DE102011090070A1

DE102011090070A1 - Abgasnachbehandlungsanordnung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102011090070A1
Application number: DE102011090070A
Authority: DE
Inventors: Frank Gottwald; Godehard Nentwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-04
Also published as: FR2985286A1; FR2985286B1

Abstract

Es wird eine Abgasnachbehandlungsanordnung (3) zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden, vorgeschlagen, mit einer Pumpe (7) zum Ansaugen eines Hilfsmittels zur Reinigung aus einem Tank (1) und mit einem Dosiermodul (13) zur nachmotorischen Zuführung des Hilfsmittels in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Druckleitung (25) zwischen der Pumpe (7) und dem Dosiermodul (13) ein ein Absperrelement (41) aufweisendes Absperrventil (40) angeordnet ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Abgasnachbehandlungsanordnung und einem Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen ist zur Erfüllung der Umweltauflagen häufig ein SCR-Katalysator in der Abgasanlage vorgesehen. Damit der SCR-Katalysator die im Abgas enthaltenen NOx-Verbindungen in Wasser und Luftstickstoff umwandeln kann, wird stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Abgasnachbehandlungsmittel, beispielsweise eine als Reduktionsmittel dienende flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang eingespritzt. Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein Dosiersystem umfassend einen Reduktionsmitteltank, eine Reduktionsmittelpumpe und ein Dosiermodul, das ähnlich wie der Injektor einer Kraftstoffeinspritzanlage arbeitet, eingesetzt. Die Pumpe und zugeordnete Komponenten werden auch als Fördermodul bezeichnet.
Aufgabe des Fördermoduls bzw. der Pumpe ist es, Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Tank anzusaugen und auf der Druckseite einen ausreichenden Druck aufzubauen, so dass die flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung fein zerstäubt wird, sobald das Dosiermodul bedarfsgesteuert öffnet und das Abgasnachbehandlungsmittel insbesondere nachmotorisch der Abgasanlage zuführt. Der Injektor ist ebenso wie das Fördermodul mit einem Steuergerät der Brennkraftmaschine verbunden und wird von diesem dem Bedarf entsprechend geöffnet und wieder geschlossen. Entsprechendes gilt auch für den Betrieb der Förderpumpe. Da Harnstoff-Wasser-Lösung die Eigenschaft hat, bei niedrigen Temperaturen einzufrieren und dabei sein Volumen um etwa 11 % zu vergrößern, müssen Maßnahmen getroffen werden, um Schäden an dem Dosiersystem durch gefrierende Harnstoff-Wasser-Lösung zu verhindern.
Zu diesem Zweck ist aus der EP1812144 bekannt, Harnstoff-Wasser-Lösung führende Leitungen zu belüften. Dazu ist die Pumpe mit einer umkehrbaren Förderrichtung ausgebildet bzw. es ist ein Ventil zur Umkehr der Förderrichtung der Pumpe vorgesehen. Es ist hier wie auch in der nachveröffentlichten DE 10 2011 081 628 beschrieben, dass optional eine zweite Pumpe vorgesehen sein kann, um die Harnstofflösung aus dem Bereich der Förderleitung herauszupumpen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanordnung beziehungsweise das Verfahren zur Abgasnachbehandlung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass ein Nachlaufschutz gewährleistet werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungsanordnung möglich.
Insbesondere ein passives Funktionsprinzip eines Absperrventils stellt einen auch mit einer Rücksaugfunktionalität vereinbaren und darüber hinaus kostengünstigen Nachlaufschutz dar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine verbindbare Abgasnachbehandlungsanordnung,
2 ein Absperrventil in geschlossenem Zustand und
3 ein Absperrventil in geöffnetem Zustand.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Abgasnachbehandlungsanordnung bzw. Dosieranordnung 3 für eine als Abgasnachbehandlungsmittel eingesetzte wässrige Harnstofflösung, welche in einem Vorratstank 1 bevorratet wird. Hierbei ist ein Fördermodul 21 vorgesehen, welches über eine Druckleitung 25 mit einem Dosiermodul 13 verbunden ist. Das Fördermodul 21 umfasst eine Förderpumpeneinheit 5, innerhalb der druckseitig einer Förderpumpe 7 ein Rückschlagventil 6 folgt. Saugseitig ist die Förderpumpe 7 über eine Saugleitung 23 mit dem Vorratstank 1 verbunden, wobei zwischen Tank 1 und Förderpumpeneinheit 5 ein Vorfilter 9 angeordnet ist. Die Druckleitung 25 verbindet einen druckseitigen Anschluss der Förderpumpeneinheit 5 über ein Hauptfilter 10, und im Unterschied zu einer aus der nachveröffentlichten DE 10 2011 088 217 bekannten Dosieranordnung zusätzlich über ein Absperrventil 40 mit dem Dosiermodul 13. Dabei ist der Eingang 38 des Absperrventils 40 mit dem Ausgang des Hauptfilters 10 verbunden, während der Ausgang 39 des Absperrventils 40 mit dem Dosiermodul 13 verbunden ist. Das Absperrventil weist zwei Schaltzustände auf: offen und geschlossen. Im Bereich der Ausgangsseite des Hauptfilters 10, noch vor dem Absperrventil 40, ist eine Rücklaufleitung 27 angeschlossen, welche zum Vorratstank 1 zurückführt und dort vorzugsweise oberhalb eines maximalen Füllstands des Tanks 1 endet. In der Rücklaufleitung 27 ist eine Reihenschaltung eines Rückschlagventils 17 mit einer Drossel 15 angeordnet. Das Rückschlagventil 17 ist auf der dem Tank zugewandten Seite der Rücklaufleitung angeordnet und kann zum Tank hin öffnen, und die Drossel 15 ist auf der dem Hauptfilter 10 zugewandten Seite der Rücklaufleitung angeordnet. Drossel 15 und Rückschlagventil 17 sind als integriertes Bauteil ausgebildet und können auch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein. Das Fördermodul 21 weist neben der Förderpumpe 7 eine bedarfsweise schaltbare Rücksaugpumpe 8 auf, welche über eine Rücksaugleitung 29 eingangsseitig über die Rücklaufleitung 27 mit der Druckleitung 25 verbunden ist. Ausgangsseitig der Rücksaugpumpe 8 führt die Rücksaugleitung 29 über die dem Tank zugewandte Seite der Rücklaufleitung 27 zurück zum Tank. An die Druckleitung 25 ist in einem Bereich zwischen dem Hauptfilter 10 und dem Dosiermodul 13 ein Drucksensor 11 angeschlossen.
Zum Einen wird über die Förderpumpeneinheit im Dosierbetrieb das flüssige Abgasnachbehandlungsmittel aus dem Tank angesaugt und über das Dosiermodul 13, welches als schaltbares Ventil ausgestaltet sein kann, stromaufwärts insbesondere eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion dosiert in den Abgastrakt eingespritzt. Überschüssiges Abgasnachbehandlungsmittel fließt über die Rücklaufleitung 27 zurück in den Tank. Zum Anderen wird nach Abstellen der Brennkraftmaschine zu Zwecken des Gefrier- bzw. Korrosionsschutzes das Leitungssystem leergesaugt. Hierzu wird das insbesondere elektrisch ansteuerbare Dosiermodul geöffnet und die Rücksaugpumpe 8 eingeschaltet, so dass über die Rücksaugpumpe 8 insbesondere das Dosiermodul und auch die ansonsten fluidführenden Leitungen entleert werden und das betreffende Abgasnachbehandlungsmittel unter Nutzung der Rücklaufleitung 27 insbesondere auf der dem Tank zugewandten Seite der Rücklaufleitung 27 wieder dem Tank 1 zugeführt wird.
Das Absperrventil 40 dient zur Gewährleistung eines Nachlaufschutzes. Nachlaufschutz bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nach Rücksaugen bzw. Leersaugen der Druckleitung 25 und insbesondere des Dosiermoduls 13 durch anschließendes Absperren der Druckleitung durch Überführen des Absperrventils 40 in den geschlossenen Zustand ein Nachlaufen von Reduktionsmittel, das sich noch im Bereich des Fördermoduls befinden kann, hinein in das Dosiermodul sicher unterbunden wird. Das Absperrventil kann beispielsweise als 2/2-Wege-Ventil ausgeführt werden. Insbesondere kann ein beispielsweise elektrisch ansteuerbares 2/2-Wege-Ventil eingesetzt werden, das so ausgeführt ist, dass es wahlweise einzelne oder mehrere oder alle der folgenden Anforderungen erfüllt:

a) Im stromlosen Absperrfall soll das Absperrventil geschlossen sein.
b) Im Betriebsfall der Dosieranordnung (5bar oder 9bar nominal Betriebsdruck) soll das Ventil stromlos geöffnet sein.
c) Im Rücksaugfall (drucklos; relativer Druck P = 0bar) soll das Absperrventil geöffnet sein.
d) Wenn das Absperrventil geschlossen ist, soll das Ventil maximal dicht sein, um ein Nachlaufen von Reduktionsmittel bzw. eine Leckage zu verhindern.
e) Das Absperrventil soll vorzugsweise keine elektrischen Aktuatoren aufweisen, vorzugsweise soll das Absperrventil ein passiv wirkendes Ventil sein (passives Funktionsprinzip).

2 zeigt eine Ausführungsform eines Absperrventils 40 in Form eines 2/2-Wege-Ventils mit Selbsthaltung. Das Ventil ist ein passives Ventil, dargestellt ist es im geschlossenen Zustand. Das Ventil weist eine bistabile Feder 49 auf, die an ihrem einen Ende an einer Federlagerung 51 gelagert und an ihrem anderen Ende mit einem Dichtstempel 41 verbunden ist. Die eine hohe Schließkraft erzeugende bistabile Feder 49, beispielsweise in Form einer Blattfeder, drückt den Dichtstempel 41 mit hoher Kraft F1’ in den Dichtsitz 53. Das Absperrventil ist hierbei vorzugsweise im Fördermodul 21 integriert. Der Ausgang 39 ist im dargestellten geschlossenen Zustand gegenüber dem Eingang 38 durch den auf der dem Dichtsitz zugewandten Seite von einer Elastomermembran 45 bedeckten Dichtstempel 41 abgedichtet. Die Elastomermembran dient gleichzeitig zur beweglichen Lagerung des Dichtstempels, indem sie oberhalb des Dichtsitzes vom Dichtstempel abkragt und von einer Membranhalterung 47 gehalten wird. Membranhalterung und abkragende Elastomermembran begrenzen hierbei fluiddicht den Eingangskanal 38 des Absperrventils auf der dem Dichtsitz gegenüberliegenden Seite. Im geschlossenen Zustand des Ventils ist ein Gegenlagerbereich 55 des Dichtstempels 41 von einer Anschlagfläche 43 beabstandet.
In 3 ist der Nachlaufschutz der Abgasnachbehandlungsanordnung bzw. der Dosieranordnung bzw. das Absperrventil 40 im geöffneten Zustand dargestellt. Die bistabile Feder 49 hält den Dichtstempel 41 mit geringer Kraft F2’ in geöffneter Position. Beim Start der Dosieranordnung wird ein Systemdruck aufgebaut, das heißt, am Eingangskanal 38 liegt ein Flüssigkeitsdruck des Reduktionsmittels an. Der Druck wirkt auf die Membran 45 und öffnet das Ventil gegen die in 1 dargestellte Federkraft F1’. Die bistabile Feder 49 wird hierbei überdrückt und der Gegenlagerbereich 55 des Dichtstempels 41 bewegt sich gegen die Anschlagfläche 43, bis er, wie in 3 dargestellt, auf der Anschlagfläche aufliegt. Die bistabile Feder 49 erzeugt nun eine gegenüber der Verschlusskraft F1’ gemäß 2 deutlich geringere Halte- bzw. Öffnungskraft F2’, die den Dichtstempel 41 auch bei Druckschwankungen bzw. Druckeinbrüchen im Eingangskanal 38 im normalen Betrieb geöffnet hält. Befindet sich die Abgasnachbehandlungsanordnung beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs und wird die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs abgestellt, befindet sie sich also am Ende eines Fahrzyklus, so wird die Förderpumpe 5 abgeschaltet und der Flüssigkeitsdruck im Eingangskanal 38 sinkt auf ca. 0 bar ab. Wird hierbei bzw. im Anschluss das Dosiermodul 13 geöffnet und die Rücksaugpumpe 8 aktiviert, wird ein Ansaug-Unterdruck erzeugt, der so niedrig ist, dass er nicht in der Lage ist, bei geöffnetem Dosiermodul 13 die Haltekraft F2’ zu überwinden. Nachdem das Reduktionsmittel, zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung, bis hinter das 2/2-Ventil 40, also hinter das Absperr- bzw. Nachlaufschutz-Ventil, zurückgesaugt wurde, kann das Dosiermodul 13 geschlossen werden. Die Rücksaugpumpe wird weiterhin betätigt und erzeugt nun einen deutlich höheren Unterdruck als bei geöffnetem Dosiermodul, der nun in der Lage ist, die Haltekraft F2’ der bistabilen Feder 49 zu überwinden, und die bistabile Feder wechselt von der Position geringer Öffnungskraft F2’ gemäß 3 wieder in die Position hoher Schließkraft F1’ gemäß 2; entsprechend wechselt die Position des Dichtstempels 41 und das Absperrventil geht wieder in den geschlossenen Zustand gemäß 2 über. Der von der Rücksaugpumpe bei geöffnetem Dosiermodul erzeugte Unterdruck soll einen Schwellenwert nicht unterschreiten, um die Rücksaugfunktion zu gewährleisten. Die bistabile Feder ist hinsichtlich ihrer Haltekraftposition (siehe 3) auf den Schwellenwert ausgelegt, damit das Absperrventil beim Rücksaugen geöffnet bleibt, solange das Dosiermodul geöffnet ist. In einer vereinfachten Ausführungsform kann eine separate bistabile Feder 49 entfallen, indem ihre Funktion durch die Membran 45 selbst bereitgestellt 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

EP 1812144 [0004]
DE 102011081628 [0004]
DE 102011088217 [0013]

Claims

Abgasnachbehandlungsanordnung (3) zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden, mit einer Pumpe (7) zum Ansaugen eines Hilfsmittels zur Reinigung aus einem Tank (1) und mit einem Dosiermodul (13) zur nachmotorischen Zuführung des Hilfsmittels in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Druckleitung (25) zwischen der Pumpe (7) und dem Dosiermodul (13) ein ein Absperrelement (41) aufweisendes Absperrventil (40) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (40) ein 2/2-Wege-Ventil, insbesondere ein passives 2/2-Wege-Ventil, ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil ein bistabiles Federelement (49) aufweist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (41) als Dichtstempel ausgebildet ist, welcher in einem geschlossenen Zustand des Absperrventils mit hoher Schließkraft auf einem Dichtsitz (53) aufliegt.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (41) in einem geöffneten Zustand des Absperrventils mit niedriger Haltekraft auf einer Anschlagfläche (43) aufliegt.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 3 und nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Federelement (49) die hohe Schließkraft und/oder die niedrige Haltekraft bereitstellt.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rücksaugfunktionalität, insbesondere eine Rücksaugpumpe (8), vorgesehen ist, und dass die niedrige Haltekraft so bemessen ist, dass im Falle eines Rücksaugens des Hilfsmittels aus dem Dosiermodul (13) bei geöffnetem Dosiermodul das Absperrventil (40) geöffnet bleibt.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil eine Elastomermembran (45) aufweist, wobei die Elastomermembran eingerichtet ist zur beweglichen Lagerung des Absperrelements (41).
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Federelement durch die Elastomermembran gebildet ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomermembran (45) das Absperrelement (41) zumindest auf der dem Dichtsitz (53) zugewandten Seite umgibt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden, bei dem mittels einer Pumpe (7) ein Hilfsmittel zur Reinigung aus einem Tank (1) angesaugt und mittels eines Dosiermoduls (13) dosiert dem Abgastrakt der Brennkraftmaschine nachmotorisch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckleitung (25) zwischen der Pumpe und dem Dosiermodul bedarfsweise abgesperrt wird.