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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor und Abgasreinigungssystem nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
ist bekannt, zur Reinigung von Abgasen von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren
dem Abgas einen flüssigen
Zuschlagstoff wie beispielsweise ein Additiv oder ein Reduktionsmittel
zur insbesondere katalytisch unterstützten Abgasreinigung zuzugeben. Durch
Reaktion von im Zuschlagstoff vorhandenen oder aus ihm freigesetzten
Bestandteilen mit unerwünschten
Abgasbestandteilen werden diese zu unschädlichen Stoffen umgesetzt.
Dabei handelt es sich meist um vergleichsweise geringe Mengen des Zuschlagstoffes,
die dem Abgas zugegeben werden. Entsprechend klein sind die Querschnitte
der Zugabeleitungen bzw. Zugabedüsen.
Aus diesem Grund neigen diese zur Verstopfung infolge von Ablagerungen.
Der bestimmungsgemäße Betrieb
des entsprechenden Abgasreinigungssystems und ein schadstoffarmer
Betrieb des Kraftfahrzeugs werden dadurch gestört.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor
und Abgasreinigungssystem anzugeben, bei welchem ein zuverlässiger Betrieb
ermöglicht
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Gemäß Anspruch
1 umfasst das Abgasreinigungssystem des Kraftfahrzeugs Mittel zur
Entfernung von ionischen Bestandteilen aus dem für die Abgasreinigung vorgesehenen
Zuschlagstoff. Durch die Entfernung der ionischen Bestandteile aus
dem Zuschlagstoff wird eine Bildung von Feststoffablagerungen aus
den ionischen Bestandteilen verhindert. Somit wird eine dadurch
bewirkte Verstopfung des Leitungssystems für den Zuschlagstoff vermieden. Durch
die Entfernung der ionischen Bestandteile wird außerdem die
korrosive Wirkung des Zuschlagstoffes verringert und somit auf einfache
Weise ein zuverlässiger
Betrieb des Abgasreinigungssystems und ein schadstoffarmer Betrieb
des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
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Unter
einem Zuschlagstoff wird hier ein zur Abgasreinigung geeigneter
und in flüssiger
Form vorliegender Wirkstoff verstanden. Insbesondere kann es sich
bei dem Zuschlagstoff um ein zur Zugabe zum Kraftstoff oder zum
Abgas vorgesehenes Reagens handeln, welches die ionischen Bestandteile enthalten
kann. Bei den ionischen Bestandteilen kann es sich sowohl um kationische
als auch um anionische Bestandteile handeln. Bei den zu entfernenden
kationischen Bestandteilen sind dabei in erster Linie im Zuschlagstoff
in gelöster
Form vorhandene mehrwertige Metallionen wie beispielsweise Kationen
der Metalle Magnesium, Calcium, Barium, Strontium, Zink und Eisen
zu nennen. Bei den anionischen Bestandteilen sind hauptsächlich Säurereste
wie Chlorid, Phosphat, Sulfid und Sulfat zu nennen. Durch wenigstens
teilweise Entfernung von ionischen Bestandteilen insbesondere der
genannten Art kann die Bildung von Feststoffablagerungen vermieden
oder zumindest verringert und ein wirksamer Korrosionsschutz erreicht
werden. Zur Entfernung von ionischen Bestandteilen aus dem Zuschlagstoff können prinzipiell
alle hierfür
geeigneten Mittel und Verfahren eingesetzt werden. Beispielhaft
können flüssige oder
feste Entionisierungsmittel, Ionenaustauschung oder eletrochemische
Entionisierung, Abscheidung oder Dialyse genannt werden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist als Zuschlagstoff ein Reduktionsmittel,
insbesondere eine wässrige
Harnstofflösung,
zur Stickoxidreduktion vorgesehen. Die Verwendung eines Reduktionsmittels
zur insbesondere katalytisch unterstützten Reduktion von Stickoxiden
aus dem Abgas von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren stellt eine besonders bevorzugte
Form der Abgasreinigung im Sinne der Erfindung dar. Neben wässriger
Harnstofflösung
als dem vorzugsweise hierfür
eingesetzten Reduktionsmittel kommen als weitere Reduktionsmittel
Kohlenwasserstoffe oder Alkohole in Frage.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Entfernung
von ionischen Bestandteilen aus dem Zuschlagstoff ein Ionenaustauschermaterial,
mit welchem der Zuschlagstoff in Kontakt gebracht werden kann. Als
Ionenaustauschermaterial kann jedes gegenüber dem Zuschlagstoff beständige Material
in Frage kommen, welches im Zuschlagstoff enthaltene Ionen binden
und/oder gegen andere, mit Blick auf eine Korrosionswirkung und/oder
Ablagerungsbildung weniger kritische Ionen austauschen kann. Das
Inkontaktbringen des Zuschlagstoffes mit dem vorzugsweise in Granulatform
oder Folienform vorliegenden Ionenaustauschermaterial erfolgt bevorzugt
durch einfaches Überleiten
des Zuschlagstoffes. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, das Ionenaustauschermaterial
in einem geeigneten, für
den Zuschlagstoff durchlässigen
Behältnis
in einem für
den Zuschlagstoff vorgesehenen Vorratstank anzuordnen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ionenaustauschermaterial
als Kationenaustauschermaterial oder als Anionenaustauschermaterial oder
als gemischtes Ionenaustauschermaterial ausgebildet. Bevorzugt sind
in diesem Zusammenhang Zeolithe, Adsorberpolymere oder Polymerharze
als Anionen- oder Kationenaustauschermaterialien oder gemischte
Austauschermaterialien. Als Kationenaustauschermaterial kann ein
Material vorgesehen sein, welches die aus dem Zuschlagstoff zu entfernenden Kationen
gegen Wasserstoff-, Ammonium- oder
Natriumionen austauscht. Als Anionenaustauschermaterial kann ein
Material vorgesehen sein, welches die aus dem Zuschlagstoff zu entfernenden
Anionen gegen Hydroxyl- oder Chloridionen austauscht. Als gemischtes
Ionenaustauschermaterial kann eine Mischung aus einem Kationenaustauschermaterial
und einem Anionenaustauschermaterial oder ein Ionenaustauschermaterial
vorgesehen sein, bei welchem die genannten Austauschvorgänge gleichermaßen ablaufen
können.
Bevorzugt kommt ein gemischtes Ionenaustauschermaterial zum Einsatz,
da mit einem solchen die Mehrzahl der für eine Bildung von Ablagerungen
kritischen Ionen entfernt werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ionenaustauschermaterial
in einem insbesondere als Wechselbehälter ausgebildetem Behälter angeordnet,
durch welchen der Zuschlagstoff geleitet werden kann. Beim Betrieb
des Abgasreinigungssystems ist der Behälter vom Zuschlagstoff durchströmt und das
Ionenaustauschermaterial daher vom Zuschlagstoff umspült, so dass
ein besonders effektiver Ionenaustausch ermöglicht ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform
als Wechselbehälter
ist dessen Ersatz bei Erschöpfung
der Austauschkapazität
des Ionenaustauschermaterials problemlos möglich, was beispielsweise im
Zusammenhang eines ohnehin für das
Kraftfahrzeug vorgenommenen Wartungsvorgangs vorgesehen sein kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Detektierung
einer Erschöpfung
des Ionenaustauschermaterials vorgesehen. Auf diese Weise kann ein
Bedarf für
einen Tausch oder einen Ersatz rechtzeitig festgestellt werden.
Eine Erschöpfung
des Ionenaustauschermaterials im Sinne einer nachlassenden Wirkung
kann beispielsweise durch eine Leitfähigkeits- oder Impedanzmessung
des Zuschlagstoffes erfolgen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Temperierung
des Behälters
vorgesehen. Vorzugsweise ist eine Beheizung des Behälters durch
das Kühlmittel
des Verbrennungsmotors oder durch eine wärmeleitende Verbindung mit
sich beim Betrieb des Kraftfahrzeugs erwärmenden Bauteilen vorgesehen.
Es kann jedoch auch eine insbesondere geregelte elektrische Beheizung
vorgesehen sein, welche unterhalb einer Schwellentemperatur für den Behälter aktiviert
wird. Auf diese Weise kann ein Einfrieren des flüssigen Zuschlagstoffes vermieden
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind dem Behälter Filtriermittel
zur Filtrierung des Zuschlagstoffes zugeordnet. Auf diese Weise
können Schwebstoffe
wie Ausflockungen und dergleichen aus dem Zuschlagstoff entfernt
werden, welche ebenfalls ein Verstopfen des Zuschlagstoff-Leitungssystems
verursachen könnten.
Die Filtriermittel können
beispielsweise in Form eines Papier- oder Membranfilters, als Vlies
oder als Schüttung
eines filterwirksamen Stoffes wie Aktivkohle ausgebildet sein und
gemeinsam mit dem Ionenaustauschermaterial im Behälter angeordnet
sein.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden
nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und
nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Blockbilddarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform
eines Abgasreinigungssystems für
ein Kraftfahrzeug und
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2 eine
schematische Darstellung eines Behälters für ein Ionenaustauschermaterial.
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Nachfolgend
wird unter Bezug auf 1 und 2 eine vorteilhafte
Ausführungsform
eines Abgasreinigungssystems für
ein nicht näher
dargestelltes Kraftfahrzeug erläutert.
Ohne Einschränkung
der Allgemeinheit wird nachfolgend beispielhaft davon ausgegangen,
dass es dabei um ein Nutzfahrzeug mit einem Dieselmotor handelt
und das Abgasreinigungssystem als so genanntes SCR-System zur selektiven
katalytischen Stickoxidverminderung mittels wässriger Harnstofflösung als
Reduktionsmittel ausgebildet ist. Dementsprechend umfasst das in 1 dargestellte
Abgasreinigungssystem einen Vorratsbehälter 1, welcher eine
Füllung
mit der als Reduktionsmittel wirksamen wässrigen Harnstofflösung 2 aufweist.
Weiter ist eine Reduktionsmittelleitung 3 vorgesehen, über welche
die Harnstofflösung 2 einer Abgasleitung 8 des
nicht näher
dargestellten Dieselmotors zuführbar
ist. Die Harnstofflösung 2 wird über eine
endseitig an der Reduktionsmittelleitung 3 angeordnete
Zugabedüse 7 dem
in der Abgasleitung 8 geführten Abgas des Dieselmotors
fein verteilt als Zuschlagstoff zugegeben. Der solcherart mit Reduktionsmittel
versehene Abgasstrom wird einem in der Abgasleitung 8 angeordneten
Stickoxid-Reduktionskatalysator 9 zugeführt, an dessen Oberfläche die
selektive katalytische Stickoxidreduktion ablaufen kann. Eine in
der Reduktionsmittelleitung 3 angeordnete Dosiereinheit 6 dient
der bedarfsgerechten Dosierung des Reduktionsmittels bzw. der Harnstofflösung 2,
wobei der Dosiereinheit 6 die Harnstofflösung 2 über eine
Pumpe 4 zuführbar
ist.
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Vorzugsweise
umfasst das in 1 lediglich schematisch dargestellte
Abgasreinigungssystem weitere hier nicht näher dargestellte Komponenten. Beispielsweise
können
in der Abgasleitung 8 weitere Abgasreinigungseinheiten
wie katalytische Konverter oder Partikelfilter sowie Sensoren zur
Erfassung von Abgaskomponenten vorgesehen sein. Vorzugsweise ist
weiter eine Steuereinheit vorgesehen, welche den Betrieb der Dosiereinheit
steuert. Das Reduktionsmittel 2 kann in einphasiger, flüssiger Form über die Zugabedüse 7 dem
Abgas zugeführt
werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, das Reduktionsmittel 2 vor
seiner Zugabe in der Dosiereinheit 6 oder in der Zugabedüse 7 zum
Abgas mit Druckluft zu vernebeln, so dass das Reduktionsmittel 2 in
zweiphasiger Form als Aerosol dem Abgas zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist zur
Entfernung von ionischen Bestandteilen aus der Harnstofflösung 2 ein in
einem Behälter 5 eingebrachtes
Ionenaustauschermaterial 14 vorgesehen, über welches
die Harnstofflösung 2 geleitet
wird. Der Behälter 5 kann in
einfacher Weise als ein gegebenenfalls beheizbares, vorzugsweise
auch dehnbar ausgeführtes Schlauchstück ausgebildet
sein, welches an einer beliebigen Stelle des gesamten reduktionsmittelführenden
Systems angeordnet sein kann. Vorzugsweise ist der Behälter 5 zwischen
der Pumpe 4 und der Dosiereinheit 6 in die Reduktionsmittelleitung 3 geschaltet.
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In 2 ist
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
des Behälters 5 dargestellt.
Der Behälter 5 gemäß 2 weist
einen auswechselbaren Einsatz 11 auf, in welchem ein Ionenaustauschermaterial 14 angeordnet
ist, so dass dieses vom Reduktionsmittel 2 umspült bzw.
durchströmt
werden kann. Hierzu ist ein Zulauf 10 für das Reduktionsmittel 2 vorgesehen, über welchen
dem Behälter 5 das
Reduktionsmittel 2 zugeführt werden kann. Das über den
Zulauf 10 in den Behälter 5 geführte Reduktionsmittel 2 gelangt über einen
Ringkanal 12 des Einsatzes 11 zum Ionenaustauschermaterial 14 und
verlässt
danach den Einsatz 11 über
den durchlässig
gestalteten Boden 13. Zur Ableitung des Reduktionsmittels 2 aus dem
Behälter 5 ist
ein Ablauf 14 vorgesehen.
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Der
Behälter 5 ist
vorzugsweise rund ausgeführt
und leicht auswechselbar, beispielsweise mittels einer Halteklammer
an einer geeigneten Stelle des Kraftfahrzeugs befestigt. Bevorzugt
ist hierfür
ein leicht zugänglicher
und möglichst
erschütterungsfreier
Montageort am Chassis des Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Der
Behälter 5 ist
vorzugsweise stehend angeordnet und opak ausgeführt, um eine Algenbildung im
Behälter 5 zu
vermeiden. Vorzugsweise ist er für einen
erhöhten
Betriebsdruck von bis zu etwa 10 bar und für einen Reduktionsmitteldurchsatz
zwischen 0,1 l/h und etwa 10 l/h ausgelegt. Typischerweise beträgt der Betriebsdruck
etwa 5 bar und der Reduktionsmitteldurchsatz etwa 1 l/h.
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Vorzugsweise
ist für
den Behälter 5 in
nicht näher
dargestellter Weise eine Beheizung bzw. eine Temperierung vorge sehen,
welche einerseits ein Einfrieren des Reduktionsmittels 2 verhindert
und andererseits das Einstellen einer geeigneten Betriebstemperatur
für das
Ionenaustauschermaterial 14 ermöglicht. Hierfür kann für den Behälter 5 eine
Verbindung mit einem im Kraftfahrzeug verfügbaren Wärmeträger vorgesehen sein, beispielsweise
durch Anschluss an einen Kühlmittel- oder Schmierölkreislauf. Zur
Temperierung kann der Wärmeträger durch
einen Kanal oder Mantel des Behälters 5 geleitet
werden. Für
den Behälter 5 kann
ferner auch eine wärmeleitende
Verbindung mit sich erwärmenden
Bauteilen des Kraftfahrzeugs wie beispielsweise der Abgasleitung 8 vorgesehen
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann eine elektrische Beheizung vorgesehen sein, welche zweckmäßigerweise
bei Unterschreiten einer kritischen unteren Temperaturgrenze von
beispielsweise –10 °C aktiviert
wird. Um eine Beschädigung
des Behälters 5 bei
einem Einfrieren des Reduktionsmittels 2 mit Sicherheit
auszuschließen, kann
schließlich
vorgesehen sein, im Behälter 5 ein flexibles
Volumenausgleichselement in Form eines Schaumstoffkissens oder einer
gegen eine Federkraft beweglichen Wandung anzuordnen. Ebenfalls möglich ist
es, den Behälter 5 und/oder
den Einsatz 11 flexibel bzw. dehnbar auszuführen, um
Volumenänderungen
des Reduktionsmittels 2 auszugleichen. Vorzugsweise ist
auch zumindest eine der genannten Maßnahmen auch für die anderen
reduktionsmittelführenden
Bauteile wie für
den Vorratsbehälter 1,
die Reduktionsmittelleitung 3 sowie für die Dosiereinheit 6 vorgesehen.
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Weist
der Behälter 5 wie
in 2 dargestellt einen separaten Einsatz 11 zur
Aufnahme des Ionenaustauschermaterials 14 auf, so ist es
vorzugsweise vorgesehen, den Einsatz 11 als auswechselbare
Kartusche oder Patrone auszuführen.
Bevorzugt ist dessen Boden 13 als Siebboden ausgebildet.
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Um
Verstopfungen in den reduktionsmittelführenden Bauteilen zu verhindern
und damit die Betriebssicherheit des Abgasreinigungssystems weiter zu
erhöhen,
können
nicht näher
dargestellte Filtriermittel, etwa in Form eines Membranfilters oder
einer Aktivkohleschicht für
das Reduktionsmittel 2 vorgesehen sein. Vorzugsweise sind
diese im Behälter 5 angeordnet,
sie können
jedoch auch dem Zulauf 10 oder dem Ablauf 14 zugeordnet
sein.
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Das
Ionenaustauschermaterial 14 liegt vorzugsweise als Granulat
vor und ist für
eine Betriebstemperatur im Bereich zwischen etwa –5 °C und 80 °C ausgelegt.
Das Volumen der Füllung
beträgt
etwa 0,5 bis 5 l und ist vorzugsweise an vorgesehene Wartungsintervalle
angepasst. Bei einem vorgesehenen regelmäßigen Tausch des Ionenaustauschermaterials 14 ist
ein Füllvolumen
von etwa 1 l bevorzugt. Es kann jedoch auch eine für die gesamte
Lebensdauer des Fahrzeugs ausreichende Füllmenge mit einem typischen
Füllvolumen
von etwa 3 l vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend zu
einem Tausch des Ionenaustauschermaterials 14 kann auch
dessen regelmäßige Regenerierung
am Fahrzeug oder in ausgebautem Zustand in einer Werkstatt vorgesehen sein.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführung
des gesamten Behälters 5 als
Einwegbehälter
mit rezyklierbaren Materialien.
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Um
eine Erschöpfung
des Ionenaustauschermaterials 14 erkennen zu können, ist
es zweckmäßig, einen
hierfür
geeigneten Sensor im Behälter 5 oder
im Leitungsweg für
das Reduktionsmittel 2 vorzusehen. Dieser kann beispielsweise
als Leitfähigkeitssensor
oder als impedometrischer Sensor für das Reduktionsmittel 2 und/oder
das Ionenaustauschermaterial 14 ausgebildet sein. Wird
eine Erschöpfung
und Unwirksamkeit des Ionenaustauschermaterials 14 festgestellt,
so ist es ferner zweckmäßig, eine
hierauf hinweisende Warnmeldung auszugeben.
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Vorzugsweise
ist der Behälter 5 wie
in 1 dargestellt in einem zwischen der Pumpe 4 und
der Dosiereinheit 6 liegenden Abschnitt der Reduktionsmittelleitung 3 angeordnet.
Er kann jedoch auch in einer nicht dargestellten, von der Dosiereinheit 6 oder von
der Zugabedüse
wegführenden
Rücklaufleitung angeordnet
sein. Um die Entfernung ionischer Bestandteile aus dem Reduktionsmittel 2 zu
ermöglichen,
kann es jedoch auch ausreichend sein, das Ionenaustauschermaterial 14 im
Vorratsbehälter 1 anzuordnen,
so dass das Reduktionsmittel 14 mit diesem in Kontakt kommt.
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Es
versteht sich, dass die erläuterten
Maßnahmen
außer
zur Entfernung von ionischen Bestandteilen aus einem Reduktionsmittel,
wie einer wässrigen
Harnstofflösung,
in analoger Weise alternativ oder zusätzlich zur Entfernung von ionischen Bestandteilen
aus anderen flüssigen
Zuschlagstoffen oder Betriebsstoffen des Kraftfahrzeugs ergriffen werden
können.