionsmittel insbesondere bei einer schlagartigen Druckveränderung nach dem Schließen des Rück¬ schlagventils nur in Richtung zum Abgassystem förderbar ist. Es er¬ gibt sich dadurch günstigerweise eine Verbesserung der Einströ- mung des verdampften Reduktionsmittels in den Abgastrakt, bei¬ spielsweise bei diskontinuierlicher Betriebsweise. Ein Rückströmen von Abgas gegen die Normalbetrieb-Förderrichtung vom Abgassys¬ tem in die Dosiervorrichtung und in den Bereich der Dosierpumpe kann dadurch günstigerweise verhindert werden. Dies ist insbeson- dere dann von Vorteil, wenn die Dosiervorrichtung abgestellt ist oder beispielsweise bei einem diskontinuierlichen Betrieb inaktiv ist.

Es kann vorgesehen sein, dass die Dosierpumpe als Peristaltikpum- pe ausgestaltet ist. Es handelt sich dabei günstigerweise um eine volumetrische Fördereinrichtung, die beispielsweise auch in der Me¬ dizintechnik zur Förderung und Dosierung kleiner Volumenströme verwendet wird. Bei einer Peristaltikpumpe kann durch in einem Zy¬ linder laufende Rollen kontinuierlich mit zunehmendem Drehwinkel ein bestimmtes Volumen an Reduktionsmittel in einem Schlauch oder in einer Leitung eingeschlossen und gefördert werden. Es ist dabei von Vorteil, dass die Peristaltikpumpe einen einfachen Aufbau aufweist und sich für eine genaue Dosierung eignet, indem über ei¬ nen Antrieb, z.B. ein elektrischer Schrittmotor, kontinuierlich oder diskontinuierlich gefördert wird. Die dosierte Menge kann mittels des Drehwinkels bzw. die Anzahl der Schritte genau quantifiziert werden.

Günstigerweise weist die Peristaltikpumpe überdies prinzipbedingt eine gute Dichtheit auf. Vorteilhafterweise kann mit diesem Prinzip ein Abgasgegendruck und ein gegebenenfalls beim Verdampfen in der Aufbereitungseinheit entstehender Druck sicher erzeugt werden. Darüber hinaus ist die Peristaltikpumpe als Schlauchpumpe ausges¬ taltet, die prinzipbedingt wintertauglich ist, da das flexible Schlauch¬ material eine Eisbildung tolerieren kann, ohne beschädigt zu werden.

Insgesamt kann mit der Erfindung eine Dosiervorrichtung bereitge- stellt werden, die den Marktanforderungen hinsichtlich Komplexität, Kosten und Kundenakzeptanz gerecht wird. Zudem kann damit be¬ vorzugt das Ziel zukünftiger Abgasgrenzwerte erfüllt werden.

Besonders bevorzugt ist im Abgassystem ein poröser Körper vorge- sehen zur Verbesserung der Umsetzung des Reduktionsmittels. Es ist dabei von Vorteil, dass der poröse Körper beispielsweise durch ein Heizelement zusätzlich mit thermischer Energie versorgt werden kann. Zur Verbesserung der Umsetzung des Reduktionsmittels kann der Körper vorzugsweise katalytisch aktiv sein. Als hierfür eingesetz- tes Material ist beispielsweise ein Metallschaum, wie Edelstahl, A- luminium und dgl., und/oder Keramik denkbar.

Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung mit einer Dosierpumpe vorgeschlagen, wobei ein in einer Normalbetrieb- Förderrichtung gesehen stromauf einer Aufbereitungseinheit ange¬ ordnetes Rückschlagventil bei einer Druckerhöhung des Redukti¬ onsmittels in der Aufbereitungseinheit geschlossen wird. Das Reduk¬ tionsmittel wird dabei mittels der Dosierpumpe entlang der Normalbe¬ trieb-Förderrichtung von einem Vorratstank über eine einem Abgas-

system vorgelagerte Aufbereitungseinheit in das Abgassystem ein¬ gebracht.

Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Reduktionsmittel nach dem Schließen des Rückschlagventils in Richtung zum Abgassystem gerichtet beschleunigt, wodurch ein Rückströmen von Abgas in die Dosiervorrichtung verhindert werden kann.

Um die Fördermenge des Reduktionsmittels durch die Dosiervorrich¬ tung in Abhängigkeit von deren Temperatur zu steuern, kann ein Temperatursensor vorgesehen sein. Hierdurch ist eine besonders bevorzugte Feinabstimmung der Dosiervorrichtung möglich.

Selbstverständliche können die Ausgestaltungen miteinander kombi¬ niert werden, was eine bedarfsangepasste Betriebsweise der Dosier¬ vorrichtung ermöglicht.

Zeichnung

Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung er¬ geben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in An¬ sprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Im Folgenden zeigt die einzige Figur eine bevorzugte Dosiervorrich¬ tung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Eine bevorzugte Dosiervorrichtung in einem Abgasstrang eines Kraft¬ fahrzeugs ist vereinfacht in der Figur dargestellt. In einem Vorrats¬ tank 11 ist ein Reduktionsmittel zur Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren gespeichert. Das Reduktionsmittel wird von dem Vorratstank 11 über eine Dosierpumpe 10 und eine nicht näher bezeichnete Leitung entlang einer durch einen Pfeil gekenn¬ zeichnete Normalbetrieb-Förderrichtung 15 in eine Aufbereitungsein¬ heit 12 gefördert. Stromab des Vorratstanks 11 ist ein Filter 16 vor¬ gesehen, durch den das Reduktionsmittel grob gereinigt wird. Strom- ab des Filters 16 ist ein Temperatursensor 14 zur Bestimmung der Temperatur des Reduktionsmittels angeordnet, der über eine nicht näher bezeichnete Signalleitung mit einem Steuergerät 17 verbun¬ den ist. Der Temperatursensor 14 kann auch im Vorratstank 11 oder in die Dosierpumpe 10 integriert sein. Vorzugsweise ist der Tempera- tursensor 14 in die Dosierpumpe integriert, da die Leitungen beheizt sein können. Mit dem Temperatursensor 14 kann somit die Förder¬ menge des Reduktionsmittels durch die Dosiervorrichtung in Abhän¬ gigkeit von deren Temperatur gesteuert werden.

Zur Abgasreinigung wird das Reduktionsmittel über die Aufberei¬ tungseinheit 12 in einen Katalysator 18 eingebracht. In der Aufberei¬ tungseinheit 12 findet eine thermische Aufbereitung des Redukti¬ onsmittels statt, das anschließend in den Katalysator 18 eingebracht wird. Bei Verwendung einer Harnstofflösung als Reduktionsmittel findet eine teilweise oder vollständige Aufbereitung zu gasförmigen Komponenten statt, wobei beispielsweise NH ₃ und CO ₂ erzeugt wird. Durch den Phasenübergang zu gasförmigen Komponenten und durch den hohen Wasserdampfgehalt der Harnstoff-Wasserlösung findet eine Volumenzunahme statt. Dadurch werden die gasförmigen Komponenten selbständig in das Abgassystem eingeleitet und köπ-

nen relativ einfach und unproblematisch homogen im Abgas verteilt werden. Optional kann die Homogenisierung des Reduktionsmittels im Abgas mit einem Mischelement 19 verbessert werden. Im Bereich der gesamten Abgasanlage und im Auslassbereich 22 des Katalysa- tors 18 können nicht eingezeichnete übliche Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise Drucksensoren, Temperatursensoren, Lambda- sonden, NOx-Sensoren und dergleichen, die mittels nicht näher be¬ zeichneten Signalleitungen mit dem Steuergerät 17 verbunden sind. Eine Abgasströmungsrichtung am Abgasauslassbereich 22 ist je- weils durch Pfeile gekennzeichnet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in Normalbetrieb-Förderrichtung 15 gesehen stromauf der Aufberei¬ tungseinheit 12 ein Rückschlagventil 13 vorgesehen, das in Abhän- gigkeit von einer Änderung des Innendrucks des Reduktionsmittels in der Aufbereitungseinheit 12 schließbar ist. Nach dem Schließen des Rückschlagventils ist das Reduktionsmittel 13 nur in Richtung zum Abgassystem förderbar. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren wird das Reduktionsmittel nach dem Schließen des Rück- schlagventils 13 in Richtung zum Abgassystem gerichtet beschleu¬ nigt.

Bevorzugt ist im Abgassystem oder in der Aufbereitungseinheit 12 ein in der Figur nicht eingezeichneter poröser Körper vorgesehen zur Verbesserung der Umsetzung des Reduktionsmittels. Vorzugsweise ist der Körper katalytisch aktiv, wobei die Verwendung von bei¬ spielsweise Metallschaum wie Edelstahl, Aluminium und dgl. oder Keramik denkbar ist.