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Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Schutz von gefriergefährdete Flüssigkeiten enthaltenden Fluid-Systemen oder -Komponenten, insbesondere von SCR-Systemen von Verbrennungsmotoren, gegen Gefrierdruck, wobei aus einem eingeschlossenen, konstanten Luftvolumen unter Ausnutzung von Zustandsänderungen des Luftvolumens durch Druckdifferenzsteuerung am Ende einer jeden System-Betriebsphase eine bestimmte Luftmenge als Ausgleichsvolumen in das Fluid-System eingebracht wird.
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Zudem betrifft die Erfindung auch eine neuartige Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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In der Kraftfahrzeug-Technik werden insbesondere bei Dieselmotoren häufig so genannte SCR-Katalysatoren eingesetzt (SCR = selective catalytic reduction), wobei als NOx-Reduktionsadditiv in der Regel eine wässrige, z. B. 32,5%-ige Harnstoff-Lösung verwendet wird. Bei einem Einsatz in Kraftfahrzeugen sind niedrige Umgebungstemperaturen problematisch, weil es zu einem Gefrieren des Reduktionsadditivs kommen kann. So liegt bei einer Harnstoff-Wasser-Lösung der Gefrierpunkt bei etwa minus 11°C. Es ist allgemein bekannt, dass es bei einem beim Einfrieren von Flüssigkeiten auftretenden Phasenwechsel, hier der Änderung des Aggregatzustandes von flüssig nach fest, auch zu einer Volumenausdehnung kommt, die bei dem bevorzugten Reduktionsadditiv bei etwa 10% liegt. In geschlossenen, mit dem Medium gefüllten Systemen, wie Leitungen und sonstigen Aggregaten, resultiert daraus ein hoher Gefrierdruck, der häufig zu Schäden und Undichtigkeiten führt.
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Entsprechende Probleme können z. B. auch im Bereich von Scheibenwaschanlagen und deren Waschwasser-Systemen auftreten.
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Es ist bekannt, die beim Gefrieren auftretende Volumenausdehnung mechanisch zu kompensieren, beispielsweise über Federn, welche bei Belastung ein Ausgleichsvolumen generieren. Hierzu wird beispielsweise auf das Dokument
DE 20 2007 013 316 U1 verwiesen. Mechanische Lösungen sind jedoch häufig kompliziert und anfällig für Fehlfunktionen.
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Speziell in Fahrzeugen, in denen Druckluft zur Verfügung steht, wie dies bei Lastkraftwagen mit Druckluft-Bremsanlage der Fall ist, kann nach dem Abstellen des Motors das SCR-System ganz oder zumindest teilweise mit Druckluft ausgeblasen werden, so dass beim Einfrieren genügend komprimierbares Luftvolumen zur Verfügung steht. Diese Maßnahme erfordert aber nach dem Abstellen des Motors noch eine elektrische Spannungsversorgung. Zudem ist in solchen Fahrzeugen die Druckluft üblicherweise getrocknet, so dass eine Beaufschlagung des SCR-Systems mit dieser getrockneten Luft eine unerwünschte Kristallbildung im System bewirkt.
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Weiterhin ist es insbesondere im Pkw-Bereich bekannt, nach dem Abstellen des Motors das SCR-System ganz oder zumindest teilweise mittels einer Pumpe leer zu saugen. Auch hierzu wird nach dem Abstellen des Motors noch elektrische Energie benötigt. In diesem Zusammenhang wird auf das Dokument
DE 10 2009 014 436 A1 verwiesen, gemäß dem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art offenbart ist, bei der eine Förderleitung nach dem Abschalten einer Fluid-Förderpumpe mit Luft geflutet wird.
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In bestimmten Fahrzeugen, wie insbesondere in Gefahrgut-Transportern, steht nach dem Abstellen des Motors keine elektrische Spannung mehr zur Verfügung, weil diese aus Sicherheitsgründen vollständig abgeschaltet werden muss.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Bestandteile von Flüssigkeitssystemen, insbesondere von SCR-Systemen, und zwar vor allem besonders Gefrierdruck-gefährdete, das Reduktionsadditiv enthaltende Komponenten und Aggregate, auch dann sicher vor einem Gefrierdruck der Flüssigkeit bzw. des Reduktionsadditivs zu schützen, wenn nach dem Abschalten des Motors im Fahrzeug keine elektrische Spannung mehr zur Verfügung steht und/oder wenn das Fahrzeug nicht über ein Druckluft-System verfügt.
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Diese Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren gemäß dem ersten unabhängigen Anspruch 1 und andererseits durch eine Einrichtung gemäß dem zweiten unabhängigen Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie in der anschließenden Beschreibung enthalten.
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Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung beispielhaft für eine Anwendung bei einem SCR-System genauer erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische, blockschaltbildartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
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2 bis 4 jeweils eine Darstellung wie in 1 in verschiedenen Ausführungsvarianten und
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5 ein Druck-Temperatur-Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Wirkungsweise der Einrichtung gemäß 1 bis 4.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels eine erfinderische Bedeutung haben.
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In den 1 bis 4 ist jeweils eine Komponente 2 eines SCR-Katalysatorsystems stark schematisch dargestellt. Bei dieser SCR-Komponente 2 kann es sich um eine Leitung, einen Leitungsverbinder oder um ein Aggregat, wie eine Pumpe, ein Dosiermodul, eine Dosiereinheit oder einen Tank, handeln. Die SCR-Komponente 2 enthält zumindest im Betriebszustand des SCR-Systems ein fluidisches Reduktionsadditiv, wie insbesondere eine wässrige Harnstoff-Lösung, die mittels einer Pumpe mit einem bestimmten Förderdruck zu einer nicht dargestellten Dosiereinheit geführt und in einen Abgasstrang eingedüst wird. Im Stillstand kann das Reduktionsadditiv bei Umgebungstemperaturen unterhalb seines Gefrierpunktes von insbesondere etwa minus 11°C einfrieren, was bei einem vollständig oder nahezu vollständig gefüllten System zu einem erhöhten inneren Gefrierdruck im System führen kann. In den 1 bis 4 ist der Druck des Reduktionsadditivs mit pSCR eingetragen, wobei dieser Druck je nach Betriebszustand unterschiedlich hoch sein kann. Im Betrieb handelt es sich um den Pumpen-Förderdruck, im Ruhezustand kann der Druck auf Atmosphärendruck patm absinken.
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Erfindungsgemäß ist nun zum Schutz des SCR-Systems an mindestens einer seiner Komponenten, wie z. B. der angedeuteten Komponente 2, eine Einrichtung 4 gemäß vorliegender Erfindung fluidisch, d. h. über eine Leitung für ein fluidisches Medium angeschlossen, wobei der Begriff „Fluid” grundsätzlich Gase und Flüssigkeiten umfasst. Diese erfindungsgemäße Einrichtung 4 besteht in der Hauptsache aus einem druckfesten Luftbehälter 6 mit einem definierten, konstanten Innenvolumen V0. Dieses Innenvolumen V0 des Luftbehälters 6 ist über ein erstes Differenzdruckventil 8 mit dem Innenraum der SCR-Komponente 2 verbunden. Außerdem ist das Innenvolumen V0 des Luftbehälters 6 über ein zweites Differenzdruckventil 10 und vorzugsweise über einen Luftfilter 12 mit der Umgebungsluft, d. h. mit der Außenatmosphäre, also mit Atmosphärendruck patm, verbunden. Weiterhin ist es wesentlich, dass dem Luftbehälter 6 Heizmittel 14 zugeordnet sind, um das eingeschlossene Luftvolumen V0 im Betrieb des Systems aufheizen zu können.
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Die Differenzdruckventile 8, 10 sind im Grunde als Rückschlagventile jeweils für eine Durchströmung nur in einer Richtung ausgebildet. So sperrt das erste Ventil 8 jedenfalls eine Strömung aus der SCR-Komponente 2 in den Luftbehälter 6, und das zweite Ventil 10 lässt nur eine Strömung aus der Atmosphäre in den Luftbehälter 6 zu. Das Öffnen der Ventile wird aber ausschließlich von den jeweils anstehenden Drücken gesteuert; eine z. B. elektrische oder elektromagnetische Fremdsteuerung ist nicht erforderlich. Wie beispielhaft schematisch dargestellt ist, können die Ventile 8, 10 als Sitzventile mit in Schließrichtung federbelasteten Ventilelementen, z. B. als Kugelsitzventile, ausgebildet sein, es kann sich aber auch z. B. um Lamellen- oder Membranventile handeln. Die Öffnungs- und Schließeigenschaften können durch Variation der Federvorspannung und/oder durch Auslegung der jeweils mit Druck beaufschlagten Flächengrößen vorgegeben werden.
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Als Heizmittel 14 ist in 2 beispielhaft ein elektrisches Heizelement 16 in Form eines elektrischen Heizleiters angedeutet, wobei der Heizleiter um den Luftbehälter 6 gewickelt sein kann.
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Gemäß 3 kann als Heizmittel 14 der Luftbehälter 6 mit Strahlungs- oder Konvektionswärme beaufschlagt werden, wie dies durch Pfeile 18 angedeutet ist.
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In der Ausführungsvariante nach 4 ist als Heizmittel 14 eine Fluid-Beheizung angedeutet, wobei ein fluidisches Heizmedium, d. h. ein beliebiges, für einen Wärmeübertrager geeignetes, bei der Anwendung zur Verfügung stehendes Medium, wie insbesondere Motor-Kühlflüssigkeit, Kältemittel einer Klimaanlage oder dergleichen, durch eine Rohrwendel 20 geführt wird.
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Im Folgenden sollen anhand des Diagramms in 5 das erfindungsgemäße Verfahren und die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung 4 gemäß 1 bis 4 erläutert werden.
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Das Diagramm in 5 zeigt für das in dem Luftbehälter 6 enthaltene Luftvolumen V0 die Abhängigkeit zwischen Druck pL und Temperatur TL. In einem Startpunkt A in einer System-Ruhephase entspricht der Luftdruck pL im Luftbehälter 6 dem Atmosphärendruck patm, und die Temperatur TL entspricht der Umgebungstemperatur, die beispielhaft im negativen Bereich liegen kann.
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Wird ausgehend von diesem Zustand im Startpunkt A der Betrieb des Motors und des SCR-Systems gestartet, beginnen nachfolgend die Heizmittel 14, das Luftvolumen V0 im Luftbehälter 6 aufzuheizen; die Temperatur TL steigt, weshalb als so genannte „isochore Zustandsänderung” wegen des konstanten eingeschlossenen Volumens V0 der Luftdruck pL ebenfalls steigt. Dieser steigende Druck pL wirkt gegen die Differenzdruckventile 8 und 10, wobei das auf der Atmosphärenseite angeordnete zweite Differenzdruckventil 10 geschlossen bleibt, weil der Luftdruck pL größer als der Atmosphärendruck patm, ist. Auch das erste Differenzdruckventil 8 bleibt zunächst geschlossen, weil im Betrieb der Förderpumpe der innere SCR-Systemdruck pSCR so groß ist, dass er das Ventil 8 gegen den Luftdruck pL geschlossen hält. Dieser Betriebszustand ist der Betriebspunkt B in 5.
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Wird nun im Punkt B der Betrieb des Motors/des SCR-Systems abgeschaltet, so fällt zunächst der innere SCR-Druck pSCR, d. h. der Pumpen-Förderdruck, ab. Durch den Luftdruck pL wird dann das erste Differenzdruckventil 8 geöffnet, so dass Luft aus dem Luftbehälter 6 in die SCR-Komponente 2 einströmt, siehe die Pfeile 22 in 1 bis 4. Diese Luft verdrängt ein Teilvolumen des Reduktionsadditivs und bildet in der SCR-Komponente 2 ein Luftvolumen, welches im Falle eines späteren Gefrierens als Ausgleichsvolumen wirkt, und zwar wegen der Komprimierbarkeit als pneumatisches Federelement, wodurch ein unzulässig hoher Gefrierdruck im Fluid-System bzw. der Fluid-Komponente vermieden wird.
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Durch die Luftströmung aus dem Luftbehälter 6 in die SCR-Komponente 2 fällt innerhalb des Luftbehälters 6 der Luftdruck pL ab, wobei es sich um eine „isotherme Zustandsänderung” handelt; vom Punkt B bis zum Punkt C in 5 fällt der Druck pL bei gleicher Temperatur TL bis auf etwa Atmosphärendruck patm ab, bis das erste Differenzdruckventil 8 wieder schließt.
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Ausgehend vom Punkt C kann – insbesondere bei niedriger Umgebungstemperatur – das System weiter abkühlen, wobei ja auch die Heizmittel 14 des Luftbehälters 6 außer Betrieb sind; die Temperatur TL sinkt z. B. bis in den Minusbereich im Punkt D ab. Wegen des wieder geschlossenen ersten Differenzdruckventils 8 tritt als wiederum „isochore Zustandsänderung” auch eine Absenkung des Luftdrucks pL im eingeschlossenen Volumen V0 auf, und zwar auf einen Wert, der kleiner als der Atmosphärendruck patm ist. Dadurch öffnet selbsttätig das zweite Differenzdruckventil 10, so dass Umgebungsluft in Richtung der Pfeile 24 (1 bis 4) in den Luftbehälter 6 strömt, bis der innere Luftdruck pL vom Punkt D bis zum Punkt A auf Atmosphärendruck patm ansteigt und dadurch das zweite Differenzdruckventil 10 wieder schließt. Es ist dann wieder der Ausgangszustand A für weitere entsprechende Kreisprozesse bzw. Betriebszyklen erreicht.
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Aus den bisherigen Erläuterungen ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Einrichtung 4 allein druckgesteuert bzw. Differenzdruck-gesteuert arbeitet, wozu die Differenzdruckventile 8, 10 in Anpassung an die jeweiligen Druckverhältnisse innerhalb des SCR-Systems bezüglich ihrer Schließ- und Öffnungsdrücke so ausgelegt sind, dass die beschriebene Funktion erreicht wird, wonach es sich um ein selbstregelndes Einführen von Umgebungsluft in Gefrierdruck-gefährdete SCR-Komponenten unter Ausnutzung von isochoren und isothermen Zustandsänderungen über zwei einfache, selbsttätig druckgesteuerte Ventile 8, 10 handelt. Im Grunde stellt die Einrichtung 4 eine selbsttätige Luftpumpe dar, die am Ende jedes Betriebszyklus eine bestimmte Luftmenge in das jeweilige Fluid-System einbringt, wobei die dazu notwendige Energie in jeder Betriebsphase durch eine Druckerhöhung durch Erwärmung des in dem Luftbehälter 6 eingeschlossenen Luftvolumens V0 bereitgestellt wird. Insofern wirkt der Luftbehälter 6 auch als Energie- bzw. Druckspeicher.
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Das jeweils eingebrachte Luftvolumen ist so ausgelegt, dass es genügend Ausgleichsvolumen für eine annähernd drucklose Ausdehnung des Reduktionsadditivs innerhalb des SCR-Systems beim Gefrieren zur Verfügung stellt. Vorteilhafterweise sind keine elektrischen bzw. elektronischen Bauteile zur Ansteuerung/Regelung erforderlich. Auch ein Druckluft-Anschluss wird nicht benötigt. Zudem handelt es sich bei der zugeführten Luft vorteilhafterweise um Umgebungsluft und nicht um getrocknete Druckluft, so dass auch nachteilige Kristallbildungen im SCR-System vermieden oder zumindest auf ein Minimum reduziert werden. Das erfindungsgemäße System arbeitet nahezu wartungsfrei, abgesehen von einer eventuellen Reinigung bzw. einem Wechsel des optionalen Luftfilters 12. Durch die erreichten Vorteile eignet sich die Erfindung besonders zur Anwendung in solchen Fahrzeugen, wie insbesondere Gefahrgut-Transportern, bei denen im Stillstand nach dem Abschalten des Motors weder Druckluft noch elektrische Spannung zur Verfügung steht.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Vor allem sei nochmals erwähnt, dass sich die Erfindung für alle Fluid-Systeme eignet, die gefriergefährdete Flüssigkeiten enthalten. Zudem wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im jeweiligen unabhängigen Anspruch definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des jeweiligen unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
