DE102010039102B4

DE102010039102B4 - Versorgungsvorrichtung, Brennkraftmaschine, Generatoreinheit, Verfahren zur Versorgung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Reduktionsmittel enthaltenden Lösung und Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102010039102B4
Application number: DE102010039102A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Gräter
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: US20120031073A1; DE102010039102A1; US9038371B2

Abstract

Versorgungsvorrichtung (10) zur Versorgung eines Abgassystems (20) einer Brennkraftmaschine (100) mit einer Reduktionsmittel (R), insbesondere Harnstoff, enthaltenden Lösung, aufweisend: – eine Versorgungsleitung (3) mit einem Vorratstank (2) für die Lösung und mit einer Dosiereinrichtung (6) zur Abgabe der Lösung, wobei – in der Versorgungsleitung (3) zwischen dem Vorratstank (2) und der Dosiereinrichtung (6) ein Betriebstank (5) zum Zwischenspeichern der Lösung durchströmbar angeschlossen ist, – einen Injektor (1) für die Lösung zum Anschluss an ein Abgassystem (20) gekennzeichnet durch – eine den Betriebstank (5) für die Lösung strömungsumgehend ausgebildete Rücklaufleitung (7) zwischen der Dosiereinrichtung (6) und dem Vorratstank (2), wobei die Dosiereinrichtung (6) für die Abgabe der Reduktionsmittel (R) enthaltenden Lösung in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus ausgebildet ist, wobei – die Lösung im ersten Betriebsmodus an den Injektor (1) und/oder den Betriebstank (5), und – in einem zweiten Betriebsmodus an die Rücklaufleitung (7) abgebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines Abgassystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine mit dem Abgassystem und eine Generatoreinheit. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Versorgung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinrichtung.
Zur Erfüllung zukünftiger Emissionsgesetzgebungen für Dieselmotoren ist eine Abgasnachbehandlung erforderlich. In einer Abgasnachbehandlung wird ein flüssiges Reduktionsmittel, wie z. B. eine Harnstoff-enthaltende Lösung, dem Abgas zugemischt. Das flüssige Reduktionsmittel wird dazu genutzt, Stickoxide (NO, NO₂), bevorzugt selektiv zu reduzieren. Dies kann katalytisch oder nicht katalytisch erfolgen. Zum Ablauf einer entsprechenden Reaktion wird Ammoniak (NH₃) benötigt, so dass als Produkte der Reaktion Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) entstehen. Im Falle einer selektiven katalytischen Reaktion können Katalysatoren auf Basis von Zeolithen oder im Wesentlichen auf Basis von Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframoxid eingesetzt werden.
Der für die selektive Reaktion erforderliche Ammoniak wird regelmäßig nicht direkt in reiner Form verwendet, sondern beispielsweise in Form einer 32,5-prozentigen wässrigen Harnstofflösung, deren Zusammensetzung in DIN 700-70 geregelt ist. Grundsätzlich ist die Terminologie eines flüssigen Reduktionsmittels im Sinne der Anmeldung weit zu verstehen und umfasst insbesondere alle flüssigen Zusammensetzungen, die in der Lage sind, Ammoniak einer Reaktion zur Reduktion von Stickoxiden zur Verfügung zu stellen. Im bevorzugten Fall einer insbesondere wässrigen, Harnstoff-enthaltenden Lösung entsteht durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und CO₂. Der so erzeugte Ammoniak kann in einer katalytischen oder nicht katalytischen Reaktion bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas reagieren.
Das Reduktionsmittel wird – vor allem abhängig vom Verfahren einer katalytischen oder nicht katalytischen Reaktion – in geeigneter Menge dem Abgas zugesetzt. Die Menge des zugesetzten Reduktionsmittels erweist sich dabei als kritisch, um eine effektive Reduktion der Stickoxide je nach Last, gewähltem Verfahren, insbesondere gewähltem Katalysator und dergleichen, zu bewirken. Dazu ist in der Reduktionsmittel-Versorgungsvorrichtung eine Dosiereinrichtung zum Abgeben der Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung vorgesehen, die das Reduktionsmittel bedarfsgerecht einem Injektor zur Verfügung stellt, der zur Abgabe des Reduktionsmittels an das Abgassystem angeschlossen ist. Der Verbrauch, beispielsweise an wässriger Harnstofflösung im Falle einer selektiven katalytischen Reaktion, beträgt abhängig von der Rohemission des Motors etwa 2% bis 8% des eingesetzten Dieselkraftstoffs. Die Gesamtreserve eines Reduktionsmittels wird in einem Vorratstank vorgehalten. Die unmittelbar zur Injektion vorgesehene Reduktionsmittelmenge wird darüber hinaus in einem direkt an die Dosiereinrichtung angeschlossenen Betriebstank als Zwischenspeicher aufgenommen, damit diese ggf. schnell verfügbar ist.
Problematisch dabei ist, dass eine Reduktionsmittel-enthaltende Lösung bei vergleichsweise geringen Temperaturen gefriert. Beispielsweise gefriert eine Harnstoff-enthaltende Lösung ab –11°C und muss dementsprechend bei niedrigeren Einsatztemperaturen der Dieselmotoren gegen Einfrieren geschützt werden. Bei längeren Standzeiten einer Brennkraftmaschine in kalter Umgebung kann ein Einfrieren der Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung, insbesondere im Betriebstank, nicht immer verhindert werden, so dass die Reduktionsmittel führenden Bauteile vor dem Start einer Brennkraftmaschine regelmäßig zuerst aufgetaut werden müssen. Wie beispielsweise in WO 2008/080691 oder DE 44 32 577 A1 oder DE 11 2008 002 520 T5 beschrieben, ist es regelmäßig bevorzugt, wenigstens den Betriebstank einer eingangsgenannten Versorgungsvorrichtung mit einer Heizeinrichtung zu versehen, so dass jedenfalls unmittelbar zur Dosierung vorgesehenes Reduktionsmittel im Betriebstank vor einem Einfrieren geschützt ist und über die Dosiereinrichtung dem Injektor unmittelbar nach dem Start einer Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt werden kann.
Eine Versorgungsvorrichtung, in der nur der Betriebstank eine Heizeinrichtung hat, ist in DE 11 2007 002 720 T5 beschrieben. DE 11 2007 002 720 T5 offenbart ein System, um ein Additiv zu lagern und es in die Abgase eines Motors zu injizieren. Das System umfasst zwei Tanks zum Lagern der Lösung und eine Pumpe zum Liefern der Lösung von diesen Tanks zur einer Injektionsleitung, wobei diese beiden Tanks parallel zueinander verbunden sind und jeder mit der Pumpe durch einen Zweig der Versorgungsleitung verbunden ist. Die zwei Tanks beliebiger Kapazität sind auf beliebige Weise zueinander positioniert, wobei dennoch die Lösung des Problems des tatsächlichen Einfrierens nur durch Erhitzen eines dieser Tanks und nicht durch Verwenden einer Transferpumpe zwischen den beiden Tanks ermöglicht wird. Wenn es nicht friert, saugt eine Pumpe Urea-Lösung in Tank 1 auf und wird diese Lösung an den Injektor liefern, da die erforderliche Lösungsmenge in die Abgase injizieren und die unverbrauchte Menge über eine Leitung zum Tank 1 zurückführen. Sobald Tank 1 leer ist, kann die Pumpe Urea-Lösung im Tank 2 aufsaugen, um diese Lösung an den Injektor zuliefern. Im Fall des Frierens schaltet die Heizeinrichtung von Tank 2 ein und die Pumpe wird die Lösung im Tank 2 aufsaugen.
Problematisch dabei ist der für die Heizung erforderliche Aufwand in einem Motorraum, wie beispielsweise der Bauraumbedarf, da eine Heizeinrichtung gewissen Einbaubedingungen unterliegt, was die Einbaulage und Einbauhöhe in Bezug auf einen Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine betrifft. Außerdem hat sich die Steuerung einer Heizeinrichtung regelmäßig als vergleichsweise aufwändig erwiesen.
Wünschenswert ist ein verbessertes Konzept, das die Gefahr eines Einfrierens von Reduktionsmittel im Betriebstank wirksam verhindert. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Versorgung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung möglich ist, wobei die Gefahr eines Einfrierens der Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung im Betriebstank weitgehend beseitigt ist. Insbesondere soll die Vorrichtung und das Verfahren mit vergleichsweise wenig Aufwand realisierbar sein.
Betreffend die Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Erfindung mit einer Versorgungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgesehen sind.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die größte Gefahr eines Einfrierens von Reduktionsmittel im Bereich der Dosiereinrichtung und des Betriebstanks besteht, vor allem bei längeren Standzeiten einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung hat erkannt, dass eine reine Einfriersicherung unter sicherer Vermeidung der Einfriergefahr bei vorhandenem Reduktionsmittel die gestellten Anforderungen nicht erfüllt. Die Erfindung hat erkannt, dass die Gefahr aber beseitigt ist, wenn für die Standzeit jedenfalls der Betriebstank praktisch kein Reduktionsmittel aufweist. Dieser Erkenntnis folgend sieht die Versorgungsvorrichtung erfindungsgemäß vor, dass eine den Betriebstank für das Reduktionsmittel strömungsumgehend ausgebildete Rücklaufleitung zwischen der Dosiereinrichtung und dem Vorratstank verläuft. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß die Dosiereinrichtung ausgebildet, die Reduktionsmittel-enthaltende Lösung in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus abzugeben. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine sind die Betriebsmodi unterschiedlich ausgestaltet. Der erste Betriebsmodus der Dosiereinrichtung ist insbesondere einem laufenden Betriebszustand einer Brennkraftmaschine zugeordnet. Der zweite Betriebsmodus dient insbesondere der Vorbereitung einer Standzeit der Brennkraftmaschine und ist insofern einem Übergang von laufendem Betriebszustand zur Standzeit der Brennkraftmaschine bzw. der Standzeit der Brennkraftmaschine zugeordnet. In dem ersten Betriebsmodus ist die Dosiereinrichtung ausgebildet, die Reduktionsmittel-enthaltende Lösung an den Injektor und/oder den Betriebstank abzugeben. Insbesondere wird dabei Reduktionsmittel über den Injektor dem Abgas einer Abgasführung zugesetzt bzw. überschüssiges Reduktionsmittel wieder in den Betriebstank zurückgeführt. Erfindungsgemäß ist im Unterschied zum Stand der Technik die Dosiereinrichtung darüber hinaus ausgebildet, in dem zweiten Betriebsmodus die Reduktionsmittel-enthaltende Lösung an die Rücklaufleitung abzugeben. Mit anderen Worten eröffnet das Konzept der Erfindung zur Vorbereitung einer Standzeit der Brennkraftmaschine die Möglichkeit, den Betriebstank über die Dosiereinrichtung und die Rücklaufleitung zu entleeren, so dass während der Standzeit der Brennkraftmaschine die Gefahr von einfrierendem Reduktionsmittel im Betriebstank nicht mehr besteht.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf eine Brennkraftmaschine mit einer Versorgungseinrichtung der vorgenannten Art, wobei die Versorgungseinrichtung über den Injektor an eine Abgasführung eines Abgassystems angeschlossen ist. Insbesondere ist für den Fall einer selektiven katalytischen Stickoxidreduktion in der Abgasführung ein Katalysator für die selektive katalytische Stickoxidreduktion vorgesehen und die Versorgungseinrichtung über den Injektor abgasstromaufwärts des Katalysators an die Abgasführung angeschlossen. Die Erfindung führt auch auf eine Generatoreinheit mit einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Großdieselmotor. Vorzugsweise hat dieser eine Leistung zwischen 2000 KW und 4000 KW.
Betreffend das Verfahren wird die Aufgabe durch die Erfindung mit einem Verfahren zur Versorgung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung gelöst, das erfindungsgemäß zwei Betriebsmodi aufweist. Vorzugsweise wird das Verfahren mit einer Reduktionsmittel-Versorgungsvorrichtung der zuvor genannten Art durchgeführt. Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren in einem Betriebstank vorhandene Reduktionsmittel-enthaltende Lösung im ersten Betriebsmodus über eine Versorgungsleitung und eine Dosiereinrichtung in einen Injektor abgegeben bzw. gefördert und/oder in den Betriebstank abgegeben bzw. rückgeführt. Erfindungsgemäß wird im zweiten Betriebsmodus im Betriebstank vorhandene Reduktionsmittel-enthaltende Lösung über die Dosiereinrichtung in eine Rücklaufleitung abgegeben, insbesondere in einen Vorratstank entleert.
Insgesamt kann bei einer Versorgungsvorrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung auf eine Beheizung des Betriebstanks verzichtet werden, da dieser in einem zweiten Betriebsmodus entleert werden kann. Grundsätzlich ermöglicht das Konzept der Erfindung eine Bauteileinsparung und nutzt darüber hinaus synergetisch bereits bestehende Komponenten einer Reduktionsmittel-Versorgungsvorrichtung. So wird gemäß dem Konzept der Erfindung die ohnehin vorhandene Dosiereinrichtung genutzt, um Reduktionsmittel aus dem Betriebstank in die Rücklaufleitung zu fördern. Darüber hinaus hat sich das Konzept der Erfindung als besonders sicher und energieeffizient erwiesen. So muss beispielsweise im Rahmen einer bekannten Reduktionsmittel-Versorgungsvorrichtung mit Heizung eine Förderpumpe auch nach Abstellen einer Brennkraftmaschine, wenn auch nur kurzfristig, nachlaufen, um einen Druckausgleich zwischen Versorgungsvorrichtung und Abgassystem zu ermöglichen. Ein Nachlaufen der Förderpumpe ist jedoch aufgrund der bestehenden Brandgefahr grundsätzlich sicherheitskritisch und bedeutet aufgrund der entstehenden Geräusche ebenso eine Komfortverschlechterung. Der Einsatz von heizungsbasierten Reduktionsmittel-Versorgungsvorrichtungen in Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeug- bzw. Nutzfahrzeugbereich ist somit begrenzt.
Darüber hinaus hat sich das Konzept der Erfindung als besonders vorteilhaft zum Einsatz bei jeder Art einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Großdieselmotor, als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere bei Großdieselmotoren einer Leistungsklasse zwischen 2000 KW und 4000 KW ist das Konzept einer Heizanlage zu vermeiden. So hat der Betriebstank für Reduktionsmittel bei einem Großdieselmotor ein Volumen im Bereich von 100 l. Eine Beheizung desselben müsste mit einer Heizleistung von wenigstens 5 KW erfolgen, um einen eingefrorenen Betriebstank vor Inbetriebnahme des Motors sicher aufzutauen. Dies bedeutet regelmäßig wenigstens eine Stunde Motorbetriebsheizzeit, die beim hier beschriebenen Konzept entfallen kann. Durch das vorliegend beschriebene Konzept können hohe elektrische Spannungspotenziale, dicke Kabel oder ein übermäßiger Verbrauch von Kühlmittel, insbesondere bei einem Großdieselmotor entfallen, die sonst für eine Heizeinrichtung erforderlich wären. Das Konzept der Erfindung erweist sich insgesamt als vergleichsweise einfach und hocheffizient. Bauraumbeschränkungen bestehen beim Konzept der Erfindung nicht. Insbesondere ist eine variable räumliche Anordnung des Betriebstanks für das Reduktionsmittel möglich. Da eine Einfriergefahr sicher vermieden ist, ist es auch nicht erforderlich, die Komponenten der Versorgungsvorrichtung druckfest auszulegen, da eine Kompensation der Volumenausdehnung unter Beseitigung der Gefriergefahr entfallen kann.
Als besonders vorteilhaft hat sich das Konzept der Erfindung zur Anwendung bei Großdieselmotoren im Generatorbetrieb erwiesen. Das Konzept der Erfindung führt auch auf eine Verwendung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Großdieselmotors, für eine Generatoreinheit. Die Verwendung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Großdieselmotors für eine Generatoreinheit hat sich als vorteilhaft erwiesen, da zum einen der Komfortanspruch bei einem Großdieselmotor bei einer Generatoreinheit von eher untergeordneter Bedeutung ist, zum anderen ein Nachlaufen einer Dosiereinrichtung zum Leerfördern eines Betriebstanks bei einer Generatoranwendung grundsätzlich unproblematisch ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Dosiereinrichtung zwischen den Betriebsmodi umschaltbar. Die Dosiereinrichtung weist vorzugsweise ein Wegeventil auf, an das die Versorgungsleitung und die Rücklaufleitung angeschlossen sind. Die Dosiereinrichtung weist vorteilhaft auch eine Dosierpumpe auf. Vorteilhaft kann bei einer Förderung der Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung mittels dem Wegeventil der Dosiereinrichtung im ersten Betriebsmodus die Lösung in der Versorgungsleitung gehalten und im zweiten Betriebsmodus an die Rücklaufleitung abgegeben werden. Die Dosiereinrichtung weist besonders vorteilhaft eine Dosierpumpe auf, die mit dem Wegeventil in einer Dosiereinrichtung zusammengefasst werden kann. Das Wegeventil kann auch von der Dosierpumpe realisiert sein. Besonders vorteilhaft ist das Wegeventil in der Versorgungsleitung zwischen Betriebstank und Dosierpumpe angeordnet. Dies hat einen besonders vorteilhaften Strömungsverlauf der Reduktionsmittel-enthaltenden Lösung im ersten und zweiten Betriebsmodus zur Folge. In dem mittels der Dosierpumpe die Reduktionsmittel-enthaltende Lösung im ersten Betriebsmodus über die Versorgungsleitung in den Injektor und/oder Betriebstank förderbar und im zweiten Betriebsmodus in die Rücklaufleitung förderbar.
Insbesondere ist das Wegeventil der Dosiereinrichtung ein 5/2-Wegeventil mit zwei Schaltstellungen, die je nach Betriebsmodus der fünf Anschlüsse geschaltet sind. Gegebenenfalls lässt sich eine Vorrichtung auch mit einem 3/2-Wegeventil realisieren, wenn für die Versorgungsleitung nur zwei statt vier Anschlüsse zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhaft ist mittels dem Wegeventil in einer ersten Schaltstellung im ersten Betriebsmodus die Versorgungsleitung bidirektional durchströmbar freigeschaltet und die Rücklaufleitung gesperrt. Dadurch wird sichergestellt, dass für eine Laufzeit einer Brennkraftmaschine die Versorgung eines Abgassystems mit Reduktionsmittel sichergestellt ist bzw. überschüssiges Reduktionsmittel in den Betriebstank rückgeführt werden kann. Die Reduktionsmittel-enthaltende Lösung im ersten Betriebsmodus wird dem Betriebstank vorzugsweise aus dem Vorratstank zugeführt. Dazu ist vorteilhaft zusätzlich zur Dosierpumpe eine Förderpumpe vorgesehen.
Mittels dem Wegeventil in einer zweiten Schaltstellung ist im zweiten Betriebsmodus die Versorgungsleitung unidirektional in Richtung eines Injektors durchströmbar freigeschaltet und unidirektional in Richtung des Betriebstanks gesperrt und des Weiteren ist die Rücklaufleitung unidirektional in Richtung des Vorratstanks durchströmbar freigeschaltet. Vorzugsweise wird im zweiten Betriebsmodus dem Injektor aus dem Betriebstank keine Reduktionsmittel-enthaltende Lösung zugeführt. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass in der Versorgungsleitung zwischen Vorratstank und Betriebstank eine im zweiten Betriebsmodus wirksame Sperre angeschlossen ist. Insbesondere ist dazu eine Förderpumpe ausgebildet, im zweiten Betriebsmodus nicht zu fördern.
Im Hinblick auf das Verfahren lässt sich so mit Vorteil versehen im zweiten Betriebsmodus die Reduktionsmittel-enthaltende Lösung in einen Vorratstank entleeren. Vorzugsweise ist es möglich, im zweiten Betriebsmodus den Betriebstank von Reduktionsmittel-enthaltender Lösung völlig zu entleeren. Dies hat den Vorteil, dass die Versorgungsvorrichtung, insbesondere der Betriebstank derselben, ohne eine Heizung ausgebildet sein kann. Diese kann dem Konzept der vorgenannten Weiterbildung insbesondere folgend vollständig entfallen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht nur notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf dem einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1A, 1B: eine bevorzugte Ausführungsform einer Versorgungsvorrichtung mit einer Rücklaufleitung und einer mit Dosierpumpe und Wegeventil gebildeten Dosiereinrichtung, wobei in Ansicht (A) das Wegeventil in einer ersten Schaltstellung für einen ersten Betriebsmodus und in Ansicht (B) das Wegeventil in einer zweiten Schaltstellung für einen zweiten Betriebsmodus gezeigt ist;
2: eine bevorzugte Ausführungsform eines über ein Flussdiagramm dargestellten Verfahrens, bei dem ein erster und zweiter Betriebsmodus geeignet gesteuert ist.
1A zeigt eine Versorgungsvorrichtung 10, die an ein Abgassystem 20 mit einer Abgasnachbehandlung 30 angeschlossen ist und die über eine Steuerung S mit der Abgasnachbehandlung 30 gesteuert wird. Die Versorgungsvorrichtung 10, das Abgassystem 20 und die Abgasnachbehandlung 30 sind Teil einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine 100. Die Brennkraftmaschine 100 ist vorliegend als Großdieselmotor der Leistungsklasse zwischen 2000 KW und 4000 KW Teil einer ebenfalls nicht näher dargestellten Generatoreinheit.
Die Versorgungsvorrichtung 10 versorgt das Abgassystem 20 der Brennkraftmaschine 100 mit einer Harnstoff-enthaltenden Lösung, die als Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden NO_x im Rahmen einer selektiven katalytischen Reaktion im Abgassystem dient. Zur Durchführung der selektiven katalytischen Reaktion werden die Stickoxide NO_x zusammen mit dem Reduktionsmittel R an einem selektiven Katalysator K im Abgassystem 20 zu Stickstoff und Wasser reduziert. Das Harnstoff-enthaltende Reduktionsmittel R wird über einen Injektor 1 in das Abgassystem 20 eingebracht. Sowohl der Injektor 1 als auch der Katalysator K wird durch die Steuerung S gesteuert. Wie anhand von 1A, 1B und 2 dargestellt, wird auch die Versorgungsvorrichtung 10 gesteuert. Das Reduktionsmittel R in Form der Harnstoff-enthaltenden Lösung wird in der Versorgungsvorrichtung in einem Vorratstank 2 vorgehalten. Zur Versorgung des Injektors 1 mit Harnstoff-enthaltender Lösung sieht die Versorgungsvorrichtung eine zwischen dem Vorratstank 2 und dem Injektor 1 verlaufende Versorgungsleitung 3 vor, die zur Förderung der Harnstoff-enthaltenden Lösung dient. In die Versorgungsleitung ist eine Förderpumpe 4 sowie, werter stromabwärts, ein Betriebstank 5 zum Zwischenspeichern des Reduktionsmittels R in Form der Harnstoff-enthaltenden Lösung angeschlossen. Der Betriebstank 5 ist für das Reduktionsmittel R in stromabwärtiger Richtung, d. h. von der Förderpumpe 4 zu einer Dosiereinrichtung 6, durchströmbar. Die Dosiereinrichtung 6 ist hier unmittelbar stromaufwärts vor dem Injektor 1 in der Versorgungsleitung 3 angeschlossen. An die Dosiereinrichtung 6 ist auch eine zwischen Dosiereinrichtung 6 und Vorratstank 2 verlaufende Rücklaufleitung 7 für die Harnstoff-enthaltende Lösung angeschlossen. Dazu weist die Dosiereinrichtung insgesamt drei Anschlüsse X, Y, Z auf.
Wie durch die Pfeile an der Versorgungsleitung 3 und der Rücklaufleitung 7 dargestellt, ist die Versorgungsleitung 3 zwischen dem Betriebstank 5 und der Dosiereinrichtung 6 bidirektional von Harnstoff-enthaltender Lösung durchströmbar. Diese Maßnahme dient dazu, ggf. nicht über den Injektor 1 abzugebende Harnstoff-enthaltende Lösung aus der Dosiereinrichtung 6 wieder in den Betriebstank 5 zurückzuführen. Ansonsten ist die Versorgungsleitung 3 unidirektional in Richtung des Injektors 1, also in stromabwärtiger Richtung, durchströmbar. Die Rücklaufleitung ist unidirektional – in Gegenrichtung – d. h. in stromabwärtiger Richtung von der Dosiereinrichtung 6 zum Vorratstank 2 durchströmbar.
Bei einer Brennkraftmaschine 100 in Form eines Großdieselmotors der Leistungsklasse zwischen 2000 und 4000 KW, wie hier gezeigt, hat der Betriebstank 5 ein Volumen von etwa 100 l. Bei dieser Größe muss einerseits eine Einfriergefahr für Reduktionsmittel R im Betriebstank 5 sicher vermieden sein. Andererseits erweist sich bei dieser Auslegung einer Versorgungsvorrichtung 10 eine üblicherweise bekannte Heizvorrichtung am Betriebstank 5 als zu aufwändig und ineffektiv.
Dem Konzept der Erfindung folgend ist bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform in verbesserter Weise vorgesehen, den Betriebstank 5 in einem der Standzeit der Brennkraftmaschine 100 zugeordneten zweiten Betriebsmodus über die Dosiereinrichtung 6 in die Rückaufleitung 7 zu entleeren. Das in die Rücklaufleitung 7 durch die Dosiereinrichtung 6 geförderte Reduktionsmittel R wird also während der Standzeit der Brennkraftmaschine 100 wieder im Vorratstank 2 aufgenommen. Hier besteht keine unmittelbare Einfriergefahr mehr bzw. es lässt sich diese vergleichsweise einfach verhindern.
Neben der Rücklaufleitung 7 weist die Versorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform zur Realisierung des Konzepts der Erfindung eine speziell ausgebildete Dosiereinrichtung 6 auf. Die Dosiereinrichtung ist dazu mit einer Förderpumpe 8 und einem 5/2-Wegeventil gebildet. Das Wegeventil 9 ist in der Dosiereinrichtung zwischen dem Betriebstank 5 und der Dosierpumpe 8 angeordnet und hat fünf Anschlüsse 2x, 2y, 1z sowie zwei Schaltstellungen. Die Anschlüsse x, y, z des Wegeventils 9 sind mit den oben genannten Anschlüssen X, Y, Z der Dosiereinrichtung 6 verbunden. Die Anschlüsse x und y sind vorliegend jeweils gedoppelt, d. h. für jede Flussrichtung der Versorgungsleitung 3 bestehen jeweils zwei Anschlüsse. Im Prinzip ist auch eine hier nicht dargestellte vereinfachte Lösung mit einem 3/2-Wegeventil möglich, bei dem die Versorgungsleitung 3 über einfache, bidirektionale Anschlüsse x, y angeschlossen ist. Es ist auch zu verstehen, dass zur Ausführung der beschriebenen Funktionen ein anderes oder eine Anordnung anderer Wegeventile genutzt werden kann.
Mittels der Dosierpumpe 8 ist zunächst Reduktionsmittel R enthaltende Lösung in einem ersten Betriebsmodus über die Versorgungsleitung 3 in den Injektor 1 förderbar. Ebenso kann die Reduktionsmittel R enthaltende Lösung in diesem ersten Betriebsmodus auch in den Betriebstank 5 zurückfließen, falls im Abgassystem 20 zur Stickstoffreduktion kein weiteres Reduktionsmittel R erforderlich ist. In diesem einen Betrieb der Brennkraftmaschine 100 zuzuordnenden ersten Betriebsmodus ist das Wegeventil 9 in einem ersten Schaltzustand. In dem ersten Schaltzustand des Wegeventils 9 ist die Versorgungsleitung 3 in der oben genannten Weise bidirektional vom Reduktionsmittel durchströmbar freigeschaltet, während die Rücklaufleitung 7 gesperrt ist.
Dieser Schaltzustand des Wegeventils 9 wird über eine Steuerung S gesetzt, die auf einen Einschaltzustand E der Abgasnachbehandlung 30 reagiert. Die Abgasnachbehandlung 30 gibt der Steuerung S den Einschaltzustand E und darüber hinaus auch Parameter des Injektors 1 und des Katalysators K vor. Es lassen sich so weitere hier nicht erläuterte Einstellungen der Dosiereinrichtung 6 steuern um eine möglichst effektive Stickoxidreduktion realisieren zu können.
Das Wegeventil 9 ist vorliegend als ein 5/2-Magnet-Wegeventil realisiert, dessen Anker über eine Spule des Wegeventils 9 bei entsprechender Bestromung mit einem Steuerstrom I der Steuerung S aktiviert werden kann. In dem in 1A gezeigten ersten Betriebsmodus der Versorgungsvorrichtung 10 mit zugeordnetem Schaltzustand des Wegeventils 9 befindet sich dieses in einem stromlos offenen Zustand, so dass die Versorgungsleitung 3, wie erläutert, bidirektional durchströmbar freigeschaltet ist.
Bei dem in 1B gezeigten zweiten Betriebsmodus der Versorgungsvorrichtung 10 ist das Wegeventil 9 unter Bestromung mit einem Steuerstrom I in einen zweiten Schaltzustand gebracht. Der Steuerstrom I wirkt dabei auf eine Spule des Wegeventils 9, die – vorliegend unter Zusammenspiel einer Federkraft und Induktionskraft – den Anker in eine zweite Stellung zur Realisierung der zweiten Schaltstellung des Wegeventils 9 bringt.
Der zweite Betriebsmodus wird über die Steuerung S gesetzt, welche auf einen Ausschaltzustand A der Abgasnachbehandlung 30 reagiert. Der Ausschaltzustand A der Abgasnachbehandlung ist zeitlich einer Standzeit der Brennkraftmaschine 100 vorgeordnet, bereitet also regelmäßig die Standzeit einer Brennkraftmaschine 100 vor. Der Ausschaltzustand A der Abgasnachbehandlung 30 kann auch in die Standzeit einer Brennkraftmaschine 100 fallen. In beiden Varianten wird für den in 1B gezeigten zweiten Betriebsmodus der Versorgungsvorrichtung 10 eine Förderleistung der Dosiereinrichtung 6 solange gewährleistet, bis der Betriebstank 5 von Reduktionsmittel R vollständig entleert ist. Dazu wird insbesondere eine Bestromung des Wegeventils 9 aufrechterhalten und eine Förderleistung der Dosierpumpe 8 aufrechterhalten. Wie aus der Darstellung der Dosiereinrichtung 6 der 1B ersichtlich ist, wird im zweiten Betriebsmodus mittels dem Wegeventil 9 die Versorgungsleitung 3 zwischen Betriebstank 5 und Dosierpumpe 8 unidirektional in Richtung des Injektors durchströmbar freigeschaltet, aber unidirektional in Richtung des Betriebstanks 5 gesperrt. Stattdessen ist die Rücklaufleitung 7 durch das Wegeventil 9 unidirektional in Richtung des Vorratstanks 2 durchströmbar freigeschaltet.
Die Dosierpumpe 8 ist so in der Lage, den Betriebstank 5 über die Versorgungsleitung 3 und das Wegeventil 9 in die Rücklaufleitung 7 und den Vorratstank 2 zu entleeren.
Sobald ein völlig entleerter Betriebstank 5 erkennbar ist, senkt die Steuerung S den Steuerstrom I, so dass das Wegeventil 9 wiederum in seine in 1A gezeigte stromlosoffene Stellung zurückfällt. Die Versorgungsvorrichtung 10 steht dann einem erneuten Betriebsstart nach Beendigung der Standzeit der Brennkraftmaschine 100 zur Verfügung. Ein Einfrieren von Reduktionsmittel R im Bereich des Betriebstanks 5 und der Dosiereinrichtung 6 ist sicher vermieden, da zur Vorbereitung der Standzeit, d. h. bei Signalisierung eines Ausschaltzustands A der Abgasnachbehandlung 30 der Betriebstank 5 und die Dosiereinrichtung 6 leergepumpt, d. h. von Reduktionsmittel R befreit wurde.
2 zeigt den Ablaufplan für eine besonders bevorzugte Durchführung eines Versorgungsverfahrens, wie es bereits teilweise anhand von 1A und 1B teilweise erläutert ist.
Das in 2 dargestellte Verfahren kann im Rahmen einer Software zur Durchführung eines Steuerverfahrens mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Abgasnachbehandlung 30 in dem Abgassystem 20 realisiert sein. Dazu weist eine Steuereinrichtung S ein geeignetes Softwaremodul auf, das in der Lage ist, auf den Ausschaltzustand bzw. Einschaltzustand A, E der Abgasnachbehandlung 30 zu reagieren und den ersten bzw. zweiten Betriebsmodus für die Versorgungsvorrichtung 10 unter Schalten des Wegeventils 9 in den ersten bzw. zweiten Schaltzustand (1A, 1B) vorzugeben.
2 zeigt, dass nach einem Start der Brennkraftmaschine 100 in einem ersten Verfahrensschritt S1 geprüft wird, ob die Abgasnachbehandlung 30 in Betrieb ist. Die Abgasnachbehandlung 30 wird hier in der 2 als Anlage zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bezeichnet. Falls die Abgasnachbehandlung nicht in Betrieb ist, endet das Steuerverfahren. Für den Fall, dass der Betrieb der Abgasnachbehandlung angezeigt wird – d. h. ein Einschaltzustand E gemäß 1A – setzt die Steuerung S in einem zweiten Verfahrensschritt S2 einen ersten Betriebsmodus für die Versorgungsvorrichtung 10. Dazu befindet sich das Wegeventil 9 in einem in 1A gezeigten stromlos offenen Zustand der Position I, was in 2 durch den Verfahrensschritt S3 verdeutlicht ist. Solange in einem Verfahrensschritt S4 nicht festgestellt wird, dass die Abgasnachbehandlung in einem Ausschaltzustand A befindlich ist, verbleibt das Wegeventil 9 in seiner stromlos offenen Position, d. h. die Verfahrensschritte S2, S3, S4 werden sequentiell wiederholt.
Wird ein Ausschaltzustand A der Abgasnachbehandlung 30 angezeigt, ist – wie anhand von 1B erläutert – unter Durchführung der Verfahrensschritte S5, S6, der zweite Betriebsmodus durch die Steuerung S gesetzt und das Wegeventil 9 mit einem Steuerstrom I in die zweite Schaltposition gebracht. Die Dosierpumpe 8 fördert unterdessen weiter, während eine Abgabe von Reduktionsmittel R aus der Dosiereinrichtung 6 in die Versorgungsleitung 3 zum Injektor 1 unterbunden ist.
Auf diese Weise wird der Betriebstank 5, wie in Verfahrensschritt S7 gezeigt, frei gefördert, bis in Verfahrensschritt S8 die Feststellung erfolgen kann, dass der Betriebstank 5 vollständig entleert ist.
Solange die Feststellung eines leeren Betriebstanks 5 nicht vorliegt, wird die zweite Schaltstellung des Wegeventils 9 und ein Fördern der Dosierpumpe 8 gemäß der Darstellung der Dosiereinrichtung 6 in 1B fortgesetzt. Erst wenn auf den Steuerschritt S8 angezeigt wird, dass der Betriebstank 5 leer ist, wird das Steuerverfahren beendet.
Mit Beendigung des Verfahrens wird auch der von der Steuerung S dem Wegeventil 9 aufgeprägte Steuerstrom I gesenkt, so dass dieses in die erste Schaltstellung der 1A, nämlich in den stromlos offenen Zustand, zurückfallen kann.
Bezugszeichenliste

1: Injektor
2: Vorratstank
3: Versorgungsleitung
4: Förderpumpe
5: Betriebstank
6: Dosiereinrichtung
7: Rücklaufleitung
8: Dosierpumpe
9: Wegeventil
10: Versorgungsvorrichtung
20: Abgassystem
30: Abgasnachbehandlung
100: Brennkraftmaschine
A: Ausschaltzustand
E: Einschaltzustand
I: Steuerstrom
K: Katalysator
NO_x: Stickoxide
R: Reduktionsmittel
S: Steuereinrichtung
SCR: selektive katalytische Reduktion
S1–S8: Verfahrensschritt
X, Y, Z: Anschlüsse der Dosiereinrichtung
x, y, z: Anschlüsse des Wegeventils

Claims

Versorgungsvorrichtung (10) zur Versorgung eines Abgassystems (20) einer Brennkraftmaschine (100) mit einer Reduktionsmittel (R), insbesondere Harnstoff, enthaltenden Lösung, aufweisend: – eine Versorgungsleitung (3) mit einem Vorratstank (2) für die Lösung und mit einer Dosiereinrichtung (6) zur Abgabe der Lösung, wobei – in der Versorgungsleitung (3) zwischen dem Vorratstank (2) und der Dosiereinrichtung (6) ein Betriebstank (5) zum Zwischenspeichern der Lösung durchströmbar angeschlossen ist, – einen Injektor (1) für die Lösung zum Anschluss an ein Abgassystem (20) gekennzeichnet durch – eine den Betriebstank (5) für die Lösung strömungsumgehend ausgebildete Rücklaufleitung (7) zwischen der Dosiereinrichtung (6) und dem Vorratstank (2), wobei die Dosiereinrichtung (6) für die Abgabe der Reduktionsmittel (R) enthaltenden Lösung in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus ausgebildet ist, wobei – die Lösung im ersten Betriebsmodus an den Injektor (1) und/oder den Betriebstank (5), und – in einem zweiten Betriebsmodus an die Rücklaufleitung (7) abgebbar ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (6) zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus umschaltbar ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (6) eine Dosierpumpe (8) und ein Wegeventil (9), insbesondere ein 5/2-Wegeventil, aufweist, an das die Versorgungsleitung (3) und die Rücklaufleitung (7) angeschlossen ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach Anspruche 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (9) in der Versorgungsleitung (3) zwischen dem Betriebstank (5) und der Dosierpumpe (8) angeordnet ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (6) ein Wegeventil (9) aufweist, mittels dem im ersten Betriebsmodus die Versorgungsleitung (3) bidirektional durchströmbar freigeschaltet und die Rücklaufleitung (7) gesperrt ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (6) ein Wegeventil (9) aufweist, mittels dem im zweiten Betriebsmodus die Versorgungsleitung (3) unidirektional in Richtung einer Dosierpumpe (8) durchströmbar freigeschaltet und unidirektional in Richtung des Betriebstanks (5) gesperrt ist, und die Rücklaufleitung (7) unidirektional in Richtung des Vorratstanks (2) durchströmbar freigeschaltet ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (6) eine Dosierpumpe (8) aufweist, mittels der die Lösung im ersten Betriebsmodus über die Versorgungsleitung (3) in den Injektor (1) und/oder Betriebstank (5) und im zweiten Betriebsmodus in die Rücklaufleitung (7) förderbar ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebstank (5) frei von einer Heizung ist.
Versorgungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Versorgungsleitung (3) zwischen Vorratstank (2) und Betriebstank (5) eine im zweiten Betriebsmodus wirksame Sperre, insbesondere eine im zweiten Betriebsmodus nicht-fördernde Förderpumpe (4), angeschlossen ist.
Brennkraftmaschine (100) mit einer Versorgungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Abgassystem (20) mit einer Abgasführung, insbesondere mit einem Katalysator (K) für eine selektive katalytische Stickoxidreduktion, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsvorrichtung (10) über den Injektor (1) an die Abgasführung, insbesondere abgasstromaufwärts des Katalysators (K), angeschlossen ist.
Generatoreinheit mit einer Brennkraftmaschine (100) nach Anspruch 10, insbesondere mit einem Großdieselmotor, vorzugsweise mit einer Leistung zwischen 2000 kW und 4000 kW.
Verfahren zur Versorgung eines Abgassystems (20) einer Brennkraftmaschine (100) mit einer Reduktionsmittel (R) enthaltenden Lösung, insbesondere mittels einer Versorgungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus, wobei die in einem Betriebstank (5) vorgehaltene Lösung im ersten Betriebsmodus über eine Versorgungsleitung (3) und eine Dosiereinrichtung (6) in einen Injektor (1) und/oder in den Betriebstank (5) abgegeben wird, und im zweiten Betriebsmodus über die Dosiereinrichtung (6) in eine Rücklaufleitung (7) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus die Lösung in einen Vorratstank (2) entleert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus der Betriebstank (5) von Lösung völlig entleert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung von Lösung aus dem Vorratstank (2) zum Betriebstank (5) im zweiten Betriebsmodus unterbunden wird, insbesondere im zweiten Betriebsmodus ein Fördern der Förderpumpe (4) unterbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus eine Zuführung von Lösung aus dem Betriebstank (5) zum Injektor (1) unterbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus dem Betriebstank (5) Lösung aus dem Vorratstank (2) zugeführt wird.
Steuereinrichtung (S) zur Steuerung einer Abgasnachbehandlung (30) in einem Abgassystem (20) und zur Steuerung einer Versorgungsvorrichtung (10) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Einschaltzustand (E) der Abgasnachbehandlung (30) bei der Versorgungsvorrichtung (10) der erste Betriebsmodus und in einem Ausschaltzustand (A) der Abgasnachbehandlung (30) bei der Versorgungsvorrichtung (10) der zweite Betriebsmodus eingestellt wird.