DE102008036265A1

DE102008036265A1 - Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008036265A1
Application number: DE102008036265A
Authority: DE
Inventors: Christof Dr. Lücking
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge. Die Abgasreinigungseinrichtung weist einen Tank (1) für ein flüssiges Reduktionsmittel (2), eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende Düse (3) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4), eine Pumpe (5) mit einer Einlassseite (72) und einer Auslassseite (73) zum Pumpen des Reduktionsmittels (2) und ein Behältnis (6), dessen Volumen über eine betätigbare Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') änderbar ist, auf. Dbei sind der Tank (1), die Einlassseite (72) der Pumpe (5), die Auslassseite (73) der Pumpe (5) und die Düse (3) bezüglich der Förderrichtung der Pumpe (5) nacheinander angeordnet. Weiter ist das Behältnis (6) zwischen der Auslassseite (73) der Pumpe (5) und der Düse (3) angeordnet. Dabei weist das Behältnis (6) einen Überlauf (63) für das Reduktionsmittel (2) auf, welcher Überlauf (63) bei unbetätigter Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') durch die Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') verschlossen ist und welcher Überlauf (63) bei betätigter Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') geöffnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, bei welcher für die Reinigung des Abgases ein flüssiges Reduktionsmittel verwendet wird.
Im Abgas von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen, Industrieanlagen und Motoren sind häufig Stickoxide No_x enthalten. Stickoxide treten bei der thermischen Verwertung von festen, gasförmigen und flüssigen natürlichen und fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Kohle, Gas, Öl und Holz auf. Stickoxide sind insbesondere im Abgas von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge enthalten. Besonders hoch ist der Anteil von Stickoxiden im Abgas von dieselbetriebenen Verbrennungsmotoren.
Stickoxide stehen im Verdacht, die menschlichen Atmungsorgane zu reizen oder zu schädigen (insbesondere Stickstoffdioxid). Weiter werden Stickoxide mit der Entstehung des ”Sauren Regens” infolge von Bildung von Salpetersäure (HNO₃) durch Reaktion von (2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂) oder durch Aufnahme von N₂O₅ in Aerosolpartikel und nachfolgender Bildung von NO₃- in flüssiger Phase in Verbindung gebracht. Weiter gelten Stickoxide als an der Bildung von Smog und Ozon (unter Einfluss von UV-Strahlung) beteilig.
In der Folge werden verstärkt Anstrengungen unternommen, den Gehalt von Stickoxiden im Abgas zu reduzieren. Hierfür wurde vorgeschlagen, ein ungiftiges Reduktionsmittel aus Wasser und Harnstoff präzise dosiert in den (noch heißen) Abgasstrom einzuspritzen. Es entsteht Ammoniak, der mit den Stickoxiden des Abgases in einem der Einspritzung entlang des Abgasstroms nachgeschalteten SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction = Selektive katalytische Reduktion) zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert. Unter dem Markennamen AdBlue kann als Reduktionsmittel beispielsweise mit Wasser versetzter Harnstoff (32,5%-ige wässrige Harnstofflösung) bezogen werden. Die Einspritzung des Reduktionsmittels kann dabei mit Druckluft vermischt oder direkt in flüssiger Form erfolgen. Die direkte Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel anstelle von Harnstoff ist theoretisch möglich, aufgrund der ätzenden, umweltgefährdenden und giftigen Eigenschaft von Ammoniak jedoch nachteilig.
Nachteilig an der Reinigung von Abgas mittels eines derartigen insbesondere flüssigen Reduktionsmittels ist neben der Tatsache, dass zusätzlich zum Brennstoff Reduktionsmittel bereitgestellt werden muss, dass das Reduktionsmittel häufig einen Gefrierpunkt aufweist, der höher als der Gefrierpunkt des Brennstoffes liegt. Beispielsweise liegt der Gefrierpunkt von herkömmlichen Reduktionsmitteln wie AdBlue zwischen 0°C und –11°C und damit erheblich höher als der von Benzin oder Dieselkraftstoff. Im Falle eines Gefrierens des Reduktionsmittels besteht die Gefahr einer Beschädigung der mit dem Reduktionsmittel in Kontakt stehenden Komponenten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind daher darauf gerichtet, eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, bei welcher für die Reinigung des Abgases ein flüssiges Reduktionsmittel verwendet wird, bereitzustellen, welche unempfindlich gegenüber einem Einfieren des Reduktionsmittels ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge einen Tank für ein flüssiges Reduktionsmittel, eine in den Abgasstrom des Fahrzeugs mündende Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom, eine Pumpe mit einer Einlassseite und einer Auslassseite zum Pumpen des Reduktionsmittels, sowie ein Behältnis auf, wobei das Volumen des Behältnisses über eine betätigbare Volumenänderungseinrichtung änderbar ist. Dabei sind der Tank, die Einlassseite der Pumpe, die Auslassseite der Pumpe und die Düse bezüglich der Förderrichtung der Pumpe nacheinander angeordnet. Anders ausgedrückt ist die Einlassseite der Pumpe beispielsweise über eine Leitung für das Reduktionsmittel mit dem Tank und eine Auslassseite der Pumpe beispielsweise über eine Leitung für das Reduktionsmittel mit der Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels verbunden, um der Düse das Reduktionsmittel aus dem Tank zuzuführen. Dann ist das Behältnis zwischen der Auslassseite der Pumpe und der Düse angeordnet. Das Behältnis weist weiter einen Überlauf für das Reduktionsmittel auf, welcher Überlauf bei unbetätigter Volumenänderungseinrichtung durch die Volumenänderungseinrichtung verschlossen ist, und welcher Überlauf bei betätigter Volumenänderungseinrichtung für ein Hindurchtreten des Reduktionsmittels geöffnet ist.
Aufgrund des Vorsehens des Behältnisses mit der Volumenänderungseinrichtung und dem durch die Volumenänderungsein richtung selektiv verschließbaren Überlauf, sowie der Anordnung des Behältnisses benachbart zu der Pumpe, kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass eine Beschädigung der Pumpe bei einer Ausdehnung des Reduktionsmittels beim Gefrieren des Reduktionsmittels vermieden wird. Der Grund ist, dass die Volumenvergrößerung des gefrierenden Reduktionsmittels außerhalb der Pumpe aber in räumlicher Nähe zur Pumpe gezielt durch Abführen des Reduktionsmittels über den Überlauf aufgefangen werden kann. Aufgrund der Verwendung des Überlaufes ist es ausreichend, wenn das Behältnis ein kleines Innenvolumen zur Aufnahme des sich ausdehnenden Reduktionsmittels aufweist. Im Extremfall kann sich das Innenvolumen des Behältnisses beispielsweise im wesentlichen auf einen Einlass für den Überlauf beschränken. Die Pumpe ist besonders gefährdet, da das Reduktionsmittel in der Pumpe (anders als beispielsweise im Tank, der Düse oder einer Leitung zwischen Tank und Pumpe bzw. Pumpe und Düse) bezogen auf ein (insbesondere maximales) Hubvolumen der Pumpe bei einer Ausdehnung des Reduktionsmittels besonders wenig Platz zum Ausweichen hat.
Die Wirkungsweise der Volumenänderungseinrichtung kann sich aus zwei Komponenten zusammensetzen. Primär ist durch die Volumenänderungseinrichtung eine Öffnung des Überlaufs verschlossen, welche durch Betätigung der Volumenänderungseinrichtung freigegeben wird und ein Abfließen des sich ausdehnenden Reduktionsmittels ermöglicht. Sekundär wird das Innenvolumen des Behältnisses in Folge einer Betätigung der Volumenänderungseinrichtung vergrößert, um dem sich ausdehnenden Reduktionsmittel Platz zu geben.
Gemäß einer Ausführungsform wird die betätigbare Volumenänderungseinrichtung durch wenigstens eine dehnbare Wand des Behältnisses gebildet. Diese Wand weist eine vorgegebene Steifigkeit auf, und ist passiv (d. h. ohne separate Steuerung von außen) durch den Druck des im Behältnis befindlichen Reduktionsmittels und/oder aktiv (d. h. mit gezielter separater Steuerung von außen) durch einen Aktor betätigbar. Die Dichtheit eines derartigen Aufbaus kann besonders zuverlässig sichergestellt werden. Der Aktor kann beispielsweise ein elektronisch gesteuerter Motor, insbesondere ein Linearmotor sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die betätigbare Volumenänderungseinrichtung durch wenigstens eine verlagerbare Wand des Behältnisses gebildet, welche wie ein Kolben im inneren des Behältnisses verlagerbar ist. Dieser Aufbau erlaubt eine besonders große relative Änderung des Innenvolumens des Behältnisses zwischen dem unbetätigten und betätigtem Zustand der Volumenänderungseinrichtung. Gleichzeitig kann in unbetätigtem Zustand der Volumenänderungseinrichtung aufgrund der bevorzugt hohen Steifigkeit der Wand ein Mitschwingen der Volumenänderungseinrichtung infolge von Druckschwankungen des Reduktionsmittels bei Betrieb der Pumpe vermieden werden.
Dabei kann die verlagerbare Wand beispielsweise gegen eine Feder verlagerbar sein, und passiv durch den Druck des im Behältnis befindlichen Reduktionsmittels und/oder aktiv mittels eines Aktors betätigbar sein. Bei der Feder kann es sich beispielsweise um eine Schraubenfeder oder auch Gasfeder oder einen elastischen Festkörper, und bei dem Aktor beispielsweise um einen Elektromotor und insbesondere Linearmotor handeln. Zwischen der verlagerbaren Wand und den übrigen Wänden des Behältnisses kann eine Dichtung vorgesehen sein.
Bei Verwendung eines Aktors kann der Aktor und damit die Volumenänderungseinrichtung beispielsweise infolge eines (z. B. von einer Motorsteuerung) empfangenen Steuerbefehls betätigbar sein. Dies erlaubt eine aktive und damit gezielte Betätigung der Volumenänderungsvorrichtung, unabhängig vom Druck des Reduktionsmittels.
Gemäß einer Ausführungsform ist die verlagerbare Wand mittels einer Verriegelungseinrichtung in einer Position fixierbar, in welcher die Volumenänderungseinrichtung nicht betätigt und der Überlauf somit verschlossen ist. Hierdurch kann ein Mitschwingen der verlagerbaren Wand infolge von durch die Pumpe hervorgerufenen Druckschwankungen des Reduktionsmittels auch dann wirkungsvoll vermieden werden, wenn kein Aktor zur aktiven Verlagerung der Wand verwendet wird. Die Verriegelungseinrichtung kann jedoch auch zusätzlich zum Aktor vorgesehen sein. Beispielsweise kann die verlagerbare Wand zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material bestehen, und die Verriegelungseinrichtung ein von einer Steuerung betätigbarer Elektromagnet sein. Alternativ kann die Verriegelungseinrichtung beispielsweise auch eine mechanische Verriegelung mittels eines auf die verlagerbare Wand wirkenden Riegels bewirken.
Gemäß einer Ausführungsform beaufschlagt der Aktor die dehnbare bzw. verlagerbare Wand so mit Kraft, dass die Volumenänderungseinrichtung bei betätigtem Aktor in unbetätigtem Zustand und der Überlauf somit verschlossen ist.
Entsprechend ist die Volumenänderungseinrichtung bei unbetätigtem Aktor in betätigtem Zustand und der Überlauf somit geöffnet. Ein derartiger Aufbau hat zur Folge, dass der Überlauf automatisch geöffnet wird, wenn eine Betätigung des Aktors unterbrochen wird (beispielsweise durch Unterbrechung einer Versorgung des Aktors mit elektrischem Strom). Folglich ist eine aktive Betätigung des Aktors nur zum Verschließen und nicht zum Öffnen des Überlaufs erforderlich. Bei kraftlosem Aktor nimmt die Volumenänderungseinrichtung so einen Zustand ein, in dem ein Druck des Reduktionsmittels in einer Verbindungsleitung zwischen Pumpe und Düse automatisch durch Ausströmen des Reduktionsmittels über den Überlauf abgebaut, und ein druckloser Zustand erreicht wird.
Um sicherzustellen, dass die Volumenänderungseinrichtung nicht unnötig betätigt und damit von der Pumpe aufgebauter Druck verschwendet wird, sind gemäß einer Ausführungsform die Steifigkeit der dehnbaren Wand und/oder die auf die Wand wirkende Feder (bzw. deren Federkonstante) so gewählt, dass die Volumenänderungseinrichtung erst dann betätigt und die Wand damit erst dann nennenswert gedehnt bzw. verlagert wird, wenn ein Innendruck des Behältnisses einen Öffnungsdruck der zugehörigen Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom um wenigstens 5% und weiter um wenigstens 10% und insbesondere um wenigstens 20% und weiter insbesondere um wenigstens 40% übersteigt. Allgemein ist der Öffnungsdruck der Düse kleiner als der Druck gewählt, welcher Druck eine Betätigung der Volumenänderungseinrichtung bewirkt. Dabei soll unter einer nennenswerten Dehnung oder Verlagerung der Wand eine Dehnung oder Verlagerung verstanden werden, die eine Verände rung des Innenvolumens des Behältnisses um mehr als 1% und weiter um mehr als 3% und insbesondere um mehr als 5% und weiter insbesondere um mehr als 10% bewirkt. Entsprechend kann ggf. auch ein die Wand verlagernder Aktor (z. B. Elektromotor oder Piezoelement) bzw. die Verriegelungseinrichtung so gesteuert sein, dass die Volumenänderungseinrichtung erst dann betätigt und damit die Wand erst dann durch den Aktor verlagert oder durch die Verriegelungseinrichtung freigegeben wird, wenn ein Innendruck des Behältnisses den Öffnungsdruck der zugehörigen Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom um wenigstens 5% und weiter um wenigstens 10% und insbesondere um wenigstens 20% und weiter insbesondere um wenigstens 40% übersteigt.
Weiter kann die Volumenänderungseinrichtung durch geeignete Wahl der dehnbaren bzw. verlagerbaren Wand und/oder der diese betätigenden Feder bzw. des die Wand betätigenden Aktors eine so große Trägheit aufweisen, dass kurzfristige Drucküberhöhungen beim Pumpen des Reduktionsmittels (beispielsweise infolge von Resonanz) noch nicht zu einer Betätigung der Volumenänderungseinrichtung führen.
Gemäß einer Ausführungsform mündet der Überlauf wieder in den Tank, so dass über den Überlauf abgeführtes Reduktionsmittel nicht verloren geht, sondern weiter verwendet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist an der Einlassseite und der Auslassseite der Pumpe jeweils ein Rückschlagventil angeordnet, welches Rückschlagventil von dem Reduktionsmittel nur in eine Richtung durchströmt werden kann. Weiter ist das Behältnis benachbart zum Rückschlagventil an der Aus lassseite der Pumpe angeordnet. In der Folge kann der Behälter besonders nahe an der Pumpe angeordnet sein und diese somit wirksam vor einer Beschädigung bei einer Volumenausdehnung des einfrierenden Reduktionsmittels schützten.
Zur Kontrolle der Abgasreinigungseinrichtung ist gemäß einer Ausführungsform an einer Verbindungsleitung zwischen dem Rückschlagventil an der Auslassseite der Pumpe und dem Behältnis ein Druckaufnehmer zum Bestimmen eines Drucks des Reduktionsmittels in der Verbindungsleitung angeordnet. Dieser Druckaufnehmer wird von der Volumenänderungseinrichtung vor einer Beschädigung infolge einer Drucküberhöhung durch einfrierendes Reduktionsmittel geschützt. Ein von dem Druckaufnehmer erfasster Druck kann beispielsweise an eine Motorsteuerung ausgegeben und beispielsweise zur Kontrolle der Pumpe oder Düse verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Pumpe eine Verdrängerpumpe und insbesondere eine Kolbenpumpe weiter insbesondere eine kolbenbeaufschlagte Membranpumpe ist. Vorteilhaft an derartigen Pumpen ist, dass sie eine besonders genaue Dosierung des Reduktionsmittels ermöglichen. Alternativ kann die Dosierung des Reduktionsmittels auf andere Weise, beispielsweise mittels Ventile, sichergestellt werden, so dass auch Strömungspumpen verwendet werden können.
Um eine Beschädigung des Systems infolge einer Volumenvergrößerung des Reduktionsmittels bei einem Einfrieren zu verhindern, sind Leitungen zum Führen des Reduktionsmittels gemäß einer Ausführungsform aus Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk gebildet. Dieses auch als EPDM bezeichnete Elastomer weist eine hohe thermische und chemische Beständigkeit sowie hohe Elastizität auf. In der Folge kann das Reduktionsmittel auch bei einer Volumenvergrößerung sicher ohne Beschädigung des Systems aufgenommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Reduktionsmittel um ein Ammoniak freisetzendes Reduktionsmittel und insbesondere Harnstoff. Dabei kann der Harnstoff beispielsweise mit Wasser versetzt sein. Weiter kann im Abgasstrom stromabwärts der Düsenmündung ein SCR-Katalysatorelement und damit ein Katalysatorelement für selektive katalytische Reduktion angeordnet sein.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden, soweit möglich, gleiche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente zu verweisen. Dabei zeigt:
1 schematisch eine Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A schematisch eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Elemente der Abgasreinigungseinrichtung aus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform in einem ersten Betriebszustand;
2B schematisch eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Elemente der Abgasreinigungseinrichtung aus 1 gemäß der ersten Ausführungsform in einem zweiten Betriebszustand;
3A schematisch eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Elemente der Abgasreinigungseinrichtung aus 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem ersten Betriebszustand;
3B schematisch eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Elemente der Abgasreinigungseinrichtung aus 1 gemäß der zweiten Ausführungsform in einem zweiten Betriebszustand; und
3C schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Abgasreinigungseinrichtung aus 3B.
Wie aus 1 ersichtlich, weist das System zum Zuführen eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrom einen Tank 1 für das Reduktionsmittel 2 auf. Über einen an dem Tank 1 ausgebildeten Einfüllstutzen 11 kann Reduktionsmittel 2 in den Tank 1 zugeführt werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist das Reduktionsmittel 2 mit Wasser versetzter Harnstoff (32,5%-ige wässrige Harnstofflösung), der unter dem Markennamen AdBlue bezogen werden kann. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Reduktionsmittel beschränkt. Allgemein kann jedes beliebige Reduktionsmittel, welches der Abgasbehandlung förderlich ist, verwendet werden. In Verbindung mit einem stromabwärts der Düse im Abgasstrom 4 angeordneten SCR-Katalysator (nicht gezeigt) wird die Verwendung eines Ammoniak freisetzenden Reduktionsmittels vorgeschlagen. Dabei wird betont, dass der Abgasstrom 4 und das SCR-Katalysator element Teil der erfindungsgemäßen Abgasreinigungseinrichtung sein können aber nicht müssen.
Eine Pumpe 5 für das Reduktionsmittel 2 ist über eine erste Verbindungsleitung 71, ein Luftventil 8 und eine zweite Verbindungsleitung 72 mit dem Tank 1 verbunden. In den gezeigten Ausführungsformen ist die Pumpe 5 eine Kolbenpumpe (2A, 2B) bzw. kolbenbetätigte Membranpumpe (3A, 3B). Vorteilhaft an derartigen Pumpen ist, dass sie eine besonders genaue Dosierung des Reduktionsmittels ermöglichen, da pro Kolbenhub eine genau bestimmbare Menge an Reduktionsmittel gepumpt wird, welche Menge durch die Bauform der Pumpe vorgegeben ist bzw. fest einstellbar ist. Die gezeigte Pumpe 5 stellt einen nominalen Pumpdruck von 10 bar sowie eine maximale Förderleistung von 7,5 Liter/Stunde (l/h) bereit.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Pumpe beschränkt. Beispielsweise kann die Pumpe 5 einen nominalen Pumpdruck von zwischen 2 bar und 30 bar und insbesondere von zwischen 5 bar und 20 bar und weiter insbesondere von zwischen 7,5 bar und 12,5 bar bereitstellen. Zudem kann die Pumpe (z. B. in Abhängigkeit von einem pro Stunde zu reinigendem Abgasvolumen und/oder der Abgaszusammensetzung) beispielsweise eine maximale Förderleistung von bis zu 20 Liter/Stunde (l/h) und insbesondere von bis zu 15 l/h und insbesondere von bis zu 10 l/h und weiter insbesondere von bis zu 5 l/h und weiter insbesondere von bis zu 2 l/h und weiter von bis zu 1 l/h bereitstellen.
Das Luftventil 8 verbindet wahlweise die erste Verbindungsleitung 71 für das Reduktionsmittel oder eine einen Luftfilter 82 aufweisende Luftleitung 81 über die zweite Verbindungsleitung 72 mit der Einlassseite der Pumpe 5.
Die Auslassseite der Pumpe 5 ist über eine dritte Verbindungsleitung 73 mit einer Abzweigung verbunden. In die Abzweigung münden neben der dritten Verbindungsleitung 73 eine vierte Verbindungsleitung 74, die mit einer Düse 3 zum Einspritzen von Reduktionsmittel 2 in einen Abgasstrom 4 verbunden ist, sowie ein Anschluss für ein Behältnis 6. Ein Überlauf 63 des Behältnisses 6 mündet wiederum in den Tank 1.
In der gezeigten Ausführungsform sind die erste bis vierte Verbindungsleitung 71 bis 74 jeweils bis 10 bar druckfeste Druckleitungen, deren Innenvolumen pro Längeneinheit sich bei Beaufschlagung mit dem genannten Druck um weniger als 5% und insbesondere weniger als 1% verändert. Die Verwendung einer derartigen Druckleitung ist jedoch nicht zwingend. So können alternativ beispielsweise auch Leitungen aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk verwendet werden, welche sich einer Volumenänderung des Reduktionsmittels beim Einfrieren besser anpassen können, als Druckleitungen.
Weiter ist eine Steuerung 9 vorgesehen, die mit der Pumpe 5, dem Behältnis 6 und dem Luftventil 8 verbunden ist und diese Elemente steuert. Die Steuerung 9 ist weiter mit einer nicht gezeigten Motorsteuerung verbunden, und empfängt von dieser Informationen über eine gewünschte Einspritzmenge von Reduktionsmittel. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 9 auch mit Sensoren verbunden sein, welche die Ermittlung einer benötigten Menge an Reduktionsmittel 2 erlauben. Bei der Steuerung kann es sich alternativ auch direkt um die Motorsteuerung handeln.
Ist die Luftleitung 81 infolge eines von der Steuerung 9 empfangenen Steuerbefehls über das Luftventil 8 und die zweite Verbindungsleitung 72 mit der Pumpe 5 verbunden, so saugt die Pumpe 5 über den Luftfilter 82 angesaugte Luft an und pumpt diese Luft über die Verbindungsleitungen 73 und 74 zur Düse 3. Auf diese Weise kann das Reduktionsmittel 2 aus der zweiten bis vierten Verbindungsleitung 72 bis 74, der Pumpe 5 und der Düse 3 entfernt werden. Weiter kann die Düse 3 so gereinigt werden. Je nach Art der verwendeten Pumpe und der verwendeten Düse kann es für ein Spülen mit Luft erforderlich sein, die Düse 3 zuvor zu öffnen oder eine (nicht gezeigte) Spülleitung zwischen Düse 3 und Tank 1 vorzusehen.
Es wird betont, dass das Vorsehen des Luftventils 8, der Luftleitung 81 sowie des Luftfilters 82 nur fakultativ ist.
Zur Reduktion von Stickoxiden im Abgasstrom 4 steuert die Steuerung 9 die Pumpe 5 und das Luftventil 8 so, dass die Einlassseite der Pumpe 5 über die zweite Verbindungsleitung 72, das Luftventil 8 und die erste Verbindungsleitung 71 mit dem im Tank 1 befindlichen Reduktionsmittel 2 in Fluidverbindung steht und das Reduktionsmittel 2 über die dritte und vierte Verbindungsleitung 73, 74 zur Düse 3 pumpt.
In der gezeigten Ausführungsform wird eine Nadeldüse 3 mit einem Öffnungsdruck von 14 bar verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung einer derartigen Düse beschränkt.
Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 2A und 2B näher erläutert. Dabei zeigt 2A schematisch eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Elemente der Abgasreinigungseinrichtung aus 1 bei unbetätigter Volumenänderungseinrichtung 61, und 2B schematisch die entsprechende Ansicht bei betätigter Volumenänderungseinrichtung 61.
Wie aus den 2A und 2B ersichtlich, ist zwischen der zweiten Verbindungsleitung 72 und der Pumpe 5 und damit an der Einlassseite der Pumpe 5 ein erstes Rückschlagventil 52 angeordnet. Dieses Rückschlagventil lässt Reduktionsmittel 2 lediglich in die Pumpe 5 hineinströmen, nicht aber hinausströmen. Weiter ist an der Auslassseite der Pumpe zwischen der Pumpe 5 und der dritten Verbindungsleitung 73 ein zweites Rückschlagventil 53 angeordnet, welches Reduktionsmittel lediglich aus der Pumpe herausströmen, nicht aber hineinströmen lässt. Weiter sind schematisch ein oszillierender Kolben 54 sowie Pleuel 55 der Kolbenpumpe 5 gezeigt.
Benachbart zum zweiten Rückschlagventil 53 ist an der dritten Verbindungsleitung 73 an der Auslassseite der Pumpe 5 eine Abzweigung vorgesehen, welche sowohl mit der vierten Verbindungsleitung 74, welche zur Düse 3 führt, als auch mit dem Behältnis 6 verbunden ist. Das Behältnis 6 ist somit zwischen der Auslassseite der Pumpe 5 und der Düse 3 angeordnet. Im Bereich der Abzweigung ist weiter ein Druckaufnehmer P zum Bestimmen des Drucks des in den Leitungen 73, 74 befindlichen Reduktionsmittels 2 angeordnet. Dieser Druckaufnehmer P ist mit der Steuerung 9 verbunden.
In der gezeigten ersten Ausführungsform ist das Behältnis 6 derart angeordnet, dass ein Innenvolumen der Verbindungsleitung zwischen Pumpe und Behältnis 6 insgesamt weniger als 20% des maximalen Hubvolumens der Pumpe 5 beträgt. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
In der ersten Ausführungsform ist in dem Behältnis 6 eine betätigbare Volumenänderungseinrichtung in Form einer steifen verlagerbaren Wand 61 angeordnet.
Die verlagerbare Wand 61 ist gegen eine Spiralfeder 62 verlagerbar, welche eine vorgegebene Federkonstante aufweist. In nicht verlagertem Zustand der Wand 61 (und damit unbetätigtem Zustand der Volumenänderungseinrichtung) verschließt die verlagerbare Wand 61 aufgrund des Drucks der Spiralfeder 62 den an dem Behältnis 6 ausgebildeten Überlauf 63 für das Reduktionsmittel 2. Steigt der Druck des Reduktionsmittels 2 in der dritten und vierten Verbindungsleitung 73, 74 und damit auch in dem Behältnis 6 auf wenigstens 20 bar an, und übersteigt somit den Öffnungsdruck der Düse 3 um mehr als 40%, so wird die Feder 62 komprimiert und die verlagerbare Wand 61 so verlagert, dass der Überlauf 63 automatisch geöffnet und das Reduktionsmittel 2 ausgegeben wird. Sinkt der Druck wieder auf unter 20 bar ab, so kehrt die Volumenänderungseinrichtung und damit die verlagerbare Wand 61 automatisch aus dem in 2B gezeigten betätigten Zustand in den in 2A gezeigten unbetätigten Zustand zurück und verschließt den Überlauf 63 wieder.
Um ein Mitschwingen der verlagerbaren Wand 61 bei Betrieb der Pumpe 5 zu verhindern, ist die verlagerbare Wand 61 teilweise (alternativ auch vollständig) aus ferromagnetischem Material gebildet, und kann durch Betätigung eines Elektromagneten 64, der durch die Steuerung 9 gesteuert wird, in einer Lage fixiert werden, in welcher der Überlauf 61 des Behältnisses 6 verschlossen ist. Eine freie Verlagerung der Wand ist somit nur bei ausgeschaltetem Elektromagneten 64 möglich. Anstelle des Elektromagneten 64 kann auch eine andere Verriegelungseinrichtung, wie beispielsweise ein auf die verlagerbare Wand 61 wirkender Riegel (nicht gezeigt) verwendet werden.
Alternativ kann ein unerwünschtes Mitschwingen der verlagerbaren Wand 61 bei Betrieb der Pumpe 5 auch durch eine ausreichende Masse und damit Trägheit der verlagerbaren Wand 61 und/oder ausreichende Steifigkeit der Spiralfeder 62 verhindert werden.
Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf einen Betätigungsdruck von 20 bar für die Volumenänderungseinrichtung beschränkt. So kann eine Betätigung der Volumenänderungsvorrichtung bei Verwendung einer Ventildüse beispielsweise dann erfolgen, wenn ein Innendruck des Behältnisses den Öffnungsdruck der zugehörigen Düse zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom um wenigstens 5% und weiter um wenigstens 10% und insbesondere um wenigstens 20% und weiter insbesondere um wenigstens 40% übersteigt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Volumenänderungseinrichtung nicht versehentlich im regulären Betrieb betätigt wird. Gleichzeitig ist eine automati sche Betätigung der Volumenänderungseinrichtung sichergestellt, wenn der Druck des Reduktionsmittels 2 in der dritten und vierten Verbindungsleitung 73, 74 und damit auch in dem Behältnis 6 infolge einer Volumenvergrößerung des Reduktionsmittels 2 beim Gefrieren den im Normalbetrieb üblichen Druck deutlich übersteigt. In der Folge kann eine Beschädigung der Pumpe 5 (und weiterer Komponenten der Abgasreinigungseinrichtung, die mit dem Reduktionsmittel in Kontakt stehen) sicher vermieden werden.
Die in den 2A und 2B gezeigte Feder 62 kann auch durch einen (nur in 3A, 3B eigens gezeigten) Aktor zur Verlagerung der verlagerbaren Wand 61 ersetzt oder ergänzt werden. Dieser Aktor wird von der Steuerung 9 gesteuert und bewirkt eine Verlagerung der verlagerbaren Wand 61 zur Verschließung des Überlaufes 63. Somit ist der Überlauf 63 in kraftlosem Zustand des Aktors geöffnet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die in 2A, 2B gezeigte Feder die verlagerbare Wand in eine den Überlauf 63 freigebende Lage zieht, und der Aktor bei Betätigung gegen diese Feder wirkt. Bei dem Aktor kann es sich beispielweise um einen Elektromotor und insbesondere einen Linearmotor handeln. Bei Vorsehen eines Aktors kann auf die Verriegelungseinrichtung 64 verzichtet werden.
Die Steuerung kann den Aktor beispielsweise bei Betrieb des Systems automatisch betätigen und bei Stillstand des Systems automatisch ausschalten.
Vorteilhaft an der Verwendung eines Aktors, der den Überlauf bei Betätigung des Aktors aktiv verschließt und in unbetätigtem Zustand freigibt, ist, dass die Verbindungs leitung 73, 74 zwischen Pumpe 5 und Düse 3 bei unbetätigtem Aktor in drucklosem Zustand sind. Dies erlaubt bei Aufnahme des Betriebes beispielsweise zunächst ein Spülen über den Überlauf 63, bevor durch Betätigung des Aktors ein Druck aufgebaut werden kann. Beim Ausschalten kehrt der Aufbau automatisch in den drucklosen und damit sicheren Zustand zurück.
Zwischen der verlagerbaren Wand 61 und der Innenwand des Behältnisses 6 ist eine nicht gezeigte Dichtung vorgesehen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 3A, 3B und 3C eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigt 3A schematisch eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Elemente der Abgasreinigungseinrichtung aus 1 bei unbetätigter Volumenänderungseinrichtung 61', und 3B schematisch die entsprechende Ansicht bei betätigter Volumenänderungseinrichtung 61'. 3C zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt von 3B.
Da die zweite Ausführungsform der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sehr ähnlich ist, werden im Folgenden nur die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen näher erläutert.
Zum einen wurde bei der zweiten Ausführungsform auf das Vorsehen eines Druckaufnehmers P verzichtet. Als Pumpe 5' wird eine kolbenbetätigte Membranpumpe verwendet, von der lediglich die Membran 54' und der Pleuel 55' gezeigt sind. Weiter weist das Behältnis 6 in der zweiten Ausführungsform anstelle der verlagerbaren Wand 61 eine dehnbare Wand 61' auf. Die dehnbare Wand 61' weist eine vorgegebene Steifigkeit auf und ist im Normalzustand so gewölbt, dass sie eine Öffnung des Behältnisses 6 verschließt.
Hierfür wirkt eine Achse 66 eines Linearmotors 65 bei betätigtem Linearmotor 65 auf die dehnbare Wand 61'. Anstelle eines Linearmotors kann auch ein beliebig anderer ansteuerbarer Antrieb, wie beispielsweise auch eine Hydraulik oder Pneumatik oder ein Piezoelement, verwendet werden.
Gemäß einer (nicht gezeigten) Abwandlung dieser Ausführungsform kann der Linearmotor 65 beim Drücken der dehnbaren Wand 61' zum Verschließen des Überlaufs 63 dadurch unterstützt werden, dass in einem Innenraum 62' des Behältnisses 6 gegen die dehnbare Wand 61' pressende Druckluft enthalten ist.
Wenn der Linearmotor 65 in kraftlosem Zustand ist, wird die dehnbare Wand 61' (wie in 3B gezeigt) aufgrund des Drucks des in der dritten und vierten Verbindungsleitung 73, 74 und damit in dem Behältnis 6 enthaltenen Reduktionsmittels 2 so verformt, dass sie die Öffnung des Behältnisses 6 und damit auch den Überlauf 63 für das Reduktionsmittel 2 freigibt. In der Folge wird das Reduktionsmittel 2 über den Überlauf 63 wieder in den Tank 1 abgegeben, wodurch das System in einen drucklosen Zustand übergeht. Aufgrund der Verwendung einer dehnbaren Wand 61' kann bei geöffnetem Überlauf 63 durch Verformung der Wand 61' innerhalb des Behältnisses 6 zusätzliches Volumen zur Aufnahme gefrierenden Reduktionsmittels bereitgestellt werden. Dies ist schematisch in 3C gezeigt.
Alternativ oder zusätzlich zum Vorsehen des Linearmotors 65 kann auch eine Verriegelungsvorrichtung vorgehen sein, welche die dehnbare Wand 61' in einem den Überlauf 63 verschließenden Zustand fixiert. Diese Fixierung kann beispielsweise auf elektromagnetischem Weg erfolgen, indem die dehnbare Wand ferromagnetisches Material aufweist, und im Bereich des Einlasses E der Volumenänderungseinrichtung ein Elektromagnet vorgesehen ist. Bei Betätigung des Elektromagneten wird die dehnbare Wand 61' in einem den Einlass E und damit auch den Überlauf 63 verschließenden Zustand fixiert. Bei Verzicht auf den Aktor muss die dehnbare Wand 61' jedoch so ausgebildet sein, dass sie gegen die Öffnung des Behältnisses 6 vorgespannt ist, und somit nach einer Betätigung selbsttätig in einen den Überlauf 63 verschließenden Zustand zurückkehren kann.

Claims

Abgasreinigungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, aufweisend: einen Tank (1) für ein flüssiges Reduktionsmittel (2); eine in den Abgasstrom (4) des Fahrzeugs mündende Düse (3) zum Einspritzen des Reduktionsmittels (2) in den Abgasstrom (4); eine Pumpe (5) mit einer Einlassseite (72) und einer Auslassseite (73) zum Pumpen des Reduktionsmittels (2); und ein Behältnis (6), dessen Volumen über eine betätigbare Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') änderbar ist; wobei bezüglich der Förderrichtung der Pumpe (5) nacheinander der Tank (1), die Einlassseite (72) der Pumpe (5), die Auslassseite (73) der Pumpe (5), und die Düse (3) angeordnet sind; und wobei das Behältnis (6) zwischen der Auslassseite (73) der Pumpe (5) und der Düse (3) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (6) weiter einen Überlauf (63) für das Reduktionsmittel (2) aufweist, welcher Überlauf (63) bei unbetätigter Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') durch die Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') verschlossen ist, und welcher Überlauf (63) bei betätigter Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') geöffnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die betätigbare Volumenänderungseinrichtung (61, 62) durch wenigstens eine dehnbare Wand (61') des Behältnisses (6) gebildet ist, welche Wand (61') eine vorgegebene Steifigkeit aufweist, und durch den Druck des im Behältnis (6) befindlichen Reduktionsmittels (2) und/oder mittels eines Aktors (6) betätigbar ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die betätigbare Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') durch wenigstens eine verlagerbare Wand (61) des Behältnisses (6) gebildet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die verlagerbare Wand (61) gegen eine Feder (62) verlagerbar ist, und durch den Druck des im Behältnis (6) befindlichen Reduktionsmittels (2) betätigbar ist und/oder mittels eines Aktors betätigbar ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') mittels einer Verriegelungseinrichtung (64) in einem unbetätigten Zustand fixierbar ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Wand (61) zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material besteht, und die Verriegelungseinrichtung (64) ein Elektromagnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, wobei der Aktor die dehnbare bzw. verlagerbare Wand (61'; 61) so mit Kraft beaufschlagt, dass die Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') bei betätigtem Aktor in unbetätigtem Zustand ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 2, 4 oder 7, wobei die Steifigkeit der dehnbaren Wand (61') oder die auf die verlagerbare Wand (61) wirkende Feder (62) so gewählt sind, und/oder der die Wand (62) verlagernde Aktor so gesteuert ist, dass die Volumenänderungseinrichtung (61, 62; 61', 62') betätigt wird, wenn ein Innendruck des Behältnisses den Öffnungsdruck der zugehörigen Düse (3) zum Einspritzen des Reduktionsmittels in den Abgasstrom um wenigstens 5% und weiter um wenigstens 10% und insbesondere um wenigstens 20% und weiter insbesondere um wenigstens 40% übersteigt.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Überlauf (63) in den Tank (1) mündet.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei an der Einlassseite (72) und der Auslassseite (73) der Pumpe (5) jeweils ein Rückschlagventil (52, 53) angeordnet ist, welches Rückschlagventil (52, 53) von dem Reduktionsmittel (2) nur in eine Richtung durchströmt werden kann; und wobei das Behältnis (6) benachbart zum Rückschlagventil (53) an der Auslassseite (73) der Pumpe (5) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 10, wobei an einer Verbindungsleitung zwischen dem Rückschlagventil (53) an der Auslassseite (73) der Pumpe (5) und dem Behältnis (6) ein Druckaufnehmer zum Bestimmen eines Drucks des Reduktionsmittels (2) in der Verbindungsleitung angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Pumpe (5) eine Verdrängerpumpe und insbesondere eine Kolbenpumpe und weiter insbesondere eine kolbenbeaufschlagte Membranpumpe ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei Leitungen zum Führen des Reduktionsmittels (2) aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk gebildet sind.
Abgasreinigungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Reduktionsmittel (2) ein Ammoniak freisetzendes Reduktionsmittel (2) und insbesondere Harnstoff ist; und wobei im Abgasstrom (4) stromabwärts der Düse (3) ein SCR-Katalysatorelement angeordnet ist.