-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels, wie beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine.
-
Bei dem Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, im nachfolgenden vereinfacht als Brennkraftmaschinen bezeichnet, entsteht Abgas welches Schadstoffe, wie beispielsweise HC, CO, NOx usw., enthält. Für verschiedene Schadstoffe, wie HC, CO, NOx und Partikel existieren gesetzliche Regelungen, durch welche Schadstoffgrenzwerte festgelegt werden. Um diese gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen, ist in der Regel eine Reinigung des anfallenden Abgases notwendig. Hierfür wird üblicherweise eine Abgasreinigungsanlage eingesetzt. Im Fall von Magerbrennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, Otto-Mager-Motoren, werden in zunehmendem Maße spezielle NOx-reduzierende Verfahren auf der Basis von NOx-Speicher-Katalysatoren oder SCR-Katalysatoren eingesetzt. SCR-Katalysatoren benötigen für die NOx-Reduktion ein Reduktionsmittel, derzeit ist Ammoniak (NH3) das übliche Reduktionsmittel. Dieses Reduktionsmittel wird heute üblicherweise durch Einspritzung einer Harnstoff-Wasserlösung und deren Hydrolyse in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine bzw. „on Board” des jeweiligen Fahrzeugs erzeugt und anschließend dem SCR-Katalysator zugeführt. Die Bereitstellung des Reduktionsmittels stellt jedoch eine Herausforderung bezüglich der Robustheit, der Zuverlässigkeit und der Wirtschaftlichkeit dar.
-
Die gegenwärtigen aus dem Stand der Technik bekannten Systeme setzen zur Förderung, d. h. zum Transport des Reduktionsmittels aus einem Vorratstank zum Ort der Umwandlung in Ammoniak, eine Membranpumpe ein, welche für das Medium Harnstoff-Wasserlösung geeignet ist. Die Systeme, die auf einem Backflow-System basieren, besitzen ein sehr aufwendiges und teures 4/2-Wegeventil. Durch dieses Ventil wird ein Leerpumpen ohne Pumpenrichtungsumkehr realisiert. Zudem benötigen diese Systeme ein Ventil für das Durchspülen der Leitungen und ein Regeln der Temperatur im Leitungssystem. Des Weiteren wird Reduktionsmittel zurückgepumpt, d. h. gegen die Normalbetrieb-Förderrichtung. Dieses kann einerseits mit Frischluft oder andererseits durch Abgas durch den geöffneten Injektor geschehen. Letzteres hat jedoch den Nachteil, dass es zu einer Verstopfung des Injektors kommen kann. Zum Stand der Technik gehört das Einspritzen des Reduktionsmittels über einen Injektor in einen Generator oder direkt in das Abgassystem.
-
Aus der
EP 1 656 986 A1 ist eine Harnstoffdosiervorrichtung bekannt. Die Harnstoffdosiervorrichtung umfasst dabei einen Vorratsbehälter für das Reduktionsmittel. Dieser ist über eine erste Leitung mit einem 2/2-Wegeventil verbunden, welches das Reduktionsmittel in den Abgastrakt einführt. Zwischen dem Vorratsbehälter und dem Dosierventil ist eine Pumpe und daran anschließend ein Filter angeordnet. Die Pumpe pumpt das Reduktionsmittel zu dem Abgastrakt, wobei das Reduktionsmittel über die Betätigung des Dosierventils in den Abgastrakt eindosiert wird. Dabei ist die Pumpe derart ausgelegt, dass sie das Reduktionsmittel auch von dem Dosierventil zurück in den Vorratsbehälter transportieren kann. Dadurch ist es möglich, das in der ersten Leitung befindliche Reduktionsmittel in den Vorratsbehälter zurückzupumpen und die erste Leitung vollständig zu entleeren. Darüber hinaus ist eine zweite Leitung vorgesehen, die über ein 2/2-Wegeventil schaltbar ist. Wird beim Betrieb der Pumpe ein Überschuss an Reduktionsmittel über die erste Leitung zu dem Ventil transportiert und es entsteht hierdurch ein zu hoher Druck, so wird zum Druckabbau das Ventil in der zweiten Leitung geöffnet und ein Überstrom an Reduktionsmittel kann über die zweite Leitung zurück in den Vorratsbehälter fließen.
-
Des Weiteren ist aus der
DE 10 2004 054 238 A1 ein Dosiersystem bekannt. Das Dosiersystem weist dabei einen Vorratstank mit einer Harnstofflösung als Reduktionsmittel auf. Der Vorratstank ist dabei über eine Leitung mit einer Pumpe, verschiedenen Filtern und einem Dosierventil verbunden, über welches das Reduktionsmittel in eine Dosierstelle eines Abgaseinlassbereichs eines Katalysators eindosiert wird. Des Weiteren ist ein Bereich der Förderleitung zwischen der Förderpumpe und dem Dosierventil entgegengesetzt zur Normalbetrieb-Förderichtung entleerbar. Hierbei wird die Förderrichtung der Förderpumpe umgekehrt und die Harnstoff-Lösung entgegen der im Betrieb üblichen Normalbetrieb-Förderrichtung in den Vorratstank zurückbefördert. Ein stromaufwärts des Dosierventils angeordnetes Belüftungsventil wird geöffnet und das Dosierventil geschlossen.
-
Weiter sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt, die auf einem Dead Headed System (ohne Rücklauf, nur Zulauf) basieren. Solche Systeme können jedoch bei bestimmten äußeren Bedingungen, wie beispielsweise Frost, zerstört werden, wenn sie nicht über ausreichende Maßnahmen, wie Druckablass oder Ausdehnungsmöglichkeiten für das Reduktionsmittel verfügen. Zudem ist es mit einer Membranpumpe nicht möglich, den Druck in der Druckleitung auf Wunsch zu reduzieren.
-
Aus
DE 199 47 197 A1 ist eine Vorrichtung zum Eindosieren eines Reduktionsmittels mittels einer Dosierventileinrichtung in einen Abgastrakt eines Fahrzeugs bekannt. Es ist ein Vorratsbehälter vorgesehen, der das Reduktionsmittel enthält. Der Vorratsbehälter wird über eine erste Leitung mit einer Dosierventileinrichtung verbunden. In der ersten Leitung ist ein Filterelement und anschließend eine Pumpeneinrichtung vorgesehen. Es ist eine Druckablasseinrichtung mit der ersten Leitung verbunden, um den Druck aus der ersten Leitung abzulassen.
-
Aus
DE 100 47 516 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren eines Reduktionsmittels zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas bekannt. Das Reduktionsmittel befindet sich in einem Vorratsbehälter und wird über eine Leitung mit Hilfe einer Pumpe zu einer Dosiervorrichtung geführt. Parallel zur Pumpe ist eine Rückleitung vorgesehen, in der ein Rückschlagventil angeordnet ist.
-
In der
DE 103 54 458 A1 ist eine Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in das Abgas einer Brennkraftmaschine beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Vorratsbehälter, eine Fördereinrichtung und einen Strömungsweg für das Reduktionsmittel. Ferner ist eine Entlüftungseinrichtung zur Entlüftung des Strömungswegs vorgesehen. Es wird vorgeschlagen, dass die Entlüftungseinrichtung an einer geodätisch hochgelegenen Stelle des Strömungswegs angeordnet ist und dass sie auch im geschlossenen Zustand eine Rückführung einer minimalen Fluidmenge zum Vorratsbehälter hin zulässt.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine an zugeben, die einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Abgasnachbehandlungsanlage erlauben.
-
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Dosiervorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine die folgendes aufweist:
einen Vorratsbehälter zum Speichern des Reduktionsmittels, eine Zuführungsleitung, die den Vorratsbehälter mit einer dem Abgastrakt zugeordneten Dosiereinheit verbindet, welche das Reduktionsmittel in den Abgastrakt einbringt, eine in der Zuführungsleitung zum Fördern des Reduktionsmittels dienende Pumpeneinrichtung, eine Drucksensoreinrichtung zum Erfassen des Druckes in der Zuführungsleitung stromabwärts der Pumpeneinrichtung und eine Druckablasseinrichtung, die eine stromabwärts der Pumpeneinrichtung an einem Abzweig der Zuführungsleitung abgehende, mit dem Vorratsbehälter verbundene Rückführungsleitung und eine in der Rückführungsleitung angeordnete erste Ventileinrichtung. Der zwischen Abzweig und Eingang der ersten Ventileinrichtung liegende Leitungsabschnitt der Zuführungsleitung liegt räumlich gesehen auf einem höheren Niveau als die Rückführungsleitung, so dass ein Speichervolumen für in der Zuführungsleitung vorhandene Luft gebildet ist.
-
In der Zuführungsleitung ist stromabwärts des Abzweiges eine zweite Ventileinrichtung angeordnet, wobei der Leitungszweig der Zuführungsleitung zwischen Abzweig und Eingang der zweiten Ventileinrichtung kürzer ist als der Leitungszweig der Zuführungsleitung zwischen dem Ausgang der zweiten Ventileinrichtung und der Dosiereinrichtung
-
Durch eine solche konstruktive Ausgestaltung der Dosiervorrichtung kann einerseits sichergestellt werden, dass durch Aktivieren der Druckablasseinrichtung ein zu hoher Druck in der Dosiervorrichtung, beispielsweise durch Gefrieren des flüssigen Reduktionsmittels oder bei sehr hohen Temperaturen, sicher vermieden werden kann und anderseits erlaubt dies den Einsatz einer kostengünstigen Pumpeneinrichtung, da diese das Reduktionsmittel nur in einer Richtung fördern muss.
-
Außerdem stellt die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung sicher, dass von der Pumpeneinrichtung anstelle des flüssigen Reduktionsmittels auch Luftblasen angesaugt werden können, ohne dass dabei die Effizienz der Abgasnachbehandlung beeinträchtigt wird. Auch bis zu dem Zeitpunkt, bis die Luftblasen wieder aus dem Zuführsystem in den Vorratsbehälter zurückgeleitet werden und wieder reines Reduktionsmittel gefördert wird, ist ein ununterbrochener Betrieb der Abgasnachbehandlung gewährleistet. Das hierzu notwendige Reduktionsmittel befindet sich in dem als Reduktionsmittelreservoir dienenden Leitungsstück der Zuführungsleitung zwischen der geschlossenen zweiten Ventileinrichtung und der Dosiereinheit. Da dieses Leitungsstück relativ lang ist, befindet sich genügend Reduktionsmittel darin, um die Zeitspanne zu überbrücken bis die Pumpeneinrichtung wieder Reduktionsmittel fördert.
-
Durch Absperren dieser zweiten Ventileinrichtung beim Abstellen der Brennkraftmaschine kann die Druckfestigkeit der Dosiervorrichtung weiter erhöht werden. Die sich bei tiefen Temperaturen einstellende Eisbildung beim Reduktionsmittel, welche in der Regel ihren Ausgangspunkt an der Dosiereinheit hat und eine sich bildende Eissäule innerhalb des Leitungsstückes in Richtung zu der zweiten Ventileinrichtung zur Folge hat, kann aufgrund der geschlossenen zweiten Ventileinrichtung keinen Schaden an den empfindlichen Komponenten des Systems (Pumpeneinrichtung, Drucksensor) hervorrufen.
-
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zum Einbringen eines Reduktionsmittels in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine nutzt eine Dosiervorrichtung, die folgendes aufweist: einen Vorratsbehälter zum Speichern des Reduktionsmittels, eine Zuführungsleitung, die den Vorratsbehälter mit einer dem Abgastrakt zugeordneten Dosiereinheit verbindet, welche das Reduktionsmittel in den Abgastrakt einbringt, eine in der Zuführungsleitung zum Fördern des Reduktionsmittels dienenden Pumpeneinrichtung, einer Drucksensoreinrichtung zum Erfassen des Druckes in der Zuführungsleitung stromabwärts der Pumpeneinrichtung, eine Druckablasseinrichtung, die eine stromabwärts der Pumpeneinrichtung an einem Abzweig der Zuführungsleitung abgehende, mit dem Vorratsbehälter verbundene Rückführungsleitung und eine in der Rückführungsleitung angeordnete erste Ventileinrichtung aufweist.
-
Gemäß dem Verfahren wird während des Betriebes der Dosiervorrichtung bei geschlossenem Ventil der ersten Ventileinrichtung die von der Drucksensoreinrichtung erfassten Werte des Druckes laufend mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und bei Unterschreiten des Schwellenwertes das Ventil einer stromabwärts des Abzweiges in der Zuführungsleitung angeordneten zweiten Ventilanordnung geschlossen, so dass sich in der Zuführungsleitung stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung vorhandene Luft in einem als Speichervolumen dienenden Leitungsabschnitt der Rückführungsleitung sammelt.
-
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zum Einbringen eines Reduktionsmittels in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine nutzt eine Dosiervorrichtung, die folgendes aufweist: einen Vorratsbehälter zum Speichern des Reduktionsmittels, eine Zuführungsleitung, die den Vorratsbehälter mit einer dem Abgastrakt zugeordneten Dosiereinheit verbindet, welche das Reduktionsmittel in den Abgastrakt einbringt, eine in der Zuführungsleitung zum Fördern des Reduktionsmittels dienenden elektrischen Pumpeneinrichtung, eine Druckablasseinrichtung, die eine stromabwärts der Pumpeneinrichtung an einem Abzweig der Zuführungsleitung abgehende, mit dem Vorratsbehälter verbundene Rückführungsleitung und eine in der Rückführungsleitung angeordnete erste Ventileinrichtung aufweist.
-
Gemäß dem Verfahren wird während des Betriebes der Dosiervorrichtung bei geschlossenem Ventil der ersten Ventileinrichtung mittels einer Stromerfassungseinrichtung Werte für den von der Pumpeneinrichtung aufgenommenen elektrischen Strom erfasst, diese Werte laufend mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und bei Unterschreiten des Schwellenwertes das Ventil einer stromabwärts des Abzweiges in der Zuführungsleitung angeordneten zweiten Ventilanordnung geschlossen, so dass sich in der Zuführungsleitung stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung vorhandene Luft in einem als Speichervolumen dienenden Leitungsabschnitt der Rückführungsleitung sammelt.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
-
In der einzigen Figur ist in Form eines Blockschaltbildes eine Dosiervorrichtung für ein flüssiges Reduktionsmittel zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine dargestellt, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung nötigen Komponenten gezeigt sind.
-
Die Dosiervorrichtung 10 weist einen, mit einem Einfüllstutzen 13 versehenen Vorratsbehälter 12 für ein flüssiges Reduktionsmittel 14 auf. Als Reduktionsmittel 14 dient bei einem sogenannten SCR-(selektive katalytische Reduktion)Abgasreinigungsprozess eine Ammoniak-Vorläufersubstanz, vorzugsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Die Entnahme des Reduktionsmittels 14 aus dem Vorratsbehälter 12 erfolgt über ein Tankentnahmerohr 27, an das außerhalb des Vorratsbehälters 12 eine erste Fluidleitung, im folgenden als Zuführungsleitung 15 bezeichnet, angeschlossen ist und die hin zu einer Dosiereinheit 16 führt. Die Dosiereinheit 16 ist beispielsweise an einem Abgastrakt 17 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) angeordnet, um das Reduktionsmittel 14 in den Abgastrakt 17 einzudosieren, beispielsweise in den Abgaseinlassbereich eines Abgaskatalysators 18. Alternativ kann mittels der Dosiereinheit 16 das Reduktionsmittel 14 statt direkt in den Abgastrakt 17 auch in eine dem Abgaskatalysator vorgeschaltete Mischkammer oder in einen Hydrolysekatalysator eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 14 bewirkt dabei, dass giftige Stickoxide im Abgas zu Stickstoff und Wasser umgesetzt werden. Als Dosiereinheit 16 wird vorzugsweise ein elektrisch ansteuerbares Ventil, beispielsweise ein herkömmliches Kraftstoffeinspritzventil für Saugrohreinspritzung verwendet werden. Als kostengünstigste Variante kann die Dosiereinheit 16 auch als einfache Düse ausgebildet sein.
-
In der Zuführungsleitung 15 ist in der Nähe der Entnahmestelle für das Reduktionsmittel 14 ein Filterelement 19 vorgesehen und stromabwärts davon eine Pumpeneinrichtung 20. Das Filterelement 19 dient beispielsweise dazu, im Reduktionsmittel 14 vorhandene Feststoffpartikel oder durch Trocknen entstehende Kristalle zu filtern, um ein Verstopfen der Pumpeneinrichtung 20 und der Dosiereinheit 16 zu verhindern. Das Filterelement 19 kann auch innerhalb des Vorratsbehälters 12 angeordnet sein. Die Pumpeneinrichtung 20 transportiert das Reduktionsmittel 14 in einer Richtung, d. h. von dem Vorratsbehälter 12 über die Zuführungsleitung 15, 15', 15'' zu der Dosiereinheit 16.
-
Alternativ kann auch eine Pumpeneinrichtung 20 vorgesehen sein, die nicht nur in einer Richtung, sondern in zwei Richtungen fördern kann, d. h. dass das Reduktionsmittel 14 auch wieder zurück in den Vorratsbehälter 12 gepumpt werden kann. Als Pumpeneinrichtung 20 kann beispielsweise eine Membranpumpe verwendet werden, deren Membran vorzugsweise elektrisch angetrieben wird. Alternativ kann die Membran auch mechanisch oder hydraulisch angetrieben sein.
-
In dem Teilstück der Zuführungsleitung 15, das von der Druckseite der Pumpeneinrichtung 20 zu der zweiten Ventileinrichtung 22 führt, ist eine Drucksensoreinrichtung 21 angeordnet, welche den Druck in der Zuführungsleitung 15 stromabwärts der Pumpeneinrichtung 20 erfasst. Hierzu kann wenigstens ein Drucksensor vorgesehen werden. Wahlweise kann zusätzlich auch wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen werden, der beispielsweise die Temperatur in der Zuführungsleitung 15, die Temperatur am oder im Vorratsbehälter 12 und/oder eine Umgebungstemperatur misst. Auf diese Weise kann bestimmt werden, ob beispielsweise ein Einfrieren des Reduktionsmittels 14 zu befürchten ist. Handelsübliche, wässrige Harnstofflösung mit 32,5% Harnstoffgehalt weist einen Gefrierpunkt von –11° Celsius auf. Beim Einfrieren dehnt sich die wässrige Harnstofflösung um ca. 10% aus, so dass der Druck in den mit Reduktionsmittel gefüllten Komponenten der Dosiervorrichtung 10 steigt.
-
Um diesem Druckanstieg entgegenzuwirken, ist eine Druckablasseinrichtung 24 mit einer zweiten Fluidleitung, im nachfolgenden als Rückführungsleitung 25 bezeichnet, und eine darin angeordnete erste elektrisch steuerbare Ventileinrichtung 23 vorgesehen. Hierzu ist in dem Teilstück der Zuführungsleitung 15 stromabwärts der Drucksensoreinrichtung 21 und stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung 22 ein Abzweig 28 vorgesehen, an dem die Rückführungsleitung 25 angeschlossen ist, welche zurück zum Vorratsbehälter 12 führt. Die erste Ventileinrichtung 23 ist in der Rückführungsleitung 25 an einer Stelle eingefügt, die nicht unmittelbar nach dem Abzweig 28 liegt, sondern an einer Stelle, die bezogen auf das Niveau der Zuführungsleitung 15 auf einem höherem Niveau liegt, so dass zwischen Abzweig 28 und Eingang der ersten Ventileinrichtung 23 durch das damit vorhandene Leitungsstück 25' ein gewisses Speichervolumen gebildet ist, dessen Bedeutung später noch erläutert wird.
-
Die erste Ventileinrichtung 23 kann beispielsweise wenigstens ein 2/2-Wegeventil oder ein anderes geeignetes Ventil aufweisen, insbesondere kann ein herkömmliches Kraftstoffeinspritzventil für Saugrohreinspritzung eingesetzt werden.
-
In dem Teilstück der Zuführungsleitung 15, das von der Druckseite der Pumpeneinrichtung 20 zu der Dosiereinheit 16 führt, ist eine zweite elektrisch steuerbare Ventileinrichtung 22 angeordnet, mit deren Hilfe der Fluss des Reduktionsmittels 14 zur Dosiereinheit 16 freigegeben oder unterbunden werden kann. Die zweite Ventileinrichtung 22 ist dabei in der Zuführungsleitung 15 nicht räumlich unmittelbar vor dem Dosierventil 16 abgeordnet, sondern davon beabstandet, so dass zwischen dem Ausgang der zweiten Ventileinrichtung 22 und dem Dosierventil 16 ein Leitungsabschnitt 15'' verbleibt, dessen Zweck später noch erläutert wird. Die zweite Ventileinrichtung 22 kann beispielsweise wenigstens ein 2/2-Wegeventil oder ein anderes geeignetes Ventil aufweisen, insbesondere kann ein herkömmliches Kraftstoffeinspritzventil für Saugrohreinspritzung eingesetzt werden.
-
Wie in der Figur weiter dargestellt, sind die genannten steuerbaren Ventileinrichtungen 22, 23, die Pumpeneinrichtung 20, die Drucksensoreinrichtung 21 und die Dosiereinheit 16 elektrisch mit einer Steuereinrichtung 26 verbunden. Dies trifft ebenso auf weitere, in der Figur nicht explizit dargestellte Sensoren, wie beispielsweise ein Füllstandssensor im oder am Vorratsbehälter 12 für das Reduktionsmittel 14 oder Abgassensoren und Temperatursensoren stromaufwärts und stromabwärts des Abgaskatalysators 18 zu. Zur Erfassung des elektrischen Stromes der Pumpeneinrichtung 20 ist eine Stromerfassungseinrichtung 29 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 26 verarbeitet die von den Sensoren erhaltenen Daten und steuert verschiedene Aktoren, u. a. die Pumpeneinrichtung 20, sowie die Ventileinrichtungen 22, 23, so dass das Reduktionsmittel 14 dem Abgas bedarfsgerecht zugemessen werden kann. Hierzu sind in der Steuereinrichtung 26 Steuerungsfunktionen zum Steuern und Regeln der Abgasnachbehandlung softwaremäßig in einem Programmspeicher 30 implementiert. Ferner ist in der Steuereinrichtung 26 ein Datenspeicher 31 vorgesehen, in dem verschiedene Schwellenwerte SWi gespeichert sind.
-
Die Steuereinrichtung 26 kann ein eigens für die Abgasnachbehandlung vorgesehenes Steuergerät darstellen, dem alle zur Abgasnachbehandlung nötigen Signale direkt zugeführt werden oder die Steuereinrichtung 26 ist über eine Schnittstelle, beispielsweise über einen CAN-Bus mit einem, zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine dienenden Steuergerät verbunden. Im erst genannten Fall eignet sich die Dosiervorrichtung 10 und die Steuereinrichtung 26 bevorzugt zum Nachrüsten in bestehende Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen.
-
Des Weiteren kann die Funktion der Steuereinrichtung 26 auch teilweise oder komplett in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine integriert sein.
-
Im Folgenden wird die Funktion der Dosiervorrichtung, insbesondere die Funktion und das Zusammenwirken der beiden Ventileinrichtungen 22, 23 näher erläutert.
-
Setzt beispielsweise im Winter das Gefrieren der wässrigen Harnstofflösung ein, so dehnt sich die Harnstofflösung dabei in der Zuführungsleitung 15 aus und kann bei weiterem Gefrieren diese und daran abgeschlossene Komponenten, insbesondere die Pumpeneinrichtung 20 und die Drucksensoreinrichtung 21 beschädigen. Um den bei dem Phasenübergang entstehenden Druck abzulassen, wird die erste Ventileinrichtung 23 entsprechend geöffnet, wodurch ein Teil des Reduktionsmittels 14 zurück in den Vorratsbehälter 12 geleitet wird. Dies hat den Vorteil, dass beim Auftreten von Frost eine Zerstörung der Komponenten der Dosiervorrichtung 10 verhindert werden kann.
-
Des Weiteren ist ein sog. Kreispumpen des Reduktionsmittels 14 beim Auftauen möglich. Das bedeutet, dass abgepumptes flüssiges Reduktionsmittel 14 zurück in den Vorratsbehälter 12 gepumpt werden kann und dort wiederum ein Auftauen von weiterem Reduktionsmittel 14 bewirkt. Dadurch kann die Auftauzeit verringert werden.
-
Eine Funktion der Druckablasseinrichtung 24, bestehend aus Rückführungsleitung 25 und erster Ventileinrichtung 23 besteht also allgemein darin, einen Druckabbau zu bewirken, wenn die Drucksensor- und/oder Temperatursensoreinrichtung 21 feststellt, dass der Druck zumindest in der Zuführungsleitung 15 zu hoch zu werden droht. Dabei kann auf eine spezielle Pumpeneinrichtung verzichtet werden, mit der das Reduktionsmittel 14 zurück in den Vorratsbehälter 12 gepumpt wird. Eine Pumpeneinrichtung 20, die demnach nur in eine Richtung pumpt, d. h. von dem Vorratsbehälter 12 zu der Dosiereinheit 20, ist ausreichend.
-
Durch den Einsatz der zweiten Ventileinrichtung 22 in dem Leitungsabschnitt 15' der Zuführungsleitung 15 kann zusätzlich die Eisdruckfestigkeit der Dosiervorrichtung 10 erheblich verbessert werden. Der Einfriervorgang der als Reduktionsmittel verwendeten wässrigen Harnstofflösung beginnt in der Regel bei der Dosiereinheit 16 und die entstehende Eissäule wächst entlang des Leitungsabschnittes 15'' in Richtung zur Pumpeneinrichtung 20 und zur Drucksensoreinrichtung 21. Selbst wenn der Leitungsabschnitt 15'' als flexibler Schlauch ausgeführt ist, besteht die Gefahr, dass es durch die Volumenzunahme der Harnstofflösung beim Einfrieren zu einer Zerstörung der genannten Komponenten kommen kann. Deshalb wird beim Abstellen des mit einer solchen Dosiervorrichtung für die Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahrzeuges das Ventil der zweiten Ventileinrichtung 22 geschlossen, so dass der sich einstellende Eisdruck von der zweiten Ventileinrichtung 22 ohne Schäden zu nehmen, aufgenommen werden kann und die restlichen Komponenten der Dosiereinrichtung 10, insbesondere die Pumpeneinrichtung 20 und die Drucksensoreinrichtung 21 wirkungsvoll geschützt sind.
-
Der Einsatz der ersten Ventileinrichtung 23 und der Rückführungsleitung 25 ist nicht nur auf die beschriebenen Fälle des Druckabbaues und des Vorbeugens von Einfrieren und des leichteren Auftauens des Reduktionsmittels 14 beschränkt.
-
Oftmals können in Kraftfahrzeugen aufgrund des begrenzt vorhandenen Bauraums die zur Speicherung des Reduktionsmittels eingesetzten Vorratsbehälter nur als relativ flache Behältnisse ausgebildet werden, d. h. Vorratsbehälter die bezogen auf deren Längen- und Breitenausdehnung nur eine geringe Höhe aufweisen. Insbesondere werden solche Vorratsbehälter für das Reduktionsmittel oftmals in der Reserveradmulde untergebracht. Bei solchen flachen Vorratsbehältern besteht aber die Gefahr, dass durch Schwappen des Reduktionsmittels, insbesondere beim Durchfahren von extremen Schlechtwegstrecken oder bei Auftreten von starken Beschleunigungs- und/oder Abbremsvorgängen, das Tankentnahmerohr nicht mehr vollständig in das Reduktionsmittel eintaucht und die Pumpeneinrichtung zur Förderung des Reduktionsmittels teilweise Luft oder ausschließlich Luft ansaugt.
-
Dadurch gelangen Luftblasen in die Pumpeneinrichtung 20 und insbesondere bei Verwendung einer Membranpumpe kann dann das Reduktionsmittel nicht mehr in ausreichender Menge oder wenn der Pumpenraum vollständig mit Luft gefüllt ist, überhaupt nicht mehr gefördert werden.
-
Während des Betriebes der Dosiervorrichtung 10 ist das Ventil der zweiten Ventileinrichtung 22 geöffnet und das Ventil der ersten Ventileinrichtung 23 geschlossen. Der Druck p in der Zuführungsleitung 15 stromabwärts der Pumpeneinrichtung 20 wird dabei ständig mittels der Drucksensoreinrichtung 21 überwacht. Fördert die Pumpeneinrichtung 20 nur noch kompressible Luft anstelle des inkompressiblen, flüssigen Reduktionsmittels, so fällt der Druck p ab und dieser Abfall des Druckes p wird von der Steuereinrichtung 26 ausgewertet. Erreicht er einen vorgegebenen Schwellenwert SW1, der in dem Datenspeicher 31 der Steuereinrichtung 26 abgelegt ist, so wird mittels eines elektrischen Signals der Steuereinrichtung 26 das Ventil der zweiten Ventileinrichtung 22 derart angesteuert, dass der Zufluss von der Pumpeneinrichtung 20 zu der Dosiereinheit 16 unterbrochen ist. Das Leitungsstück 15'' zwischen dem Ausgang der nun geschlossenen zweiten Ventileinrichtung 22 und der Dosiereinheit 16 stellt ein unter Druck stehendes Reservoir für das Reduktionsmittel 14 dar, so dass bei Bedarf weiterhin mittels der Dosiereinheit 16 Reduktionsmittel 14 in den Abgastrakt 17 eingebracht werden kann. In der Zwischenzeit sammelt sich die von der Pumpeneinrichtung 20 geförderte Luft in dem Speichervolumen, welches von dem Leitungsabschnitt 25', ausgehend von dem Abzweig 28 bis zu dem Eingang der ersten Ventileinrichtung 23 gebildet ist. Da die erste Ventileinrichtung 23 wie bereits erwähnt, auf einem, bezogen auf die Zuführungsleitung 15 räumlich höherem Niveau liegt und die Luft leichter ist als das flüssige Reduktionsmittel 14, steigen die Luftblasen in Richtung der Eingangsseite der ersten Ventileinrichtung 23 und sammeln sich dort in dem Leitungsabschnitt 25' der Zuführungsleitung 25, während das Reduktionsmittel 14 in der auf tieferem Niveau liegenden Zuführleitung 15 verbleibt.
-
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer wird mittels eines elektrischen Signals das Ventil der ersten Ventileinrichtung 23 derart angesteuert, dass nun über die Rückführleitung 25 eine Fließverbindung zwischen dem als Speichervolumen für die Luftblasen dienenden Leitungsabschnitt 25' und dem Vorratsbehälter 12 hergestellt ist. Dadurch kann die im Leitungsabschnitt 25' befindliche Luft in den Vorratsbehälter 12 zurückströmen. Die Zeitdauer, nach deren Ablauf die erste Ventileinrichtung 23 die Rückführleitung 25 freigibt, wird vorzugsweise experimentell durch Versuche ermittelt und hängt u. a. von den Geometrien der Zuführungsleitung 15, des Leitungsabschnittes 25' und damit der Größe des Speichervolumens 29 und der Leistung der Pumpeneinrichtung 20 ab. Während das Ventil der ersten Ventileinrichtung 23 geöffnet ist, wird mittels der Drucksensoreinrichtung 21 ständig der Druck p in der Zuführungsleitung 15 überwacht. Überschreitet der Druck p einen vorgegebenen Schwellenwert SW2, so wird festgestellt, dass wieder Druck durch die Pumpeneinrichtung 20 aufgebaut werden kann und das Ventil der ersten Ventileinrichtung 23 verschließt den Querschnitt der Rückführungsleitung 25, während das Ventil der zweiten Ventileinrichtung 22 den Fluss des Reduktionsmittels 14 hin zu der Dosiereinheit 16 wieder freigibt.
-
Ergibt die Druckmessung, dass der Schwellenwert SW2 nicht erreicht werden konnte, wird die Rückführungsleitung 25 mit Hilfe der ersten Ventileinrichtung 23 wieder geschlossen und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgt die Prüfung auf einen möglichen Druckaufbau erneut.
-
Alternativ kann das Wiedereinsetzen der Förderung des Reduktionsmittels 14 anstelle der Förderung von Luft auch durch Erfassen und Auswerten des von der Pumpeneinrichtung 20 aufgenommen, elektrischen Stromes mittels einer Stromerfassungseinrichtung 29 festgestellt werden, da sich die Höhe des aufgenommenen elektrischen Stromes bei Förderung von flüssigem Reduktionsmittel 14 deutlich unterscheidet von der Höhe des aufgenommenen elektrischen Stromes bei der Förderung von kompressibler Luft. Die Stromaufnahme ist bei der Förderung von Luft geringer als bei Förderung von Flüssigkeit. Bei Verwendung einer Membranpumpe mit Magnetantrieb als Pumpeneinrichtung 20 kann auch der zeitliche Verlauf des Ansteuerstromes ausgewertet werden.
-
Die Erfindung wurde anhand eines Beispiels erläutert, bei dem die einzelnen Komponenten der Dosiervorrichtung 10 aus Gründen der Übersichtlichkeit als separate Elemente dargestellt sind. Es ist aber auch möglich, mehrere der beschriebenen Komponenten zu einem einzigen oder zu mehreren Modulen zusammenzufassen, insbesondere das Filter 19, die Pumpeneinrichtung 20. die Drucksensoreinrichtung 21 und die Ventileinrichtungen 22, 23 auf einer gemeinsamen Trägerplatte zu integrieren.
