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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen von Reduktionsmittel in einem Reduktionsmittelbehälter einer in eine Abgasleitung geschalteten Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Heizen eines solchen Reduktionsmittels.
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Bei dem zunehmend in der Kraftfahrzeugtechnik zur Reduktion von Stickoxiden eingesetzten Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren) wird ein Reduktionsmittel wie Ammoniak oder Harnstoff als wässrige Lösung in den heißen Abgasstrom mittels eines Injektors oder einer Dosierpumpe eingespritzt. Der Harnstoff zersetzt sich in einer Hydrolysereaktion zu Ammoniak, das in einem nachgeschalteten Katalysator die Stickoxide reduziert.
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Dazu wird Harnstoff als wässrige Lösung in einem Vorratsbehälter vorgehalten. Problematisch ist dabei, dass die typischerweise in diesem Verfahren verwendete 32,5%ige wässrige Harnstofflösung bei Temperaturen von –11°C gefriert.
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Es sind verschiedene Ansätze bekannt, wie ein Einfrieren des Vorratsbehälters und der Leitungen verhindert werden kann. Eine Möglichkeit ist beispielsweise das Leerpumpen der Zuleitungen nach Abstellen des Motors.
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Aus der
DE 199 35 920 A1 ist es bekannt, den Vorratsbehälter durch ein die Abwärme der Brennkraftmaschine abführendes Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, zu beheizen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Bereitstellung des Reduktionsmittels in allen Betriebszuständen des Fahrzeugs sichergestellt und somit die Zuverlässigkeit des SCR-Verfahrens weiter verbessert werden kann.
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Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bereitstellung des Reduktionsmittels anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen eines Reduktionsmittels einer in eine Abgasleitung geschalteten Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine umfasst ein Heizelement, das über ein von der Abgasleitung abzweigendes Leitungssystem mit der Abgasleitung verbunden ist.
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Unter einer Verbindung des Heizelements mit der Abgasleitung wird hier und im Folgenden eine Anordnung verstanden, bei der das Heizelement durch das Leitungssystem mit heißen Abgas zur Erzielung der Heizwirkung versorgt wird.
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Gemäß einem der Erfindung zugrundliegenden Gedanken ist eine Beheizung des Reduktionsmittels vorteilhaft. Eine elektrische Beheizung beansprucht jedoch zuviel Leistung und erhöht den Kraftstoffverbrauch unnötig. Stattdessen sollte die ohnehin vorhandene Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt werden. Diese wird jedoch nicht über ein Kühlmittel, sondern direkt über das Abgas zum Reduktionsmittelbehälter transportiert.
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Die Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass Wärme zum Beheizen des Reduktionsmittels sofort nach Entstehen der Abwärme zur Verfügung steht. Ein zusätzlicher Wärmeübergang wie bei Nutzung der durch das Kühlmittel transportierten Abwärme ist nicht vorhanden. Die Beheizung des Reduktionsmittels ist damit auch schon sehr kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine möglich und damit dann, wenn sie besonders wichtig ist.
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In einer Ausführungsform umfasst das Leitungssystem eine von der Abgasleitung abzweigende Vorlaufleitung zur Zuführung von Abgas zum Heizelement und eine in die Abgasleitung mündende Rücklaufleitung zur Abführung von Abgas von dem Heizelement.
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Alternativ oder zusätzlich kann als Leitungssystem für den Transport von Abgas jedoch auch eine ohnehin vorhandene Zuleitung für Reduktionsmittel von dem Reduktionsmittelbehälter zur Abgasleitung vorgesehen sein.
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Derartige Zuleitungen, über die das Reduktionsmittel auch wieder zurückgesaugt wird, sind bei nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion arbeitenden Abgasnachbehandlungsanlagen ohnehin vorgesehen. Sie können insbesondere in der Zeit unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine für die Beheizung des Reduktionsmittels eingesetzt werden. Die derzeitige Gesetzeslage schreibt nämlich eine Zufuhr von Reduktionsmittel zum Abgas erst nach 20 Minuten vor. In der Zeit unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine wird die Zuleitung demzufolge noch nicht für den Transport von Reduktionsmittel benötigt. Gerade dies ist jedoch der Zeitraum, in dem eine Beheizung des Reduktionsmittels besonders wichtig ist.
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Diese Ausführungsform weist somit den Vorteil auf, dass sie keine zusätzlichen Leitungen erfordert, sondern das bereits vorhandene Leitungssystem optimal ausnutzt, in dem sie es zu unterschiedlichen Zeiten zu unterschiedlichen Zwecken einsetzt.
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Bei dieser Ausführungsform muss demnach zusätzlich zu den bekannten Systemen ohne Reduktionsmittelheizung lediglich das Heizelement zur Verfügung gestellt werden. Das Heizelement ist dabei derart ausgebildet, dass es genügend Fläche für einen Übergang von Wärme zwischen dem Abgas und dem Reduktionsmittel zur Verfügung stellt. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Zuleitung behälterseitig in ein Heizrohr mündet, das ein Heizelement ausbildet, indem es an der Behälterwand oder in dem Behälter mäanderförmig verlegt ist, bevor es in den Reduktionsmittelbehälter mündet. Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Zuleitung ist bei dieser Ausführungsform somit das mäanderförmig verlegte Heizrohr als Heizelement zwischengeschaltet.
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Ferner können auch in dieser Ausführungsform in der Zuleitung Mittel zur Steuerung und/oder Regelung des Transports von Abgas wie Ventile vorgesehen sein. Dabei muss jedoch sichergestellt sein, dass sowohl das Abgas als auch das Reduktionsmittel grundsätzlich in beide Richtungen durch die Zuleitung transportierbar sind.
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Es sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen das Leitungssystem lediglich eine, gleichzeitig als Vorlauf- und Rücklaufleitung für Abgas dienende zusätzliche Leitung umfasst.
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Das Heizelement umfasst in einer Ausführungsform Heizrohre, die in Kontakt mit einer Wand des Reduktionsmittelbehälters stehen. Es kann auch Heizrohre umfassen, die zumindest teilweise im Innern des Reduktionsmittelbehälters angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform beheizt das Heizelement auch eine Zuführleitung für Reduktionsmittel von dem Reduktionsmittelbehälter zur Abgasleitung. Hierzu kann die Zuführleitung in engem Kontakt mit einem Heizrohr stehen oder sogar in dessen Innerem geführt sein.
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In einer Ausführungsform sind in der Vorlaufleitung und/oder der Rücklaufleitung Mittel zur Kühlung und/oder Heizung des Abgases vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass eine Überhitzung des Reduktionsmittels, die zu seiner vorzeitigen Alterung führen würde, vermieden werden kann, gleichzeitig jedoch auch bereits kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine eine ausreichend hohe Abgastemperatur zur Verfügung steht. Vorteilhafterweise sind die Mittel zur Kühlung bzw. Heizung des Abgases steuerbar bzw. regelbar ausgebildet, so dass in jedem Betriebszustand eine geeignete Heizung des Reduktionsmittels erfolgen kann.
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In einer Ausführungsform umfassen die Mittel ein Expansionsventil, über das Abgas expandiert und somit abgekühlt wird. Dies hat den Vorteil, dass auf technisch einfache und sehr effektive Weise eine Kühlung des Abgases vorgenommen werden kann.
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Umgekehrt können die Mittel auch zum Heizen des Abgases einen Kompressor umfassen.
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Die Mittel zur Kühlung bzw. Heizung des Abgases können alternativ oder zusätzlich auch einen oder mehrere Wärmetauscher umfassen.
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In einer Ausführungsform ist der Wärmetauscher dadurch ausgebildet, dass Abschnitte der Vorlaufleitung und der Rücklaufleitung parallel zueinander und in engem Kontakt miteinander angeordnet sind, wobei die Strömungsrichtung des Abgases in der Vorlaufleitung gegenläufig zur Strömungsrichtung des Abgases in der Rücklaufleitung ist. Bei dieser Ausführungsform wird das in der Vorlaufleitung geführte heiße Abgas durch das kühlere in der Rücklaufleitung gekühlt.
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In einer Ausführungsform ist in dem Leitungssystem ein steuerbares Ventil angeordnet, über das der Zustrom von Abgas zum Heizelement kontrolliert werden kann.
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Das steuerbare Ventil ist durch ein Steuergerät ansteuerbar, dem als Eingangsgrößen Messwerte für die Reduktionsmitteltemperatur und/oder die Außentemperatur und/oder die Abgastemperatur und/oder die nach einem Start der Brennkraftmaschine vergangene Zeit zugeführt werden.
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Diese Steuerung hat den Vorteil, dass eine ausreichende Heizung bei Vermeidung einer Überhitzung des Reduktionsmittels sichergestellt ist, da die Temperatur des Abgases im Heizelement in weiten Bereichen geregelt werden kann.
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Die Vorrichtung zum Beheizen des Reduktionsmittels ist besonders geeignet für Fahrzeuge, insbesondere für Dieselfahrzeuge, die zur Verminderung von Stickoxidemissionen das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion anwenden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Beheizen eines Reduktionsmittels in einem Reduktionsmittelbehälter einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine bereitgestellt, wobei das im Reduktionsmittelbehälter vorgehaltene Reduktionsmittel durch die über das Abgas transportierte Abwärme der Brennkraftmaschine beheizt wird.
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Dabei wird in einer Ausführungsform das Abgas über eine von der Abgasleitung abzweigende Vorlaufleitung zu einem Heizelement des Reduktionsmittelbehälters geführt und über eine in die Abgasleitung mündende Rücklaufleitung von dem Heizelement abgeführt.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Abgas auch über eine Zuleitung für Reduktionsmittel von dem Reduktionsmittelbehälter zur Abgasleitung zu einem Heizelement des Reduktionsmittelbehälters geführt und von diesem abgeführt werden.
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In einer Ausführungsform wird die Zuführung von Abgas zum Heizelement abhängig von der Reduktionsmitteltemperatur und/oder der Außentemperatur und/oder der Abgastemperatur und/oder der nach einem Start der Brennkraftmaschine vergangenen Zeit gesteuert oder geregelt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dem Abgas vor dem Heizelement durch dafür vorgesehene Mittel Wärme entzogen oder zugeführt, um die Temperatur des Abgases und damit seine Heizwirkung an den momentanen Heizbedarf anzupassen. Dies hat den Vorteil, dass eine Überhitzung des Reduktionsmittels vermieden werden kann, gleichzeitig jedoch ausreichend Wärme zur Heizung des Reduktionsmittels zur Verfügung steht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Abwärme der Brennkraftmaschine effektiv zur Heizung des Reduktionsmittels genutzt wird. Ein erhöhter Energieverbrauch durch beispielsweise eine elektrische Heizung kann somit vermieden werden. Es können vorhandene Leitungen, Sensoren sowie Steuerungen genutzt werden. Insbesondere bei der Steuerung und der Regelung der Beheizung kann auf die ohnehin vorhandene Sensorik zurückgegriffen werden. Dies bewirkt eine Einsparung an Komponenten und damit eine Kosten- und Gewichtsreduktion der gesamten Vorrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Heizen eines Reduktionsmittelbehälters einer in eine Abgasleitung geschalteten Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
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2 zeigt eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Heizen eines Reduktionsmittelbehälters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die schematische Darstellung gemäß 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, der mittels einer Frischluftleitung 2 zur Verbrennung benötigte Frischluft zugeführt wird. Eine Abgasleitung 3 führt entstandenes Abgas zu einer einen Abgaskatalysator 5 umfassenden Abgasnachbehandlungsanlage 4.
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Zur Reduktion von Stickoxidemissionen sind Einrichtungen zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion vorgesehen. In einem Reduktionsmittelbehälter 6 wird eine wässrige Lösung aus Harnstoff vorgehalten. Der Reduktionsmittelbehälter 6 ist über eine Zuleitung 7, in die eine Pumpe 8 geschaltet ist, mit der Abgasleitung 3 verbunden und mündet in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgaskatalysator 5 in die Abgasleitung 3.
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Am Reduktionsmittelbehälter 6 ist ein Heizelement 11 angeordnet. Das Heizelement 11 weist nicht näher dargestellte Heizrohre auf, die teilweise in dem Reduktionsmittelbehälter 6 verlaufen und mit seinen Wänden in Kontakt stehen. Die Heizrohre des Heizelements 11 sind über ein Leitungssystem 17, das eine Vorlaufleitung 12 und eine Rücklaufleitung 13 umfasst, mit der Abgasleitung 3 verbunden. Die Vorlaufleitung 12 und die Rücklaufleitung 13 münden in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgaskatalysator 5 in die Abgasleitung 3. In die Vorlaufleitung 12 ist ein steuerbares Ventil 14 geschaltet.
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Ein Steuergerät 9 ist über eine Steuerleitung 18 mit dem Ventil 14 verbunden. Über eine weitere Steuerleitung 10 ist es mit der Pumpe 8 verbunden. Das Steuergerät 9 erhält als Eingangsgrößen unter anderem Messwerte eines am Reduktionsmittelbehälter 6 angebrachten Temperatursensors 15 und eines Füllstandssensors 16 sowie Messwerte für die Außentemperatur, die Abgastemperatur und die nach einem Start der Brennkraftmaschine vergangene Zeit von weiteren Sensoren 19, 20, 21.
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Im Betrieb wird beim Start der Brennkraftmaschine 1 Frischluft durch die Frischluftleitung 2 für die Verbrennung angesaugt und es entsteht ein Abgas, das über die Abgasleitung 3 abgeführt wird. Das Abgas transportiert dabei Abwärme der Brennkraftmaschine 1. Über die Pumpe 8 wird Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmittelbehälter 6 entnommen und in die Abgasleitung 3 eingespritzt. Hierzu muss sichergestellt sein, dass flüssiges Reduktionsmittel vorliegt.
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Dazu wird in Abhängigkeit von der Reduktionsmitteltemperatur, der Außentemperatur, der Abgastemperatur und der nach dem Start der Brennkraftmaschine vergangenen Zeit durch das Heizelement 11 das Reduktionsmittel im Reduktionsmittelbehälter 6 durch die mit dem Abgas transportierte Abwärme beheizt.
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Über die Steuerleitung 18 erfolgt die Ansteuerung des Ventils 14, über das heißes Abgas durch die Vorlaufleitung 12 zum Heizelement 11 strömt. Das Ventil 14 ist dabei gleichzeitig als Expansionsventil ausgebildet, so dass sich das heiße Abgas beim Durchströmen entspannt und etwas abkühlt. In den Heizrohren des Heizelements 11 gibt das Abgas einen Teil seiner Wärme an das Reduktionsmittel ab, strömt durch die Rücklaufleitung 13 ab und wird wieder in die Abgasleitung 3 eingespeist.
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Um je nach Betriebszustand stets flüssiges, jedoch nicht überhitztes Reduktionsmittel vorliegen zu haben, wird das Ventil 14 und damit die zum Heizelement transportierte Wärmemenge durch das Steuergerät 9 gesteuert bzw. geregelt.
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2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Heizen eines Reduktionsmittels gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten ersten durch die Ausbildung des Leitungssystems 17. Das Leitungssystem 17 gemäß 2 ist durch die Zuführleitung 7 gebildet, die dementsprechend nicht nur zur Zufuhr (und Abfuhr) von Reduktionsmittel, sondern auch zum Transport von Abgas zum Heizen des Reduktionsmittels genutzt wird.
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Das Heizelement 11 steht demnach bei dieser Ausführungsform in Verbindung mit der Zuführleitung 7. Es kann beispielsweise als Leitungsschleife ausgebildet sein, die an der Wand des Reduktionsmittelbehälters 6 verlegt ist.
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Bei dieser Ausführungsform wird die Zuführleitung 7 unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine 1 zum Transport von Abgas zum Heizelement 11 verwendet. Nach dieser Anfangsperiode ist das Reduktionsmittel ausreichend erwärmt und die Zuführleitung 7 wird, den gesetzlichen Vorschriften entsprechend, zum Transport von Reduktionsmittel eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Frischluftleitung
- 3
- Abgasleitung
- 4
- Abgasnachbehandlungsanlage
- 5
- Abgaskatalysator
- 6
- Reduktionsmittelbehälter
- 7
- Zuleitung
- 8
- Pumpe
- 9
- Steuergerät
- 10
- Steuerleitung
- 11
- Heizelement
- 12
- Vorlaufleitung
- 13
- Rücklaufleitung
- 14
- Ventil
- 15
- Temperatursensor
- 16
- Füllstandsensor
- 17
- Leitungssystem
- 18
- Steuerleitung
- 19
- Sensor
- 20
- Sensor
- 21
- Sensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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