DE102010030388B4

DE102010030388B4 - Dosiersystem für ein Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE102010030388B4
Application number: DE102010030388.7A
Authority: DE
Inventors: Georgios Lolas; Godehard Nentwig; Okke Venekamp; Tobias Hoeffken
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: DE102010030388A1

Abstract

Dosiersystem für ein Reduktionsmittel, das in eine Abgasleitung (1) einer Brennkraftmaschine stromaufwärts eines SCR-Katalysators (2) einleitbar ist, wobei ein Vorratstank (3) für Reduktionsmittel über eine Leitung (4), in die eine Förderpumpe (5) eingeschaltet ist, mit einem abgasleitungsnah angeordneten Dosierventil (6) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leitung (4) eine Kapillarsperre (9) eingeschaltet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem für ein Reduktionsmittel, das in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine stromaufwärts eines SCR-Katalysators einleitbar ist, wobei ein Vorratstank für Reduktionsmittel über eine Leitung, in die eine Förderpumpe eingeschaltet ist, mit einem abgasleitungsnah angeordneten Dosierventil verschaltet ist.
In dem nachveröffentlichten Stand der Technik DE 10 2010 028 863 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduktion von Stickoxiden in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors offenbart. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Vorratstank mit eine Harnstoff-Wasser-Lösung, welche über ein Dosiermodul in den Abgasstrom eingebracht wird.
Ein weiteres Dosiersystem ist aus der DE 10 2008 041 903 A1 bekannt. Speziell werden in diesem Dokument ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei im Abgas enthaltene Stickoxide unter nachmotorischer Zufuhr eines Hilfsmittels reduziert werden. Das Hilfsmittel ist eine wässrige Lösung eines Wirkstoffs oder einer Vorläufersubstanz eines Wirkstoffs zur Reduktion von Stickoxiden, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, sowie eine Zusatzflüssigkeit, wobei die Zusatzflüssigkeit einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als die wässrige Lösung. Die Brennkraftmaschine wird weiterhin aus einem ausschließlich mit Kraftstoff betankten Kraftstoffbehälter mit Kraftstoff versorgt. Durch das Verfahren und die Vorrichtung soll ein Gefrieren des Hilfsmittels zur Reduktion von Stickoxiden vermieden werden, ohne aufwendige Maßnahmen zur Separation von miteinander vermischten Flüssigkeiten an Bord eines Kraftfahrzeugs vorsehen zu müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein derartiges Dosiersystem hinsichtlich einer Eisdruckrobustheit weiter zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in die Leitung, die den Vorratstank für das Reduktionsmittel mit dem abgasnah angeordneten Dosierventil verschaltet, eine Kapillarsperre eingeschaltet ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass in einem solchen Dosiersystem nach dem Abstellen des Systems durch Öffnen eines Entlastungsventils das Reduktionsmittel unter Ausnutzung der Trägheit der Flüssigkeitssäule aus dem Dosiersystem, insbesondere dem Dosierventil in die Leitung zurückgesaugt wird. In einem solchen teilentleerten System besteht aber das Risiko, dass die im Dosierventil befindliche Luft durch Leckage am Ventilsitz des Dosierventils wieder in die Abgasleitung entweicht und Reduktionsmittel aus dem Vorratstank zurück in das zuvor entleerte Dosierventil gefördert wird. Dadurch ist die durch das Rücksaugen angestrebte Eisdruckrobustheit des Dosiersystems nicht mehr gegeben. Durch die Einschaltung einer Kapillarsperre in die Leitung wird das Rücklaufen von Reduktionsmittel in das Dosierventil vermieden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Kapillarsperre nur gegenüber einen sehr geringen Druck in den Dosiersystem wirksam sein muss, während sie im normalen Betrieb durch den dann herrschenden und von der Förderpumpe aufgebauten Druck außer Betrieb gesetzt wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Kapillarsperre dosierventilnah in die Leitung eingeschaltet. Die Kapillarsperre ist deshalb dosierventilnah in die Leitung eingeschaltet, um die von Reduktionsmittel zu entleerende Leitungslänge gering zu halten. In bevorzugter weiterer Ausgestaltung ist die Kapillarsperre aber direkt in das Dosierventil integriert. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar, da dann nur ein einziges Bauteil, das mehrere Funktionen umfasst, in die Leitung eingebaut werden muss.
Grundsätzlich kann die Kapillarsperre bei einer sichergestellten Erfüllung ihrer Aufgabe beliebig aufgebaut sein, weist aber in Weiterbildung der Erfindung eine hydrophile und eine hydrophobe Schicht auf. Eine solche Ausgestaltung stellt einen bekannten und zuverlässigen Aufbau einer Kapillarsperre dar.
Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die hydrophobe Schicht dem Dosierventil zugewandt und in weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die hydrophile Schicht aus einem metallischen Werkstoff, der wiederum in weiterer Ausgestaltung ein mit lasergebohrten Löchern versehenes Blech oder ein engmaschiges Edelstahlsieb ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Lochdurchmesser oder die Maschenweite nach der Beziehung r = (2 · σ · cos(φ)) / Δp bestimmt. Hierbei ist r der Radius des Lochs, σ die Oberflächenspannung von dem Reduktionsmittel, die beispielsweise bei einer Harnstofflösung (Handelsname Adblue) bei 70 mN/m liegt. Φ ist der Kontaktwinkel zwischen dem Reduktionsmittel und der hydrophilen Oberfläche, wobei dieser Winkel beispielsweise bei Edelstahl 45° beträgt und Δp ist der zu erreichende Differenzdruck. Somit ergibt sich beispielhaft für einen angestrebten Differenzdruck von 50 mbar ein notwendiger maximaler Bohrungsdurchmesser von 20 µm. Während für das hydrophile Material - wie ausgeführt - Edelstahl ein geeignetes Material ist, ist für das hydrophobe Material die Verwendung von PTFE möglich. Als Fertigungsverfahren ist das Laserbohren von Löchern in ein beschichtetes Blech anwendbar. Alternativ ist die Verwendung eines Edelstahlsiebes mit einer Maschenweite von beispielsweise 20 µm und das Lackieren dieses Edelstahlsiebs auf der hydrophoben Seite. Dabei ist selbstverständlich dafür zu sorgen, dass der Durchgang durch das Edelstahlsieb beispielsweise durch Ausblasen mit Luft gewährleistet bleibt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Dosiersystem mit einer Kapillarsperre,
2 den prinzipiellen Aufbau der Kapillarsperre,
3 eine Detailansicht der Phasengrenze an der Kapillarsperre und
4 eine Detailansicht der Phasengrenze in einer nichtfunktionsfähigen Kapillarsperre ohne eine hydrophobe Schicht.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Das bei der Verbrennung von Kraftstoff und Verbrennungsluft einer insbesondere mit einem Dieselkraftstoff betriebenen selbstzündenen Brennkraftmaschine entstandene Abgas wird gemäß dem Pfeil in 1 in eine Abgasleitung 1 eingeleitet und einem SCR-Katalysator 2, der in geeigneter Weise beispielsweise über eine Flanschverbindung in die Abgasleitung 1 eingeschaltet ist, zugeführt. Neben dem SCR-Katalysator 2 können anschließend an diesen noch weitere Katalysatoren und/oder ein Rußfilter in die Abgasleitung 1 eingeschaltet sein. Dem SCR-Katalysator 2 wird zur Einleitung der gewünschten chemischen Reaktion, nämlich einer Stickoxidreduzierung (NOx-Reduzierung) des Abgases ein Reduktionsmittel, das bevorzugt eine Harnstoffwasserlösung (Adblue) ist, zugeführt. In dem heißen Abgas entwickelt sich aus der Harnstoffwasserlösung Ammoniakgas, mit dem NOx in dem SCR-Katalysator selektiv reduziert werden kann.
Dieses Reduktionsmittel wird in einem Vorratstank 3 bevorratet, der über einen Tankstutzen, der in geeigneter Weise an dem Fahrzeug angebracht ist, befüllbar ist. Der Vorratstank 3 ist über eine Leitung 4, in die eine Förderpumpe 5 eingeschaltet ist, mit einem Dosiersystem, dass ein Dosierventil 6 und eine Einspritzdüse 7 aufweist, verbunden. Dabei ragt die Einspritzdüse 7 in einen Flansch 8 der Abgasleitung 1 hinein und spritzt bei geöffnetem Dosierventil 6 Reduktionsmittel in die Abgasleitung 1.
Beim Abstellen des Systems wird durch Öffnen eines Entlastungsventils, das vorzugsweise im Bereich der Förderpumpe 5 angeordnet ist, das Reduktionsmittel unter Ausnutzung der Trägheit der Flüssigkeitssäule aus dem Dosiersystem in die Leitung 4 (und in den Vorratstank 3) zurückgesaugt. Dazu wird das Dosierventil 6 etwas geöffnet, so dass durch die Einspritzdüse 7 eine geringe Menge Abgas aus der Abgasleitung 1 in die Leitung 4 angesaugt wird. Wenn der Abstellvorgang abgeschlossen ist, ist das Reduktionsmittel zumindest bis in einen Bereich der Leitung 4 benachbart zu dem Dosiersystem zurückgesaugt. Damit nun nach dem Abstellvorgang kein Reduktionsmittel insbesondere hervorgerufen durch ein nicht vollständig schließendes Dosierventil 6 wieder durch den entleerten Bereich der Leitung in die Dosiereinrichtung gelangt, ist eine Kapillarsperre 9 vorgesehen, die in die Leitung 4 nahe dem Dosierventil 6 (oder eingangsseitig direkt in das Dosierventil 6) eingebaut ist. Der Aufbau der Kapillarsperre ist in der nachfolgenden 2 näher erläutert.
2 zeigt den schematischen Aufbau der Kapillarsperre 9, die eine hydrophile Schicht 10 und eine hydrophobe Schicht 11 aufweist. Diese beiden Schichten liegen direkt nebeneinander und sind beispielsweise aus einen lasergebohrten Löchern versehenen Blech oder einem engmaschigen Edelstahlsieb gebildet. Dabei ist das Blech oder das Edelstahlsieb mit einer Lackschicht versehen, wobei dann das mit den Löchern versehene Blech die hydrophile Schicht 10 und die Lackschicht die hydrophobe Schicht 11 bildet.
Im zurückgesaugten Zustand des Dosiermittels ist die Kapillarsperre 9 auf beiden Seiten der Luft beziehungsweise dem zurückgesaugten Abgas exponiert. Entweicht nun die Luft 13 durch das nicht ideal schließende Dosierventil 6 wieder in die Abgasleitung 1, strömt Reduktionsmittel 14 aus dem Vorratstank 3 in das Dosiersystem nach. Sobald das Reduktionsmittel 14 mit der hydrophilen Schicht 10 der Kapillarsperre 9 in Berührung kommt, wird es durch Kapillarkräfte in die Löcher 12 hinein gesaugt und es stellt sich eine feststehende Phasengrenze an der Schnittstelle der hydrophilen Schicht 10 und der hydrophoben Schicht 11 ein.
Dem Druckgefälle, welches das Reduktionsmittel 14 in Richtung der Abgasleitung 1 treibt (zum Beispiel Restdruck im Dosiersystem, Temperatureffekte oder insbesondere Gravitation), steht nun der Kapillardruck (abhängig von der Oberflächenspannung und dem Bohrungsdurchmesser) entgegen und verhindert ein Wiederbefüllen des Dosierventils 6. Dieser Effekt ist in der Detailansicht gemäß 3 dargestellt, während bei fehlender hydrophober Schicht 11 gemäß der 4 mehrere Löcher 12 durch Benetzung von dem Reduktionsmittel 14 miteinander verbunden werden, wodurch der Kapillardruck vermindert würde. Dieser verminderte Kapillardruck würde dann nicht mehr zum Zurückhalten der Flüssigkeitssäule des Reduktionsmittels ausreichen.

Claims

Dosiersystem für ein Reduktionsmittel, das in eine Abgasleitung (1) einer Brennkraftmaschine stromaufwärts eines SCR-Katalysators (2) einleitbar ist, wobei ein Vorratstank (3) für Reduktionsmittel über eine Leitung (4), in die eine Förderpumpe (5) eingeschaltet ist, mit einem abgasleitungsnah angeordneten Dosierventil (6) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leitung (4) eine Kapillarsperre (9) eingeschaltet ist.
Dosiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarsperre (9) dosierventilnah in die Leitung (4) eingeschaltet ist.
Dosiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarsperre (9) in das Dosierventil (6) integriert ist.
Dosiersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarsperre (9) eine hydrophile Schicht (10) und eine hydrophobe Schicht (11) aufweist.
Dosiersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Schicht (11) dem Dosierventil (6) zugewandt ist.
Dosiersystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophile Schicht (10) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Dosiersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff ein mit Laser gebohrten Löchern (12) versehenes Blech oder ein engmaschiges Edelstahlsieb ist.
Dosiersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdurchmesser (12) oder die Maschenweite nach der Beziehung r = (2 · σ · cos(φ)) / Δp bestimmt ist.
Dosiersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Schicht (11) durch eine Lackschicht gebildet ist.