DE102009055716A1 - Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem - Google Patents

Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem zur Entnahme eines Reduktionsmittels aus dem Reduktionsmitteltank und zur Beförderung des Reduktionsmittels zu einem SCR-Katalysator in einem Abgasstrang. Um auf einfache und sichere Art eine Aussage über die Qualität des zur Abgasreinigung verwendeten Reduktionsmittels zu treffen, ist in dem Tankentnahmesystem ein Sensor angeordnet, der die Qualität des Reduktionsmittels überprüft.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem zur Entnahme eines Reduktionsmittels aus dem Reduktionsmitteltank und zur Beförderung des Reduktionsmittels zu einem SCR Katalysator in einem Abgasstrang.
  • Zur Reduzierung von Stickoxidemissionen von Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik Abgasbehandlungseinheiten bekannt, bei denen ein Reduktionsmittel (Harnstoffwasserlösung), das in einem Reduktionsmitteltank gespeichert ist, dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Gerade mit Dieselkraftstoff betriebene Kraftfahrzeuge verursachen eine erhöhte Stickoxid (NOx) Immission, die mit Hilfe der Reduktionsmitteleinspritzung in den Abgasstrang reduziert werden kann. Zur Verringerung der Stickoxidemission wird hierbei das sogenannte Selektiv-Catalytic-Reduction (SCR) Verfahren eingesetzt. Da das Reduktionsmittel durch das Eindüsen in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine im Bereich eines SCR-Katalysators über längere Sicht verbraucht wird, muss von Zeit zu Zeit frisches Reduktionsmittel in den Reduktionsmitteltank nachgefüllt werde. Die Reduktion von Stickoxiden (NOx) ist dabei nur möglich, wenn die Harnstoff-Lösung eine genügend hohe Qualität aufweist und nicht verunreinigt ist. Verunreinigungen können zum Beispiel durch den Eintrag von Öl oder Dieselkraftstoff in den Reduktionsmitteltank entstehen. Reduktionsmittel sind in diesem Zusammenhang in der Regel Harnstoff-Wasserlösungen mit einer bestimmten Qualität, d. h. einem bestimmten Mischungsverhältnis zwischen Harnstoff und Wasser. Diese Harnstoff-Wasserlösungen sind unter dem Handelsnamen AdBlue, Urea, Denoxium und AUS 32 bekannt.
  • Eine ausreichende Reduktion von Stickoxid ist also nur möglich, wenn die Reduktionsmittellösung eine genügend hohe Qualität aufweist. Bei der Befüllung des Reduktionsmitteltankes mit einer Reduktionsmittellösung minderer Qualität ist dagegen eine Reduktion der Stickoxide im Abgas der Brennkraftmaschine nicht ausreichend sichergestellt. Auf Grund gesetzlicher Vorschriften müssen Fahrzeuge moderner Bauart eine On-Board-Diagnoseeinheit aufweisen, die sämtliche abgasrelevanten Systeme des Fahrzeuges überwacht (OBD2). Bei Befüllung des Reduktionsmitteltankes mit einer Reduktionsmittellösung minderer Qualität oder bei Verunreinigungen der Reduktionsmittels wird durch eine On-Board-Diagnoseeinheit ein allgemeiner Fehler der Abgasbehandlungseinheit erfasst.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einen Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem anzugeben, mit dem auf einfache und sichere Art eine Aussage über die Qualität des zur Abgasreinigung verwendeten Reduktionsmittels getroffen werden kann.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung und der Zeichnung.
  • Durch die Anordnung eines Sensors, der die Qualität des Reduktionsmittels überprüft, in dem Tankentnahmesystem, ist durchgehend gewährleistet, dass die Verunreinigungen weitgehend homogen im entnommenen Reduktionsmittel verteilet sind. Bei der Lagerung des Reduktionsmittels im Tank kann es nämlich vorkommen, dass zum Beispiel eine Ölansammlung auf dem Reduktionsmittel schwimmt, was dazu führen würde, dass im Reduktionsmitteltank angeordnete Sensoren zur Überprüfung der Qualität des Reduktionsmittels eine ausreichend hohe Reduktionsmittelqualität feststellen, weil sich zum Beispiel die Leitfähigkeit des Reduktionsmittels im Reduktionsmitteltank durch die konzentrierte Ölansammlung kaum oder gar nicht verändert hat. Dennoch besteht die Gefahr, dass das Tankentnahmesystem früher oder später die unerkannte Ölansammlung ansaugt und zum SCR Katalysator transportiert. Wenn dann das Öl in den SCR Katalysator eingedüst wird, würde es zur Zerstörung des SCR Katalysators kommen, was teure Reparaturmaßnahmen an der Abgasanlage des Fahrzeuges zur Folge hätte. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung eines Sensors, der die Qualität des Reduktionsmittels überprüft und der in dem Tankentnahmesystem angeordnet ist, wird sichergestellt, dass fortwährend das gerade entnommene Reduktionsmittel auf seine Qualität hin überprüft wird und damit wird der SCR Katalysator effektiv vor Beschädigungen durch Eindüsungen falscher Substanzen geschützt. Aus der Erfindung ergibt sich ein nicht unwesentlicher Beitrag zum Schutze unserer Umwelt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist der Sensor als Sensor zur Messung der Leitfähigkeit des Reduktionsmittels ausgebildet. Die Leitfähigkeit des Reduktionsmittels ist relativ hoch und kann einfach und kostengünstig erfasst werden. Öl zum Beispiel hat eine völlig andere Leitfähigkeit, die sofort von dem in dem Tankentnahmesystem angeordneten Leitfähigkeitsensor erkannt werden würde. Damit kann sichergestellt werden, dass ausschließlich qualitativ hochwertiges Reduktionsmittel in den SCR Katalysator eingedüst wird. Zur Unterscheidung der Erfindung vom Stand der Technik sei hier deutlich darauf hingewiesen, dass ein im Reduktionsmitteltank angeordneter Leitfähigkeitssensor höchstwahrscheinlich eine Verunreinigung des Reduktionsmittels durch eine Ölansammlung gar nicht erkennen würde, weil die Gesamtleitfähigkeit des Reduktionsmittels durch die Ölansammlung nicht wesentlich beeinflusst werden würde. Das Extrahieren der Ölansammlung aus dem Reduktionsmitteltank und das Eindüsen des Öls in den SCR Katalysator hätte aber fatale Folgen für den SCR Katalysator. Dies kann nur der erfindungsgemäß angeordnete Sensor und insbesondere der erfindungsgemäß angeordnete Sensor zur Messung der Leitfähigkeit des Reduktionsmittels verhindern.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden die Signale des Sensors von einem Steuergerät ausgewertet, wobei das Steuergerät beim Erkennen einer minderen Reduktionsmittelqualität die Beförderung des Reduktionsmittels zu dem SCR Katalysator unterbricht. Hiermit wird sichergestellt, dass in den SCR Katalysator ausschließlich Reduktionsmittel von hoher Qualität eingedüst wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 6 mit Kraftstoffeinspritzdüsen 29 und mit einem Abgasstrang 7. Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, erzeugen eine nicht unerhebliche Menge von umweltschädlichen Stickoxyden NOx. Die von der Brennkraftmaschine 6 abgegebenen Stickoxyde NOx werden mit dem Abgas 23 über den Abgasstrang 7 an die Umwelt abgegeben, wenn nicht geeignete Maßnahmen zur Reduktion der Stickoxyde NOx im Abgasstrang getroffen werden.
  • Zur Abgasreinigung zeigt der Abgasstrang ein System aus Katalysatoren. Zunächst ist ein Oxidationskatalysator 8 vorgesehen, der von einem sogenannten SCR-Katalysator zum Abbau der im Abgas enthaltenen Stickoxyde NOx gefolgt wird. SCR steht hier als Abkürzung Selective Catalytic Reduction. Im SCR-Katalysator 9 findet die Umwandlung der Stickoxyde NOx in harmlosen Stickstoff N2 und Wasser H2O statt. Dazu wird über die Düse 10 eine Harnstoffwasserlösung, die auch als Reduktionsmittel 2 bezeichnet wird, in den SCR-Katalysator 9 eingespritzt. Das Reduktionsmittel 2 reagiert dann mit den Stickoxyden NOx in die harmlosen Bestandteile H2O und N2.
  • Zur optimalen Reaktion zwischen NOx und der Harnstofflösung muss eine der NOx-Konzentration im Abgas 23 angepasste Harnstoffmenge über die Düse 10 in den SCR-Katalysator 9 eingedüst werden. Keinesfalls dürfen Verunreinigungen wie zum Beispiel Öl von dem Entnahmerohr 4 angesaugt werden und in den SCR Katalysator eingedüst werden. Dazu ist es wichtig, die genaue Zusammensetzung des Reduktionsmittels 2 aus Wasser und Harnstoff zu kennen. Da nur geringe Mengen Reduktionsmittel 2 in den SCR-Katalysator eingedüst werden müssen, und eine häufige Betankung eines Kraftfahrzeuges mit Reduktionsmittel 2 vermieden werden soll, verbleibt eine bestimmte Menge des Reduktionsmittels 2 über einen langen Zeitraum im Reduktionsmitteltank 1. Im Reduktionsmitteltank 1 kann das Reduktionsmittel 2 mit der Zeit altern, wobei sich beispielsweise organische Substanzen im Reduktionsmittel 2 niederschlagen oder das Reduktionsmittel auf Grund niedriger Temperaturen (unter –11°C) zeitweise einfriert und eventuell dadurch seine Zusammensetzung und Qualität verliert. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der Reduktionsmitteltank 1 vorsätzlich oder fahrlässig mit einem minderwertigen Reduktionsmittel 2 oder gar mit anderen Medien, zum Beispiel Öl, betankt wird. Wenn die Qualität des Reduktionsmittels 2 auf Grund solcher Ereignisse vermindert wird, muss dies festgestellt werden, um weiterhin für eine optimale Reinigung des Abgases 23 sorgen zu können und den SCR Katalysator 9 zu schützen. Bei einer verringerten Harnstoffkonzentration im Reduktionsmittel 2 müsste beispielsweise eine erhöhte Menge Reduktionsmittel 2 in den SCR-Katalysator 9 eingedüst werden. Wenn auf Grund einer kompletten Fehlbetankung des Reduktionsmitteltanks 1 überhaupt keine sinnvolle Reinigung des Abgases 3 von NOx mehr möglich ist, muss ein entsprechendes Fehlersignal im Cockpit des Fahrzeugsführers erscheinen und/oder ein entsprechender Eintrag muss im Fehlerspeicher der On-Board-Diagnoseeinheit (OBD) niedergelegt werden. Darüber hinaus ist in 1 der Einfüllstutzen 3 des Reduktionsmitteltanks 1 zu erkennen, der mit einem Tankdeckel 5 verschlossen ist.
  • Zur Überwachung des Reduktionsmittels zeigt 1 eine Vielzahl von Sensoren. Im Reduktionsmitteltank 1 ist ein Temperatursensor 17 und ein Füllstandssensor 21 zu erkennen. Mit dem Temperatursensor 17 kann ständig die Temperatur des im Reduktionsmitteltank 1 vorhandenen Reduktionsmittels 2 erfasst werden. Insbesondere kann mit dem Temperatursensor 17 festgestellt werden, ob das Reduktionsmittel 2 im Reduktionsmitteltank 1 eingefroren ist oder in flüssigem Zustand vorliegt. Der Füllstandssensor 21 ermöglicht es, über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine 6 den Füllstand des Reduktionsmittels 2 im Reduktionsmitteltank 1 zu messen. Alle erfassten Daten zum Zustand des Reduktionsmittels 2 werden in einem elektrischen Speicher 25 zu hinterlegen. Zudem ist am Reduktionsmitteltank 1 ein Ultraschallsender/-empfänger zu erkennen, mit dem die Schallgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle einer bestimmten Frequenz des im Reduktionsmitteltank 1 befindlichen Reduktionsmittels 2 bestimmt werden kann. Dazu ist es vorteilhaft, eine Reflektorfläche 27 in einem vorbestimmten Abstand d vor dem Ultraschallsender 20 zu montieren. Da der Abstand d zwischen dem Ultraschallsender/-empfänger 20 bekannt ist, und die Wellenlänge des vom Ultraschallsender 20 ausgesendeten Ultraschallpulses auch bekannt ist, kann die Schallgeschwindigkeit des Ultraschallpulses im Reduktionsmittel 2 bestimmt werden. Mit dieser Ultraschallgeschwindigkeit im Reduktionsmittel 2 können Informationen über die Qualität und die Zusammensetzung des Reduktionsmittels 2 im Reduktionsmitteltank 1 gewonnen werden. Die Ultraschallgeschwindigkeit eines Ultraschallpulses mit einer bestimmten Frequenz in reinem Wasser unterscheidet sich dabei deutlich von der Ultraschallgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle mit einer bestimmten Frequenz in einer zwanzig, fünfzig oder neunzig prozentigen Reduktionsmittellösung. Bestimmte Qualitätsdefizite des Reduktionsmittels 2 können jedoch mit den bisher beschriebenen Sensoren nicht oder nur unzureichend erfasst werden. Die in dem Reduktionsmitteltank 1 dargestellte Ölansammlung 30 kann zum Beispiel nicht von den bisher beschriebenen Sensoren festgestellt werden. Würde dieses Öl 30 von dem Tankentnahmesystem angesaugt werden, ohne dass diese Ölansaugung erkannte werden würde, wäre ein fataler Schaden am SCR Katalysator 9 unvermeidbar.
  • Um dies zu verhindern ist im Reduktionsmitteltank 1 ein Entnahmerohr 4 zu erkennen, das mit einem Rohr 24 zu einem Filter 14 und einer Pumpe 13 führt, die das Reduktionsmittel 2 aus dem Reduktionsmitteltank 1 über ein SCR-Ventil 11 zur SCR-Düse 10 im SCR-Katalysator pumpt. Die Einheit aus dem Entnahmerohr 4, dem Rohr 24, dem Filter 14, der Pumpe 13, dem Rücklaufventil 12, dem SCR Ventil 11 und dem Rücklaufrohr 28 bildet das Tankentnahmesystem. Mit dem SCR-Ventil 11 kann die Menge des eingespritzten Reduktionsmittels 2 reguliert werden. Dazu ist das SCR-Ventil 11 elektrisch mit der SCR-Steuereinheit 15 verbunden. Die SCR-Steuereinheit 15 steuert damit das SCR-Ventil 11 an. Dazu hält die SCR-Steuereinheit 15 eine Vielzahl von Signalen von den folgenden Sensoren:
    • – NOx-Sensoren 18, die im Abgasstrang 7 direkt hinter der Brennkraftmaschine 6 oder zwischen dem Oxidationskatalysator 8 und dem SCR-Katalysator 9 und/oder hinter dem SCR-Katalysator 9 am Ausgang des Abgasstranges 7 angeordnet sind,
    • – Temperatursensoren 17, die ihrerseits direkt hinter der Brennkraftmaschine 6 und/oder hinter dem Oxidationskatalysator 8 und/oder im SCR-Katalysator 9 und/oder hinter dem SCR-Katalysator 9 angeordnet sind,
    • – Leitfähigkeitsensoren 22, die im Entnahmerohr 4 und/oder im Rohr 24 angeordnet sind,
    • – Ultraschallsender und -empfänger 20, die im oder am Reduktionsmitteltank 1 angeordnet sind,
    • – Füllstandssensor(en) 21, der(die) im Reduktionsmitteltank 1 angeordnet ist(sind).
  • All diese Sensoren liefern ihre Signale der SCR-Steuereinheit 15, die ihrerseits einen elektronischen Speicher 25 beinhaltet, in dem all die gelieferten Signale über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine aufgezeichnet werden.
  • Zum Schutze des SCR Katalysators 9 sind die Leitfähigkeitsensoren 22, die im Entnahmerohr 4 und/oder im Rohr 24 angeordnet sind, von besonderer Bedeutung. Mit diesen Leitfähigkeitsensoren 22 kann das Ansaugen von Verschmutzungen, wie zum Beispiel das Ansaugen von Öl 30, effektiv erkannt werden.
  • Wenn eine solche Verschmutzungsansaugung erkannt wird, kann das Steuergerät 15 schützend eingreifen. Dazu wird zum Beispiel das SCR-Ventil 11 geschlossen und/oder das Rücklaufventil 12 so eingestellt, dass die von der von der Pumpe 13 durch das Entnahmerohr 4 angesaugte Verschmutzung (z. B. Öl 30) über das Rücklaufrohr 28 zurück in den Reduktionsmitteltank 1 befördert wird.
  • Darüber hinaus erhält das Steuergerät 16 der Brennkraftmaschine auch Informationen von der SCR-Steuereinheit 15, mit denen die Brennkraftmaschine entsprechend der Reduktionsmittelqualität und der im Reduktionsmittel 2 erkannten Verschmutzungen angesteuert werden kann. Es ist z. B. denkbar, dass nach dem Nachfüllen von reinem Wasser in den Reduktionsmitteltank 1 die Qualität des Reduktionsmittels 2 derart abgesunken ist, dass eine Abgasnachbehandlung und die entsprechende Reduktion des NOx nicht mehr ausreichend sichergestellt werden kann. In einem solchen Fall erfolgt zum einen ein Eintrag in einem Fehlerspeicher der On-Board-Diagnoseeinheit des Fahrzeuges und zum anderen kann die Brennkraftmaschine 6 über die Steuereinheit 16 der Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand gefahren werden, in dem möglichst wenig NOx produziert wird. Das dies zu Lasten der maximalen Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine 6 führen kann, wäre eine möglicherweise gewollte Konsequenz, da der Fahrzeugführer auf Grund des Leistungsverlustes der Brennkraftmaschine gezwungen wäre, eine entsprechende Reparaturwerkstatt aufzusuchen, die dafür sorgt, dass im Reduktionsmitteltank 1 ein Reduktionsmittel 2 mit ausreichender Qualität zur Verfügung steht. Auch wenn eine Verschmutzung des Reduktionsmittels 2 durch Öl 30 erkannt wurde, kann die Brennkraftmaschine von der Steuereinheit 16 in einen Zustand gefahren werden, in dem möglichst wenig NOx erzeugt wird. Damit wäre eine umweltgerechte Nachbehandlung des Abgases 23 im Abgasstrang 7 zu jederzeit sichergestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • d
    Abstand zwischen Ultraschallsender/-empfänger und Reflektorfläche
    1
    Reduktionsmitteltank
    2
    Reduktionsmittel
    3
    Einfüllstutzen
    4
    Entnahmerohr
    5
    Tankdeckel
    6
    Brennkraftmaschine
    7
    Abgasstrang
    8
    Oxidationskatalysator
    9
    SCR-Katalysator
    10
    Düse
    11
    SCR-Ventil
    12
    Rücklaufventil
    13
    Pumpe
    14
    Filter
    15
    SCR-Steuereinheit
    16
    Steuereinheit der Brennkraftmaschine
    17
    Temperatursensor
    18
    NOx-Sensor
    19
    Entnahmeeinheit
    20
    Ultraschallsender/-empfänger
    21
    Füllstandssensor
    22
    Leitfähigkeitssensor
    23
    Abgas
    24
    Rohr
    25
    elektronischer Speicher
    26
    Ultraschallwellen
    27
    Reflektorfläche
    28
    Rücklaufrohr
    29
    Kraftstoffeinspritzdüsen
    30
    Öl

Claims (3)

  1. Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem zur Entnahme eines Reduktionsmittels aus dem Reduktionsmitteltank und zur Beförderung des Reduktionsmittels zu einem SCR Katalysator in einem Abgasstrang, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tankentnahmesystem ein Sensor angeordnet ist, der die Qualität des Reduktionsmittels überprüft.
  2. Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Sensor zur Messung der Leitfähigkeit des Reduktionsmittels ausgebildet ist.
  3. Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale des Sensors von einem Steuergerät ausgewertet werden, wobei das Steuergerät beim Erkennen einer minderen Reduktionsmittelqualität die Beförderung des Reduktionsmittels zu dem SCR Katalysator unterbricht.
DE102009055716A 2009-11-26 2009-11-26 Reduktionsmitteltank mit einem Tankentnahmesystem Ceased DE102009055716A1 (de)

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