-
Stand der Technik
-
Aufgrund der in den nächsten Jahren zu erwartenden verschärften Abgasgesetzgebung muss bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen unter anderem der Anteil an Stickoxiden im Abgas reduziert werden. In Abgasnachbehandlungssystemen hat sich zur Stickoxidreduzierung ein auf selektiver katalytischer Reduktion (SCR) basierendes Verfahren etabliert. Beim SCR-Verfahren werden die Stickoxide mittels eines Betriebs-Hilfsstoffes, insbesondere eines schadstoffmindernden Mediums, zu Stickstoff und Wasserstoff reduziert. Als schadstoffminderndes Medium wird häufig eine wässrige Harnstoff-Wasser-Lösung eingesetzt, wobei durch thermische Zersetzung des Harnstoffs als Reduktionsmittel-Vorläufer das eigentliche Reduktionsmittel gasförmiger Ammoniak entsteht. Über ein Dosiersystem wird das schadstoffmindernde Medium in den Abgastrakt eingebracht. Hierbei wird das schadstoffmindernde Medium in einem Vorratsbehälter bevorratet und über ein Versorgungssystem zu einem Dosiermodul zur Einspritzung beispielsweise in das Abgasrohr befördert.
-
Das schadstoffmindernde Medium, wie zum Beispiel eine Harnstoff-Wasser-Lösung, ist eine gefrierfähige Flüssigkeit, welche je nach Harnstoffgehalt bei tiefen Temperaturen einfriert. Beispielsweise gefriert der unter dem Markennamen „AdBlue” erhältliche eutektische Harnstoff-Wasser-Lösung bei ca. –11°C. Um dem Abgasnachbehandlungssystem auch bei Temperaturen unterhalb von ca. –11°C in einer akzeptablen Zeit in ausreichender Menge flüssiges schadstoffminderndes Medium zur Verfügung stellen zu können, sind eine Isolation und aufwändige Heizsysteme für den Vorratstank sowie im Dosier-/Fördermodul notwendig. Nachteilig sind die hohen Kosten eines aufwendigen Heizsystems sowie der hohe Raumbedarf und das Mehrgewicht, welches letztlich zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt. Bei einem Verlust der Energieleistung der Heizsysteme verursacht die mit dem Einfrieren einhergehende Volumenexpansion und eine einsetzende Kristallisation von Harnstoff bei genügend tiefen Temperaturen Schäden am Tank und den Tankeinbauten sowie an Pumpen und anderen Vorrichtungen der Abgasnachbehandlungssysteme.
-
Aus
WO 2004/069385 A1 ist ein Verfahren zum Herabsenken eines Gefrierpunktes einer harnstoffhaltigen Reduktionsmittellösung bekannt, wobei eine Ammoniumverbindung, insbesondere Ammoniumformiat, der harnstoffhaltigen Reduktionsmittellösung hinzugefügt wird. Dies bedeutet allerdings einen zusätzlichen Betriebsstoff, sowie zusätzliche Versorgungseinrichtungen im Kraftfahrzeug und außerhalb desselben. Ferner setzt das zusätzliche Ammoniumformiat bei Temperaturen von über 300°C Ameisensäure frei, welche stark korrosiv wirkt. Bei der Dehydrierung von Ammoniumformiat entsteht giftiges Methanamid, welches ein Gesundheitsrisiko darstellt.
-
Aus
DE 198 19 579 ist ein Reduktionsmitteldosiersystem bekannt mit einem Druckspeicherbehälter. Der Druckspeicherbehälter weist eine federbelastete Membran auf, welche auf das im Druckspeicherbehälter befindliche Reduktionsmittel einwirkt, so dass dieses unter einem Überdruck von dem Druckspeicherbehälter abgegeben und einer Dosiereinheit zugeführt werden kann. Der Druckspeicherbehälter dient dabei als Zwischenspeicherung des Reduktionsmittels für eine Abmessung bedarfsgerechter Mengen an Reduktionsmittel.
-
Darstellung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herabsetzen des Gefrierpunktes eines schadstoffmindernden Mediums, insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung vorgeschlagen, wobei das schadstoffmindernde Medium zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird. Mittels einer Druckerhöhung in einer Speichereinrichtung und einer Dosiereinrichtung des schadstoffmindernden Mediums wird der Gefrierpunkt herabgesenkt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der herrschende Überdruck in der Speichereinrichtung genutzt werden, um das schadstoffmindernde Medium einem Dosiersystem und einer Einspritzvorrichtung zu zuleiten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird schadstoffminderndes Medium ohne Einsatz von Pumpen und eines Motors einer Einspritzeinrichtung zugeleitet.
-
Zweckmäßigerweise werden in der Speichereinrichtung das darin bevorratete schadstoffmindernde Medium mit Drücken bis zu 200 bar beaufschlagt, um in Abhängigkeit von dem schadstoffmindernden Medium eine Verschiebung des Gefrierpunktes bis beispielsweise –40°C zu erreichen.
-
Der Druck, welcher in der Speichereinrichtung des schadstoffmindernden Mediums beaufschlagt wird, kann durch die Einleitung eines flüssigen oder gasförmigen Fluids erzeugt werden, wobei beispielsweise der Druck durch geeignete mechanische und/oder hydraulische Komprimierung einer entsprechenden Speichereinrichtung erzeugt wird.
-
Der in der Einrichtung zur Speicherung des schadstoffmindernden Mediums beaufschlagte Druck kann dabei über einen Druckregler geregelt werden, so dass auf die Umgebungsbedingungen Rücksicht genommen werden kann.
-
Ferner wird vorgeschlagen, den Druck in der Speichereinrichtung des schadstoffmindernden Mediums und/oder stromabwärts der Speichereinrichtung mittels eines Drucksensors zu erfassen. Wird schadstoffminderndes Medium aus der Speichereinrichtung dem Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere einem Dosierventil, zugeleitet, sinkt der Druck in der Speichereinrichtung bzw. in der damit verbundenen Zuleitung zu einem Dosierventil. Der Drucksensor erfasst dabei den Druck. Somit kann über den in der Speichereinrichtung bzw. in der Zuleitung herrschenden Druck auf den Füllstand des bevorrateten schadstoffmindernden Mediums geschlossen werden. Über eine beispielsweise in einem Steuergerät gespeicherte Kennlinie für das Druckspeichervolumen in Abhängigkeit vom Druck kann die verbleibende bzw. abgegebene Menge an schadstoffminderndem Medium bestimmt werden. Unterschreitet der Druck einen bestimmten Grenzwert, muss der Speichereinrichtung erneut schadstoffminderndes Medium zugeführt werden.
-
Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Herabsetzen eines Gefrierpunktes des schadstoffmindernden Mediums vorgeschlagen, wobei die Speichereinrichtung druckdicht ist. Die druckdichte Speichereinrichtung, insbesondere ein Vorratstank, dient dabei zur Bevorratung des schadstoffmindernden Mediums unter einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck. Bei einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck wird ein Gefrierpunkt des bevorrateten schadstoffmindernden Mediums, insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung, soweit herabgesetzt, dass zumindest in dem Bereich, in dem der Einsatz einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen möglich ist, flüssiges schadstoffminderndes Medium zur Verfügung steht. Für Dieselbrennkraftmaschinen wird hierfür typischerweise eine Temperaturuntergrenze von ca. –20°C angegeben. Über einen umfassten Drucksensor kann der beaufschlagte Druck erfasst werden.
-
Die druckdichte Speichereinrichtung kann insbesondere als auswechselbare Kartusche ausgebildet sein, in dem das schadstoffmindernde Medium unter einem erhöhten Druck bevorratet ist. Die mit schadstoffminderndem Medium befüllte Kartusche ist zweckmäßig als Druck- bzw. Sicherheitsbehälter ausgebildet, welcher in Position angeordnet und fixiert ist. Die Kartusche weist ein Sicherheitsventil auf, welches bei einer Positionierung der Kartusche automatisch öffenbar ist. Demnach ist ein sicherer Einsatz gewährleistet und ein besonders einfacher Wechsel der Kartuschen möglich. Abhängig vom Verbrauch an schadstoffmindernden Medium ist eine als Kartusche ausgebildete druckdichte Speichereinrichtung sinnvoll, da keine weiteren Mittel notwendig sind, um den notwendigen Druck zu erzeugen.
-
Alternativ kann die druckdichte Speichereinrichtung selbst derart ausgebildet sein, dass ein gegenüber dem Umgebungsdruck höherer Druck eingestellt werden kann. So kann die druckdichte Speichereinrichtung beispielsweise eine federbelastete Membran oder einen Kolben oder eine von einem Gas beaufschlagte Membran aufweisen, wobei der Druck über mechanische und/oder hydraulische Mittel erzeugt wird.
-
Insbesondere kann ein bereits an dem Ort der Verwendung der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung vorhandene Einrichtung genutzt werden. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass die Speichereinrichtung des schadstoffmindernden Mediums mit einem mechanisch und/oder hydraulisch betreibbaren Druckspeicher gekoppelt wird, um den notwendigen Druck in der druckfesten Speichereinrichtung zu erzeugen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zum Herabsetzen des Gefrierpunktes eines bevorrateten schadstoffmindernden Mediums erlaubt eine einfache und kostengünstige Ausführung, wobei der Zusammenhang zwischen Druck und Gefrierpunkt insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung genutzt wird.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, dass die Förderung und Dosierung des schadstoffminderenden Mediums ohne teuere und zusätzliche Komponenten bewerkstelligt werden kann. Auf diese Weise kann der benötigte Bauraum verkleinert und das Gewicht reduziert werden, welches gemäß dem Stand der Technik für ein aufwendiges Heizsystem und ein entsprechendes Dosier- und Fördemodul aufgewendet werden müsste.
-
Ferner ergibt sich vorteilhaft, dass falls es trotz des Herabsenkens des Gefrierpunktes des in der Speichereinrichtung bevorrateten schadstoffmindernden Mediums es zu einem Einfrieren kommt, der beaufschlagte Druck erwirkt, dass sobald die eingefrorene Lösung auftaut sofort die Förderung beginnt, insbesondere muss keine Sicherheitszeitspanne abgewartet werden. Das schadstoffmindernde Medium wird über eine Förderleitung, welche nahe am Boden der Speichereinrichtung endet, mit diesem Druck herausgedrückt und einer Einspritzeinrichtung zugeführt.
-
Eine Speicherung des schadstoffmindernden Mediums in einer Kartusche mit einer Druckbeaufschlagung bietet ferner den Vorteil, dass diese Kartusche in regelmäßigen Zeitabständen ausgetauscht werden kann, beispielsweise bei einer regelmäßigen Wartung des Kraftfahrzeuges. Ein ansonsten notwendiges Versorgungsnetz, vergleichbar einem Kraftstoffversorgungsnetzwerk, ist nicht notwendig.
-
Die Nutzung der Druckinformation in der Speichereinrichtung bietet ferner den Vorteil, dass auf Füllstandssensoren verzichtet werden kann, da über den Zusammenhang von Druck bzw. Druckabfall die Menge an zudosiertem schadstoffmindernden Medium über eine Kennlinie ermittelt werden kann.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 zeigt eine Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer druckdichten Speichereinrichtung.
-
1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10, umfassend einen Abgastrakt 12 mit mindestens einem Russpartikelfilter 14 und zumindest einen SCR-Katalysator 16. Zum Einspritzen eines schadstoffmindernden Mediums ist eine Einspritzeinrichtung 18 in den Abgastrakt 12 stromabwärts des Russpartikelfilters 14 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 angeordnet.
-
Ferner ist dem Abgastrakt 12 ein Dosiersystem 20 zur Abgasnachbehandlung zugeordnet. Das Dosiersystem 20 umfasst eine Speichereinrichtung 22, in dem ein schadstoffminderndes Medium, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung bevorratet ist. Der Speichereinrichtung 22 ist druckdicht ausgebildet und kann über einen nicht dargestellten Stutzen befüllt werden, welcher druckdicht verschlossen werden kann. In der derart mit Druck beaufschlagbaren Speichereinrichtung 22 erzeugt der angelegte Druck ein Herabsetzen des Gefrierpunktes des darin bevorrateten schadstoffmindernden Mediums, wobei der zu beaufschlagende Druck niedriger ist, als dies beispielsweise für Wasser zu erwarten ist. Für eine 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung liegt der Gefrierpunkt bei Umgebungsdruck bei ca. –11,5°C. Bei einem Druck von ca. 3 bar wird der Gefrierpunkt der 32,5%igen Harnstoff-Wasser-Lösung auf einen Wert von ca. –23°C herabgesetzt. Diese Temperaturgrenze entspricht in etwa derjenigen Grenze, unterhalb derer der Einsatz einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine typischerweise nur mit weiteren Hilfsmaßnahmen möglich ist. Eine weitere Verschiebung des Gefrierpunktes, beispielsweise bis zu einer Temperatur von ca. –40°C, kann bei einem Druck bis zu 200 bar erwartet werden.
-
Das mit Druck beaufschlagte schadstoffmindernde Medium wird über eine Förderleitung 24 der Einspritzeinrichtung 18 zugeleitet, wobei die Förderleitung 24 nahe an den Boden der Speichereinrichtung 22 reicht. Zur dosierten Förderung des schadstoffmindernden Mediums kann die Einspritzeinrichtung 18 ein Dosierventil (nicht dargestellt) umfassen.
-
Eventuell kann in der Förderleitung 24 ein Filter (nicht dargestellt) vorgesehen werden, so dass Schwebestoffe bzw. Partikel aus dem zu fördernden schadstoffmindernden Medium entfernt werden. Dies verbessert die Zuverlässigkeit von der Speichereinrichtung 22 nachgeschalteten Baueinheiten.
-
Ein Drucksensor 30 ist in der Förderleitung 24 vorgesehen, wobei der Drucksensor 30 auch in der Speichereinrichtung 22 angeordnet sein kann.
-
In 1 ist mit Bezugszeichen 26 eine Druckluftleitung bezeichnet, welche Druckluft beispielsweise aus dem Fahrzeugdruckluftnetz (nicht dargestellt) in die Speichereinrichtung 22 leitet. Die Versorgung der Speichereinrichtung 22 mit Druckluft kann auch über den Anschluss der Druckluftleitung 26 an einen Luftverdichter 28 erfolgen, so dass das in der Speichereinrichtung 22 bevorratete schadstoffmindernde Medium mit Druck beaufschlagt werden kann, wobei in der Speichereinrichtung 22 ein gegenüber der Umgebungsluft erhöhter Druck eingestellt werden.
-
Die Druckluftleitung 26 kann ein Absperrventil 32 vorgesehen sein, so dass die Druckluftzufuhr in die Speichereinrichtung 22 unterbrochen werden kann. Ferner kann die Druckluftleitung 26 einen Druckregler 34 umfassen, so dass in der Speichereinrichtung 22 ein konstanter Druck eingestellt wird.
-
Die über die Druckluftleitung 26 zugeführte Druckluft erzeugt einen Druck in der Speichereinrichtung 22, wobei hierfür nur eine geringe Menge an Druckluft notwendig ist. Mittels des beaufschlagten Drucks wird das in der Speichereinrichtung 22 bevorratete schadstoffmindernde Medium in die Förderleitung 24 gedrückt, so das auf eine Förderpumpe mit Motor und weitere Einrichtungen verzichtet werden. Der auf das schadstoffmindernde Medium wirkende Druck erzeugt in der Förderleitung einen gleichmäßigen und pulsationsfreien Versorgungsdruck, so dass das schadstoffmindernde Medium zuverlässig der Einspritzeinrichtung 18 zugeführt wird.
-
Der mit dem Drucksensor 30 erfasste Druck kann verwendet werden, um über den Füllstand des in der Speichereinrichtung 22 bevorrateten schadstoffmindernden Mediums Auskunft zu geben. Beispielsweise kann in vorteilhafter Weise über eine Kennlinie für das gespeicherte Volumen in Abhängigkeit vom Druck die Menge an bevorratetem oder zudosiertem schadstoffmindernden Medium ermittelt werden. Da die Menge an zudosiertem schadstoffmindernden Medium relativ gering ist, sinkt während der Einspritzphase der Druck in der Speichereinrichtung 22 nicht unter einen unteren Schwellenwert, so dass der Gefrierpunkt des bevorrateten Mediums nicht stark verschoben wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2004/069385 A1 [0003]
- DE 19819579 [0004]
