DE102006019973A1

DE102006019973A1 - Dosiersystem für ein Reduktionsmittel und Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems

Info

Publication number: DE102006019973A1
Application number: DE102006019973A
Authority: DE
Inventors: Christof Dr. Lücking
Original assignee: Purem Abgassysteme GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Unna GmbH and Co KG
Priority date: 2006-04-29
Filing date: 2006-04-29
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zur Bereitstellung von Reduktionsmittel (40) in einem Abgastrakt, mit einem Vorratsbehälter (20) und einer Reduktionsmittelpumpe (12) sowie einem Dosierventil (18) sowie Reduktionsmittelleitungen (32, 34, 36) zwischen Vorratsbehälter (20) und Dosierventil (18), wobei in ausgewählten Betriebsphasen ein Verdrängungsmedium (42) zum wenigstens teilweise Verdrängen des Reduktionsmittels (40) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist bezogen auf eine Förderrichtung des Reduktionsmittels (40) stromaufwärts vor der Reduktionsmittelpumpe (12) ein schaltbares Ventil (26) angeordnet, das wahlweise in Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsbehälter (20) und einem Verdrängungsmedium schaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem für ein Reduktionsmittel in einer Abgasanlage und ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Es ist bekannt, zur Verminderung von Stickoxiden im Abgas von Kraftfahrzeugen ein Reduktionsmittel über ein Dosiersystem in den Abgasstrom einzuführen, welches die Stickoxide in unschädliche Komponenten zerlegt. Das Reduktionsmittel liegt beispielsweise als wässrige Harnstofflösung vor und setzt Ammoniak erst zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide bei Kontakt mit dem heißen Abgasstrom frei. Im Gegensatz zu Ammoniak lässt sich die wässrige Harnstofflösung auf einfache Weise im Fahrzeug bevorraten. Allerdings besteht bei tiefen Temperaturen das Problem, dass die wässrige Harnstofflösung gefriert und das Dosiersystem durch das Frostvolumen des Reduktionsmittels mit seiner im Vergleich mit dem flüssigen Zustand erheblichen Volumenzunahme beschädigt wird.
Es sind Systeme bekannt, bei denen eine Beheizung des Dosiersystems erfolgt, um eine Eisbildung zu vermeiden. Weiterhin sind Systeme bekannt, bei denen beim Abstellen des Verbren nungsmotors die Leitungen des Dosiersystems mit Umgebungsluft gefüllt werden.
So offenbart die DE 101 50 518 C1 , Reduktionsmittel über eine Reduktionsmittelleitung in eine Mischkammer des Dosiersystems einzudüsen, wobei sich ein Gemisch aus Reduktionsmittel und Luft bildet, welches dem Abgas über eine Gemischleitung und ein Dosierventil zugeführt wird. Nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors wird weiterhin Luft in die Mischkammer eingebracht und eine die Reduktionsmittelpumpe umgehende Bypassleitung geöffnet, so dass die Mischkammer, die Gemischleitung, das Dosierventil und die Reduktionsmittelleitung mit Luft befüllt werden.
Aus der DE 44 32 577 A1 ist eine Einrichtung bekannt, bei der die Leitungen des Dosiersystems nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors mit unter Druck stehender Umgebungsluft befüllt werden. Dazu ist ein Rückspülventil vorgesehen, mit dem das Reduktionsmittel in seinen Reduktionsmittelspeicher zurückgespült bzw. aus dem Dosierventil herausgespült werden kann.
Auch die DE 102 54 981 A1 offenbart, das Reduktionsmittel nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors aus den Leitungen des Dosiersystems durch Luft zu ersetzen. Die Luft wird wahlweise entweder in Richtung Mischkammer oder in Richtung Reduktionsmittelspeicher eingebracht.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Dosiersystems und eines Verfahrens zum Betreiben eines Dosiersystems, mit dem dessen Frostschutz verbessert wird und das auch bei so genannten luftlosen Dosiersystemen eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Dosiersystem zur Bereitstellung von Reduktionsmittel in einem Abgastrakt weist einen Vorratsbehälter, eine Reduktionsmittelpumpe, ein Dosierventil sowie Reduktionsmittelleitungen zwischen Vorratsbehälter und Dosierventil auf, wobei in ausgewählten Betriebsphasen ein Verdrängungsmedium zum wenigstens teilweise Verdrängen des Reduktionsmittels vorgesehen ist. Bezogen auf eine Förderrichtung des Reduktionsmittels stromaufwärts vor der Reduktionsmittelpumpe ist ein schaltbares Ventil angeordnet, das wahlweise in Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und einem Verdrängungsmedium schaltbar ist. Vorzugsweise ist das Verdrängungsmedium ein Gas, besonders bevorzugt Umgebungsluft. Es kann auch ein anderes geeignetes Medium gewählt werden. Das Reduktionsmittel ist bevorzugt eine wässrige Harnstofflösung. Auf Dehnelemente, welche ein Frostvolumen des Reduktionsmittels kompensieren sollen, kann im Dosiersystem verzichtet werden, daher kann eine Verbesserung der Dosiergenauigkeit des Reduktionsmittels erreicht werden und mittels der Reduktionsmittelpumpe und/oder des Dosierventils das Reduktionsmittel ziemlich genau dosiert werden. Komponenten können einfacher und kostengünstiger dimensioniert werden. Die Erfindung bietet einen sicheren Schutz vor dem Einfrieren des Dosiersystems. Die Ausfallsicherheit des Dosiersystems wird verbessert. Dies ist besonders bei Fahrzeuganwendungen des Dosiersystems vorteilhaft.
Bevorzugt ist zum wenigstens teilweisen Verdrängen des Reduktionsmittels eine Strömungsverbindung zwischen einem Verdrängungsmedieneinlass des schaltbaren Ventils, der Reduktionsmittelpumpe, dem Dosierventil und dem Vorratsbehälter schaltbar. Die genannten Komponenten sind in der genannten Reihenfolge hintereinander angeordnet. Dadurch können die genannten Komponenten mitsamt den dazwischen liegenden Reduktionsmittelleitungen bedarfsweise von Reduktionsmittel ganz oder teilweise entleert werden. Beim Abstellen eines Verbrennungsmotors, dessen Abgas mit dem Reduktionsmittel gereinigt wird, kann das Dosiersystem in einen Zustand gebracht werden, in dem es vor Frostschäden geschützt ist.
Zum Befüllen mit Reduktionsmittel ist vorzugsweise eine Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsbehälter, einem Reduktionsmitteleinlass des schaltbaren Ventils, der Reduktionsmittelpumpe, dem Dosierventil und dem Vorratsbehälter schaltbar. Die genannte Reihenfolge entspricht der Anordnung im Dosiersystem entlang eines Strömungspfads für das Reduktionsmittel. Dabei kann vorteilhaft zum Befüllen ein geschlossener Kreislauf für das Reduktionsmittel gebildet werden. Damit kann auf einfache Weise ein Start des Dosiersystems bewirkt werden. Das Verdrängungsmedium lässt sich dadurch einfach aus dem Dosiersystem entfernen.
Zum wenigstens teilweisen Verdrängen des Reduktionsmittels ist das schaltbare Ventil in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung intermittierend zwischen dem Reduktionsmitteleinlass und dem Verdrängungsmedieneinlass schaltbar. Dadurch wird periodisch Verdrängungsmedium und Reduktionsmittel in das Dosiersystem gefördert. Damit können im Wechsel das Reduktionsmittel und das Verdrängungsmedium in kleinen Portionen zum Dosierventil gelangen. Durch das intermittierende Umschalten entsteht eine Folge von gleichmäßig verteilten Portionen Verdrängungsmedium und Reduktionsmittel im ganzen Dosiersystem. Friert das im System fein verteilte Reduktionsmittel ein und expandiert dabei, kann das benachbarte fein verteilte Verdrängungsmedium das Frostvolumen des Reduktionsmittels aufnehmen. Das Verdrängungsmedium wird dabei komprimiert. Vorteilhaft ergibt sich, dass das Dosiersystem insgesamt feucht bleibt und Pumpenraum der Redumtionsmittelpumpe, Ventile, Dosierventil und Reduktionsmittelleitungen nicht austrocknen. Ein unerwünschtes Ausfällen von Harnstoffkristallen kann vermieden werden. Die Reduktionsmittelpumpe läuft beim Start des Dosiersystems schneller an.
Günstigerweise sind das Reduktionsmittel und das Verdrängungsmedium in ihren Volumenanteilen einstellbar. Diese Einstellung erfolgt bevorzugt so, dass die kleinen Portionen Verdrängungsmedium, vorzugsweise Luftblasen, das Frostvolumen des Reduktionsmittels aufnehmen können, falls dieses bei tiefen Temperaturen erstarrt und sich daher ausdehnt. Die Expansion kann rund 10% des Volumens betragen. Bevorzugt erfolgt die Einstellung der Volumenanteile über die Periode beim Umschalten des schaltbaren Ventils zwischen den beiden Einlässen für Reduktionsmittel und Verdrängungsmedium.
Bevorzugt weist das Dosiersystem einen mischkammerfreien Aufbau so auf, dass das Eindosieren des Reduktionsmittels in den Abgastrakt durch das Dosierventil weitestgehend ohne Luftanteil erfolgt, was auch als ADS (airless dosing system) bekannt ist. Eine genaue Dosierung des Reduktionsmittels erfolgt vorzugsweise über das Fördervolumen der Reduktionsmittelpumpe.
Vorteilhaft kann in einer Reduktionsmittelleitung zwischen Dosierventil und Vorratsbehälter ein Absperrventil vorgesehen sein. Dieses kann beispielsweise zum Kühlen des Dosierventils geöffnet sein und zum Eindosieren des Reduktionsmittels geschlossen sein. Beim Abschalten des Dosiersystems, d.h. beim wenigstens teilweisen Befüllen des Dosiersystems mit dem Verdrängungsmedium, kann das Dosierventil weiter gekühlt werden, solange das Absperrventil in seiner geöffneten Stellung bleibt. Vorzugsweise ist das Dosierventil kühlbar.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum wenigstens teilweisen Verdrängen ein schaltbares Ventil intermittierend zwischen einem Verdrängungsmedieneinlass und einem Reduktionsmitteleinlass hin und her geschaltet, wobei sich das Dosiersystem mit einem Gemisch aus Reduktionsmittel und Verdrängungsmedium füllt.
Ein Verhältnis der Volumenanteile von Reduktionsmittel zu Verdrängungsmedium kann so eingestellt werden, dass das Verdrängungsmedium eine Volumenexpansion des Reduktionsmittels beim Einfrieren sicher aufnehmen kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Dosiersystems im Zustand beim Stilllegen des Dosiersystems;
2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Dosiersystems nach 1 im Zustand bei Inbetriebnahme des Dosiersystems;
3 eine bevorzugte Ausgestaltung mit einem Gemisch von Verdrängungsmedium und Reduktionsmittel im Dosiersystem.
In den Figuren sind funktionell gleich wirkende Elemente durch gleiche Bezugszeichen beziffert.
Die 1 und 2 zeigen zur Erläuterung der Erfindung eine schematische Darstellung eines bevorzugten Dosiersystems 10 zur Bereitstellung von Reduktionsmittel 40 in einem Abgastrakt eines Fahrzeugs. 1 zeigt die Situation, in der das Dosiersystem 10 wenigstens teilweise entleert werden soll, 2 die Situation, wenn das Dosiersystem in Betrieb genommen werden soll.
Ausgehend von einem Vorratsbehälter 20 erstreckt sich eine Reduktionsmittelleitung 24 von einem in das Reduktionsmittel 40 eingetauchten Ansaugfilter 22 zu einem Reduktionsmitteleinlass 38 eines schaltbaren Ventils 26, welches den Vorratsbehälter 20 über den Reduktionsmitteleinlass 38 mit einer Reduktionsmittelpumpe 12 verbindet. Das schaltbare Ventil 26 weist zudem einen Verdrängungsmedieneinlass 30 auf, über den ein Verdrängungsmedium, vorzugsweise Umgebungsluft, in das schaltbare Ventil 26 eintreten kann, wenn dieses entsprechend geschaltet ist.
Zwischen dem schaltbaren Ventil 26 und der darauf folgenden Reduktionsmittelpumpe 12 erstreckt sich eine Reduktionsmittelleitung 32. Das schaltbare Ventil 26 befindet sich bezogen auf deren Förderrichtung stromaufwärts vor der Reduktionsmittelpumpe 12. Der Reduktionsmittelpumpe 12 zugeordnet sind ein Temperatursensor 14 sowie ein Drucksensor 16. Eine Steuerungs- und/oder Auswerteeinheit zum Ansteuern der Reduktionsmittelpumpe 12 und zum Empfangen der Signale des Temperatursensors 14 und des Drucksensors 16 ist nicht dargestellt, jedoch in an sich bekannter Weise vorhanden.
Ein vorzugsweise kühlbares Dosierventil 18 ist über eine Reduktionsmittelleitung 34 mit der Reduktionsmittelpumpe 12 verbunden. Das Dosierventil 18 ragt in einen Bereich eines nicht dargestellten Abgastrakts hinein und ist dort teilweise hohen Temperaturen ausgesetzt. Vom Dosierventil 18 führt eine Reduktionsmittelleitung 36 zum Vorratsbehälter 20 zurück. Aus dem Dosierventil 18 kann ein Reduktionsmittelstrahl, dargestellt durch einen Pfeil, in den nicht dargestellten Abgastrakt eintreten. In der Reduktionsmittelleitung 36 ist ein Absperrventil 28 angeordnet, welches zu Kühlzwecken des Dosierventils 18 genutzt werden kann. Zum Eindosieren des Reduktionsmittels 40 wird das Absperrventil 28 geschlossen.
In der Betriebsphase nach 1 ist das schaltbare Ventil 26 so eingestellt, dass beispielsweise Luft als Verdrängungsmedium von der Reduktionsmittelpumpe 12 durch den Verdrängungsmedieneinlass 30 angesaugt wird. Das Absperrventil 28 ist geöffnet, so dass die Reduktionsmittelleitungen 32, 34, 36 sowie die darin befindlichen, von Reduktionsmittel 40 durchströmten Komponenten 12, 18, 28 von Reduktionsmittel 40 entleert und mit Verdrängungsmedium befüllt werden. Das Reduktionsmittel 40 gelangt über die Reduktionsmittelleitung 36 und das Absperrventil 28 zurück in den Vorratsbehälter 20.
Prinzipiell kann das gesamte Dosiersystem 10 entleert und das Reduktionsmittel 40 in den Vorratsbehälter 20 zurückbefördert werden und so vor Frostschäden geschützt werden, wenn der nicht dargestellte Verbrennungsmotor, dessen Abgas im Abgastrakt gereinigt werden soll, abgeschaltet wird.
Zum Starten des Dosiersystems, wenn beispielsweise der Verbrennungsmotor gestartet wird, gelingt das Befüllen des Dosiersystems 10 in der in 2 skizzierten Weise. Das schaltbare Ventil 26 ist nunmehr so geschaltet, dass der Verdrängungsmedieneinlass 30 abgekoppelt ist und eine Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsbehälter 20 und der Reduktionsmittelpumpe 12 hergestellt ist. Die Reduktionsmittelpumpe 12 pumpt über den Ansaugfilter 22 das Reduktionsmittel 40 zum Dosierventil 18 und über die Reduktionsmittelleitung 36 zum Vorratsbehälter 20, so dass das Dosiersystem 10 schnell wieder vollständig mit Reduktionsmittel 40 gefüllt ist. Das Absperrventil 28 ist auch in diesem Zustand geöffnet und alle Komponenten und Reduktionsmittelleitungen 24, 32, 34, 36 mit Reduktionsmittel 40 befüllt.
3 illustriert eine bevorzugte Variante, bei der das Dosiersystem 10 nicht vollständig entleert wird, sondern die Reduktionsmittelpumpe 12 durch periodisches Umschalten des schaltbaren Ventils 26 zwischen Verdrängungsmedieneinlass 30 und Reduktionsmitteleinlass 38 wahlweise in Strömungsverbindung mit dem Vorratsbehälter 20 und einem Reservoir mit Verdrängungsmedium, vorzugsweise Luft, schaltbar ist.
Durch das periodische Umschalten des Ventils 26 bilden sich abwechselnd Tropfen von Reduktionsmittel 40 und Blasen von Verdrängungsmedium 42 in den Reduktionsmittelleitungen 32, 34, 36, wobei auch die Reduktionsmittelpumpe 12, das Dosierventil 18 und das Ventil 28 mit dem Gemisch aus Reduktionsmittel 40 und Verdrängungsmedium 42 gefüllt werden. Das Verdrängungsmedium 42 ist komprimierbar, so dass bei Expansion des Reduktionsmittels 40, etwa beim Einfrieren, der Volumenzuwachs des Frostvolumens des Reduktionsmittels 40 durch die im Dosiersystem 10 fein verteilten Blasen des Verdrängungsmediums 42 kompensiert werden kann.
Zum wenigstens teilweisen Verdrängen des Reduktionsmittels 40 aus dem Dosiersystem 10 wird das schaltbares Ventil 26 intermittierend zwischen dem Verdrängungsmedieneinlass 30 und dem Reduktionsmitteleinlass 38 hin und her geschaltet, wobei sich das Dosiersystem 10 mit einem Gemisch aus Reduktionsmittel 40 und Verdrängungsmedium 42 füllt. Das Verhältnis der Volumenanteile von Reduktionsmittel 40 zu Verdrängungsmedium 42 wird so eingestellt, dass das Verdrängungsmedium 42 eine Volumenzunahme des Reduktionsmittels 40 beim Einfrieren sicher aufnehmen kann.

Claims

Dosiersystem zur Bereitstellung von Reduktionsmittel (40) in einem Abgastrakt, mit einem Vorratsbehälter (20) und einer Reduktionsmittelpumpe (12), einem Dosierventil (18) sowie Reduktionsmittelleitungen (32, 34, 36) zwischen Vorratsbehälter (20) und Dosierventil (18), wobei in ausgewählten Betriebsphasen ein Verdrängungsmedium (42) zum wenigstens teilweise Verdrängen des Reduktionsmittels (40) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf eine Förderrichtung des Reduktionsmittels (40) stromaufwärts vor der Reduktionsmittelpumpe (12) ein schaltbares Ventil (26) angeordnet ist, das wahlweise in Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsbehälter (20) und einem Verdrängungsmedium schaltbar ist.
Dosiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum wenigstens teilweisen Verdrängen des Reduktionsmittels (40) eine Strömungsverbindung zwischen einem Verdrängungsmedieneinlass (30) des schaltbaren Ventils (26), der Reduktionsmittelpumpe (12), dem Dosierventil (18) und dem Vorratsbehälter (20) schaltbar ist.
Dosiersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befüllen mit Reduktionsmittel (40) eine Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsbehälter (20), einem Reduktionsmitteleinlass (38) des schaltbaren Ventils, der Reduktionsmittelpumpe (12), dem Dosierventil (18) und dem Vorratsbehälter (20) schaltbar ist.
Dosiersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Befüllen ein geschlossener Kreislauf für das Reduktionsmittel (40) gebildet wird.
Dosiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum wenigstens teilweisen Verdrängen des Reduktionsmittels (40) das schaltbare Ventil (26) intermittierend zwischen dem Reduktionsmitteleinlass (38) und dem Verdrängungsmedieneinlass (30) hin und her schaltbar ist.
Dosiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (40) und das Verdrängungsmedium (42) in ihren geförderten Volumenanteilen einstellbar sind.
Dosiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mischkammerfreien Aufbau so, dass das Eindosieren des Reduktionsmittels (40) in den Abgastrakt durch das Dosierventil (12) weitestgehend ohne Luftanteil erfolgt.
Dosiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Reduktionsmittelleitung (36) zwischen Dosierventil (18) und Vorratsbehälter (20) ein Absperrventil (28) vorgesehen ist.
Dosiersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (20) kühlbar ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems zur Bereitstellung von Reduktionsmittel (40) in einem Abgastrakt, mit einem Vorratsbehälter (20) und einer Reduktionsmittelpumpe (12) sowie einem Dosierventil (18) sowie Reduktionsmittelleitungen (32, 34, 36) zwischen Vorratsbehälter (20) und Dosierventil (18), wobei in ausgewählten Betriebsphasen ein Verdrängungsmedium (42) wenigstens teilweise das Reduktionsmittel (40) verdrängt, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum wenigstens teilweisen Verdrängen des Reduktionsmittels (40) bei laufender Reduktionsmittelpumpe (12) ein schaltbares Ventil (26) intermittierend zwischen einem Verdrängungsmedieneinlass (30) und einem Reduktionsmitteleinlass (38) hin und her geschaltet wird, wobei sich das Dosiersystem (10) mit einem Gemisch aus Reduktionsmittel (40) und Verdrängungsmedium (42) füllt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der in das Dosiersystem (10) geförderten Volumenanteile von Reduktionsmittel (40) zu Verdrängungsmedium (42) so eingestellt wird, dass das Verdrängungsmedium (42) eine Volumenexpansion des Reduktionsmittels (40) beim Einfrieren aufnehmen kann.