DE10149275B4

DE10149275B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels

Info

Publication number: DE10149275B4
Application number: DE10149275A
Authority: DE
Inventors: Werner Overhoff
Original assignee: Purem Abgassysteme GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2021-10-06
Also published as: US20030154712A1; DE10149275A1; US6986248B2

Abstract

Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels zum Entsticken der Abgase eines Dieselmotors, umfassend den Schritt der Abgabe einer bestimmen Redukionsmittelmenge mittels eines Dosierventils (2, 2') zum Einleiten in den Abgasstrang des Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen von in dem eingangsseitig an dem Dosierventil (2, 2') anstehenden Reduktionsmittel enthaltenen Gasblasen das dem Dosierventil (2, 2') zugeführte Reduktionsmittel zum Kondensieren gasförmiger Reduktionsmittelphasen gekühlt wird, indem zumindest Teile des durch das Dosierventil (2, 2') abgegebenen Reduktionsmittels verdampft werden und die zum Verdampfen benötigte Wärme dem herangeführten und eingangsseitig an dem Dosierventil (2, 2') anstehendem Reduktionsmittel entzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels zum Entsticken der Abgase eines Dieselmotors, umfassend den Schritt der Abgabe einer bestimmen Reduktionsmittelmenge mittels eines Dosierventils zum Einleiten in den Abgasstrang des Dieselmotors. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels zum Zuführen in den Abgasstrang eines Dieselmotors, umfassend ein in eine Zuführleitung eingeschaltetes Dosierventil.

Zum Reduzieren der in dem Abgasstrom eines Dieselmotors enthaltenen Schadstoffe kann neben anderen Maßnahmen eine Entstickung durchgeführt werden. Ein solches Entstickungsverfahren ist bekannt geworden als das SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction). Um eine Reduktion der Stickoxide an einem dafür geeigneten Katalysator durchführen zu können, muß dem Abgasstrom ein Reduktionsmittel zuvor beigemengt werden. Als Reduktionsmittel wird Ammoniak (NH₃) eingesetzt. Das NH₃ wird – wie in DE 200 21 401 U1 beschrieben – in flüssigem Aggregatzustand aus einem Tank, beispielsweise einer Druckflasche entnommen. Das entnommene NH₃ wird über eine Zuführleitung von dem NH₃-Tank in den Abgasstrang geführt. Eingeschaltet in die Zuführleitung ist ein durch eine Steuereinrichtung betätigtes Dosierventil. In Abhängigkeit vom Be triebszustand des Dieselmotors befindet sich im Abgasstrom jeweils eine unterschiedliche Stickoxidmenge. Um eine bestimmungsgemäße Reduktion der Stickoxide an dem SCR-Katalysator durchführen zu können, muß eine an die in dem Abgasstrom vorhandene Stickoxidmenge angepaßte NH₃-Menge als Reduktionsmittel zugeführt werden. Es ist somit wesentlich, dass die zugeführte NH₃-Menge ausreicht, um eine möglichst vollständige Reduktion der im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide gewährleisten zu können. Auf der anderen Seite ist man zur bestmöglichen Ausnutzung von Ressourcen bestrebt, in den Abgasstrrom nur eine solche NH₃-Menge einzudüsen, die tatsächlich zum Durchführen der bestimmungsgemäßen Entstickung benötigt wird.

Die in DE 200 21 401 U1 beschriebene Einrichtung vermag eine exakte Dosierung des am Dosierventil anstehenden flüssigen NH₃ vorzunehmen. Es können jedoch Fahrsituationen, insbesondere bei weitgehend entleertem NH₃-Tank eintreten, bei denen durch den Entnahmerüssel gasförmiges NH₃ und nicht flüssiges NH₃ entnommen wird. In der Zuführleitung ist dann eine NH₃-Gasblase enthalten. Eine Dosierung erfolgt jedoch unter der Voraussetzung, dass an dem Dosierventil flüssiges NH₃ ansteht. Folglich wird bei einem nicht erkannten Dosieren von gasförmigem NH₃ eine zu geringe NH₃-Menge abgegeben, um die bei einem bestimmten Betriebszustand in dem Abgasstrom enthaltenen Stickoxide vollständig reduzieren zu können. Die durch die zu geringe Zugabe des Reduktionsmittels nicht reduzierten Stickoxides werden folglich an dem SCR-Katalysator nicht reduziert und daher als solche an die Umgebung abgegeben.

Aus DE 198 18 448 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur katalytischen Reduzierung von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsanlage bekannt. Diese Vorrichtung verfügt über eine Temperiereinrichtung zum Temperieren des zu dosierenden und in den Abgasstrang einzudüsenden Reduktionsmittels. Dieses ist bei dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren eine Reduktionsmittellösung. Die Temperierung der Reduktionsmittellösung zur Dosierung erfolgt vor dem Hintergrund, dass in Abhängigkeit unterschiedlicher Temperaturen die Reduktionsmittellösung eine unterschiedliche Dichte aufweist und somit in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen eine unterschiedliche Dosierung erfolgt. Dieses Dokument offenbart, dass die Temperiereinrichtung die Reduktionsmittellösung erwärmen oder auch kühlen kann. Bei dem Verfahren und der Vor richtung dieses Dokumentes ist jedoch vorgesehen eine Reduktionsmittellösung zu dosieren und als solche in den Abgasstrang einzudüsen. Hinweise zum Verbessern des in DE 200 21 401 U1 beschriebenen Systems sind diesem Dokument daher nicht zu entnehmen.

Ausgehend von der DE 200 21 401 U1 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bzw. eine eingangs genannte Vorrichtung dergestalt weiterzubilden, dass die Gefahr einer Fehldosierung infolge des unerkannten Anstehens von gasförmigem Reduktionsmittel anstelle von flüssigem vermieden ist.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Entfernen von in dem eingangsseitig an dem Dosierventil anstehenden Reduktionsmittel enthaltenen Gasblasen das dem Dosierventil zugeführte Reduktionsmittel zum Kondensieren gasförmiger Reduktionsmittelphasen gekühlt wird, indem zumindest Teile des durch das Dosierventil abgegebenen Reduktionsmittels verdampft werden und die zum Verdampfen benötigte Wärme dem herangeführten und eingangsseitig an dem Dosierventil anstehendem Reduktionsmittel entzogen wird.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Dosierventil eine Kühleinrichtung zum Kühlen des eingangsseitig am Dosierventil anstehenden Reduktionsmittels vorgeschaltet ist, indem in den dem Dosierventil nachgeschalteten Leitungsabschnitten andere Druck- und/oder Temperarturbedingungen vorgesehen sind, als in der eingangsseitig an dem Dosierventil anliegenden Zuführleitung, so dass durch die Druck- und/oder Temperaturdifferenz zwischen den beiden Leitungen bei einer Abgabe von Reduktionsmittel durch das Dosierventil dieses nach seiner Abgabe zumindest teilweise verdampft, und dass die dem Dosierventil nachgeschalteten Leitungsabschnitte angeordnet sind, damit durch die beim Verdampfen des Reduktionsmittels der Umgebung entnommene Wärme dem in der eingangsseitig an dem Dosierventil angeschlossenen Zuführleitung enthaltenen Reduktionsmittel entzogen wird.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das flüssig an dem Dosierventil anstehende Reduktionsmittel, zweckmäßigerweise NH₃ gekühlt wird, und zwar soweit, dass in dem flüssigen NH₃-Strom enthaltene Blasen von gasförmigem NH₃ mit der Folge kondensieren, dass durch einen solchen Kühlvorgang eingangsseitig am Dosierventil nur flüssiges NH₃ ansteht. Ein Kühlen des dem Dosierventil zugeführten NH₃ ist eine ohne großen Aufwand durchzuführende Maßnahme, um sicherzustellen, dass tatsächlich eingangsseitig am Dosierventil nur flüssiges NH₃ ansteht.

Als Kühleinrichtung ist eine solche vorgesehen, bei der unmittelbar nach Abgabe einer NH₃-Dosis diese zumindest teilweise verdampft wird und die zum Verdampfen notwendige Wärme dem an das Dosierventil herangeführten NH₃ entzogen wird. Das flüssig dosierte und anschließend verdampfte NH₃ kann auf diese Weise auch besonders gut leitungsgebunden zum Abgasstrang transportiert werden und bewirkt gleichzeitig mit dem Verdampfen eine Kühlung des herangeführten NH₃ zum Kondensieren der in der NH₃-Zuführleitung enthaltenden gasförmigen NH₃-Phasen. Zum Bewirken des Verdampfungsprozesses brauchen grundsätzlich keine Zusatzaggregate eingesetzt zu werden. Vielmehr ist es ausreichend, wenn zwischen der NH₃-Zuführleitung, die eingangsseitig an das Dosierventil angeschlossen ist, und der von dem Dosierventil wegführenden Leitung eine Druck- und/oder Temperaturdifferenz vorhanden ist. Eine Druckdifferenz zwischen diesen beiden Leitungen ist in aller Regel vorhanden, da das in einem NH₃-Tank befindliche NH₃ unter Druck steht, welcher Druck ebenfalls eingangsseitig an dem Dosierventil anliegt, während auf der von dem Dosierventil wegführenden Leitung lediglich der Abgasgegendruck anliegt. Der Abgasgegendruck beträgt in aller Regel wenige 100 mbar, während der im NH₃-Tank befindliche Druck in aller Regel mehrere bar beträgt. Durch den geringen Druck in der Dosierleitung (Abgasgegendruck) ist eine Verdampfung des dosierten NH₃ gegeben, so dass gegebenenfalls gasförmig zugeführtes NH₃ durch die Kühlung und den Behälterdruck kondensiert.

Damit durch den selbsttätig ablaufenden Verdampfungsprozeß eine Kühlung der Kühleinrichtung und des Dosierventils nicht bis auf solche Temperaturen erfolgt, bei denen ein selbsttätiges Verdampfen einer NH₃-Dosis nicht mehr gegeben wäre, ist in zweckmäßigen Weiterbildungen vorgesehen, Mittel bereit zu stellen, die derartiges verhindern. Vorgesehen sein kann beispielsweise, daß im Bereich der von dem Dosierventil wegführenden Leitung eine Luftzufuhr angeordnet ist, durch die beispielsweise Umgebungsluft in diesen Leitungsabschnitt eingebracht wird. Das Zuführen von gegenüber dem Abkühlungspunkt in aller Regel sehr viel wärmerer Umgebungsluft in diesen Leitungsabschnitt resultiert in einem sofortigen Verdampfen ggf. in diesem Leitungsabschnitt noch nicht verdampften NH₃, so daß durch diese Maßnahme der Verdampfungs- und damit verbundene Kühlungsprozeß in Gang gesetzt wird, oder in Gang bleibt. Das Zuführen von Luft kann kontinuierlich oder auch in bestimmten Zeitabständen erfolgen. Alternativ oder auch in Kombination mit dieser Maßnahme kann vorgesehen sein, daß nur ein Teil der dosierten NH₃ Menge die Kühleinrichtung beaufschlagt, so daß auf diese Weise ein übermäßiges Herabkühlen der Kühleinrichtung vermieden ist. Denkbar ist ebenfalls das bewußte Heranführen von NH₃ Gasblasen, so daß durch die bei ihrer Kondensierung entstehende Wärme eine übermäßige Kühlung der Kühleinrichtung verhindert ist.

Da bei dem selbsttätig ablaufenden Verdampfungsprozeß eine Kühlung der Kühleinrichtung und des Dosierventils bis auf solche Temperaturen erfolgen kann, bei denen ein vollständiges Verdampfen einer NH₃ Dosis nicht unbedingt gegeben ist, ist in einer zweckmäßigen Weiterbildung vorgesehen, Mittel bereitzustellen, die das noch flüssige NH₃ zu dem Abgasstrom transportieren. Vorgesehen ist beispielsweise, daß im Bereich der von dem Dosierventil wegführenden Leitung eine Luftzufuhr angeordnet ist, durch die beispielsweise Umgebungsluft in diesen Leitungsabschnitt einbringbar ist.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematisierte Darstellung einer Dosiereinrichtung und

2 eine schematisierte Darstellung einer weiteren Dosiereinrichtung.

1 zeigt in einer schematisierten Darstellung 1 zum Dosieren von flüssig einem NH₃-Tank, beispielsweise einer NH₃-Flasche entnommenen NH₃ zum Zuführen des dosierten NH₃ als Reduktionsmittel zur Erstickung der Abgase eines Dieselmotors an einem. Katalysator. Die Dosiereinrichtung 1 umfasst ein Dosierventil 2 und eine insgesamt mit 3 bezeichnete Kühleinrichtung. Die Kühleinrichtung dient zum Kühlen des über eine Zuführleitung 4 vom NH₃-Tank zugeführten NH₃, damit gegebenenfalls in der Zuführleitung 4 zugeführte NH₃-Gasblasen mit dem Ziel kondensieren, dass eingangsseitig an dem Dosierventil 2 immer flüssiges NH₃ ansteht. Die Kühleinrichtung 3 ist als Wärmetauscher, zum Beispiel in Form eines doppelwandigen Rohres ausgebildet, wobei die Zuführleitung 4 in einen inneren Kanal 5 der Kühleinrichtung 3 mündet. Der innere Kanal 5 ist angeschlossen an den Eingang des Dosierventils 2. Der Ausgang des Dosierventils 2 mündet in einem als Ringkanal ausgebildeten Leitungsabschnitt 6 der Kühleinrichtung 3. Ausgangsseitig ist an dem Ringkanal ein Leitungsabschnitt 7 zum Zuführen des mittels des Dosierventils 2 dosierten NH₃ zu dem einem Dieselmotor nachgeschalteten Abgasstrang angeschlossen. Der Ringkanal dient bei der Kühleinrichtung 3 als Verdampferkammer, in der die von dem Dosierventil 2 zum Zudüsen in den Abgasstrang abgegebene NH₃-Menge verdampft. Der Verdampfungsprozess erfolgt selbsttätig infolge der Druckdifferenz zwischen dem in der Zuführleitung 4 anstehenden Druck, der demjenigen des NH₃-Tanks entspricht, und dem in dem Leitungsabschnitt 7 und dem Ringkanal erheblich geringeren Druck, der durch den jeweiligen Abgasgegendruck bestimmt ist. Beim Verdampfen der dosierten NH₃-Menge wird der Umgebung und somit insbesondere dem innern Kanal 5 und dem darin enthaltenen NH₃ Wärme entzogen, so dass dieses gekühlt wird, wobei in dem grundsätzlich flüssig zugeführten NH₃ befindliche NH₃-Gasblasen kondensieren. Somit steht bei dem Dosierventil 2 auch dann flüssiges NH₃ an, wenn tatsächlich in der Zuführleitung 4 NH₃-Gasblasen zugeführt werden.

Im Bereich des Dosierventils 2 mündet in den Ringkanal der Kühleinrichtung 3 eine Luftzuführleitung 8, über die Umgebungsluft in den Ringkanal eingebracht werden kann. Ein solches Einbringen von Umgebungsluft erfolgt zur Verhinderung einer zu weiten Herabkühlung der Kühleinrichtung 3, wenn eine bestimmte Temperatur erreicht ist. Als Mindestkühltemperatur ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Temperatur von –20°C vorgesehen. Eine Betätigung eines in die Luftzuführleitung 8 eingesetzten Luftventiles 9 kann über eine Steuereinrichtung oder auch mechanisch durch Einsatz beispielsweise eines Bimetalls erfolgen. Ein Zuführen von Umgebungsluft, die in aller Regel sehr viel wärmer ist, als die Kühltemperatur der Kühleinrichtung 3 führt zu einem Anheben der Temperatur in dem Ringkanal und somit zu einem raschen Verdampfen ggf. darin enthaltener NH₃-Flüssigkeitsreste, wodurch zum einen die Zufuhr des dosierten NH₃ in den Abgasstrang unterstützt und gleichzeitig der Verdampfungs- und Kühlprozess verbessert wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt somit eine temperaturabhängige Zufuhr von Umgebungsluft, so dass die Temperatur der Kühleinrichtung 3 entsprechenden Schwankungen unterworfen ist. Für den Fall, dass die Umgebungsluft sehr kalt ist, kann durch das Einbringen von Umgebungsluft in den Ringkanal zum Verhindern eines zu weiten Herabkühlens der Kühleinrichtung 3 auch warmes Abgas eingeleitet werden.

2 zeigt schematisiert eine weitere Dosiereinrichtung 1', die aufgebaut ist grundsätzlich wie die Dosiereinrichtung 1 der 1. Zu diesem Zweck sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, die jedoch bei der Dosiereinrichtung 1' mit einem „'" versehen sind. Im Gegensatz zur Ausgestaltung der Dosiereinrichtung 1 der 1 handelt es sich bei der Dosiereinrichtung 1' nicht um ein doppelwandiges Rohr als Wärmetauscher, sondern um zwei durch eine Wand voneinander getrennten Kanäle.

1, 1': Dosiereinrichtung
2, 2': Dosierventil
3, 3': Kühleinrichtung
4, 4': Zuführleitung
5: Innerer Kanal
5': Zuführkanal
6, 6': Leitungsabschnitte
7, 7': Leitungsabschnitte
8, 8': Luftzuführleitung
9, 9': Luftventil

Claims

Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels zum Entsticken der Abgase eines Dieselmotors, umfassend den Schritt der Abgabe einer bestimmen Redukionsmittelmenge mittels eines Dosierventils (2, 2') zum Einleiten in den Abgasstrang des Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen von in dem eingangsseitig an dem Dosierventil (2, 2') anstehenden Reduktionsmittel enthaltenen Gasblasen das dem Dosierventil (2, 2') zugeführte Reduktionsmittel zum Kondensieren gasförmiger Reduktionsmittelphasen gekühlt wird, indem zumindest Teile des durch das Dosierventil (2, 2') abgegebenen Reduktionsmittels verdampft werden und die zum Verdampfen benötigte Wärme dem herangeführten und eingangsseitig an dem Dosierventil (2, 2') anstehendem Reduktionsmittel entzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem dosiert abgegebenen Reduktionsmittel Umgebungsluft beigemengt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) eingesetzt wird, das flüssig am Dosierventil (2, 2') ansteht.
Vorrichtung zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels zum Zuführen in den Abgasstrang eines Dieselmotors, umfassend ein in eine Zuführleitung eingeschaltetes Dosierventil (2, 2') dadurch gekennzeichnet, dass dem Dosierventil (2, 2') eine Kühleinrichtung (3, 3') zum Kühlen des eingangsseitig am Dosierventil (2, 2') anstehenden Reduktionsmittels vorgeschaltet ist, indem in den dem Dosierventil (2, 2') nachgeschalteten Leitungsabschnitten (6, 7; 6', 7') andere Druck- und/oder Temperaturbedingungen vorgesehen sind, als in einer eingangsseitig an dem Dosierventil anliegenden Zuführleitung (4, 4'), so dass durch die Druck- und/oder Temperaturdifferenz zwischen den beiden Leitungen (4, 4' bzw. 6, 7; 6' 7') bei einer Abgabe von Reduktionsmittel durch das Dosierventil (2, 2') dieses nach seiner Abgabe zumindest teilweise verdampft und dass die dem Dosierventil (2, 2') nachgeschalteten Leitungsabschnitte (6, 7; 6' 7') angeordnet sind, damit durch die beim Verdampfen des Reduktionsmittels der Umgebung entnommene Wärme dem in der eingangsseitig an dem Dosierventil (2, 2') angeschlossenen Zuführleitung (4, 4') enthaltenen Reduktionsmittel entzogen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dem Dosierventil (2, 2') nachgeschalteten Leitungsabschnitt (6, 6') im Bereich des Ausgangs des Dosierventils (2, 2') eine Luftzufuhrleitung (8, 8') zum dosierten Zuführen von Umgebungsluft in den Leitungsabschnitt (6, 6') angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) als Wärmeübertrager ein doppelwandiges Rohr mit einem als Zuführleitung dienenden inneren Kanal (5) und einem als dem Dosierventil (2) nachgeschalteten Leitungsabschnitt (6) dienenden, äußeren Ringkanal, wobei in eine Verbindung zwischen dem inneren Kanal (5) und dem äußeren Ringkanal das Dosierventil (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3') ein Block mit einem Zuführkanal (5') und dem dem Dosierventil (2') nachgeschalteten Leitungsabschnitt (6') ist, wobei der Zuführkanal (5') und der als Ableitung dienende nachgeschaltete Leitungsabschnitt (6') wärmeleitend miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) eingesetzt ist.