DE102012206563A1

DE102012206563A1 - SCR-Anordnung mit kühlmittelgekühltem Dosiermodul

Info

Publication number: DE102012206563A1
Application number: DE201210206563
Authority: DE
Inventors: Manfred Huebl; Markus Mitterlehner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-24

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen eines Kraftfahrzeugs, mit einem Dosiermodul zum Einbringen eines Reduktionsmittels in eine abgasführende Abgasanlage vorgeschlagen, wobei zumindest das Dosiermodul mittels eines Kühlmittelkreislaufs kühlbar ausgebildet ist, und die Anordnung einen Durchflussregler zum Steuern eines Kühlmitteldurchflusses des Kühlmittelkreislaufs umfasst. Außerdem wird ein Fahrzeug mit einer abgasführenden Abgasanlage und einer entsprechend ausgebildeten Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in einem in der Abgasanlage geführten Abgases beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Bekannt ist die Reinigung von Abgasen einer in einem Kraftfahrzeug vorgesehenen Brennkraftmaschine mittels selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden (kurz: SCR). Als Reduktionsmittel findet üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung Anwendung, wie beispielsweise die unter dem Markennamen „AdBlue^®” bekannte harnstoffhaltige Lösung. Dieses Reduktionsmittel wird im Betrieb des Fahrzeugs mittels einer SCR-Anordnung aus einem Vorratsbehälter den Abgasen zudosiert.
Eines der Hauptbestandteile der SCR-Anordnung ist ein Dosiermodul, welches das aus dem Vorratsbehälter zugeführte Reduktionsmittel in die Abgasanlage einleitet. Beispielsweise ist hierzu das Dosiermodul stromaufwärts vor einem SCR-Katalysator angeordnet.
Aufgrund einer sehr hohen Temperatur des Abgases kommt es im Bereich des Dosiermoduls zu einer erheblichen Temperaturbelastung, die eine zusätzliche Kühlung des Dosiermoduls erforderlich macht. Bekanntermaßen ist das Dosiermodul hierzu mit einer Luftkühlung oder mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestaltet. Während die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu der Luftkühlung besonders leistungsfähig ist und auch bei hohen Betriebstemperaturen für eine zuverlässige Kühlung des Dosiermoduls sorgt, kann sich diese besondere Kühlungswirkung insbesondere bei einem Fahrzeugkaltstart nachteilig auswirken. So bewirkt die gleichzeitige leistungsfähige Kühlung des Dosiermoduls bei einem Erwärmen auf eine Betriebstemperatur, dass das Dosiermodul erst mit erheblicher zeitlicher Verzögerung seine vorteilhafte Betriebstemperatur von über 80°C erreichen kann. Eine erwünschte Funktionsweise des Dosiermoduls zum Einbringen des Reduktionsmittels wird in Folge dessen vorübergehend gehemmt und ebenfalls verzögert.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich in diesem Zusammenhang bei sehr kalten Umgebungstemperaturen, da bekannte Reduktionsmittel, wie beispielsweise AdBlue^®, bereits bei ca. –11°C gefrieren. Es muss daher üblicherweise die Zuleitung des Reduktionsmittels zu dem Dosiermodul sowie das Dosiermodul selbst zusätzlich beheizt werden, um deren Einsatz zu ermöglichen. Die gleichzeitige Kühlung mittels des Kühlkreislaufs bewirkt jedoch, dass ein wesentlicher Anteil der zugeführten Heizenergie über den Kühlkreislauf entzogen und ungenutzt abgeführt wird, ohne zu einer Erwärmung des Reduktionsmittels beizutragen.
Der gleiche Effekt tritt bei einem Beheizen des Dosiermoduls auf, um bei einem Start des Fahrzeugs mögliche Verklebungen von Harnstoffresten in dem Dosiermodul durch Hitzeeintrag zu entfernen. Auch in diesem Fall führt der Kühlkreislauf zu einer unerwünschten Abführung von extra zugeführter Wärmeenergie.
In all den dargestellten Fällen erreicht das Dosiermodul und somit das SCR-System erst mit erheblicher zeitlicher Verzögerung seine vorteilhafte Betriebstemperatur und volle Einsatzbereitschaft.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine schnelle Einsatzbereitschaft des SCR-Systems auch bei einem Fahrzeugkaltstart bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Demnach wird eine Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, mit einem Dosiermodul zum Einbringen eines Reduktionsmittels in eine abgasführende Abgasanlage, wobei zumindest das Dosiermodul mittels eines Kühlmittelkreislaufs kühlbar ausgebildet. Die Anordnung umfasst außerdem einen Durchflussregler zum Steuern eines Kühlmitteldurchflusses des Kühlmittelkreislaufs.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden handelt es sich also vorzugsweise um ein sogenanntes SCR-System, dessen Dosiermodul mittels eines über den Kühlmittelkreislauf bereitgestellten Kühlmittels kühlbar ist. Um ein schnelles Erreichen einer Betriebstemperatur des Dosiermoduls zu erzielen, ist der Durchflussregler vorgesehen, welches den Durchfluss des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf steuert. Vorzugsweise weist das Kühlmittel einen flüssigen Aggregatszustand auf.
Die Steuerung des Durchflussreglers kann zum beschriebenen schnellen Erwärmen des Dosiermoduls derart ausgestaltet sein, dass der Durchflussregler zumindest zwischen einer Schließstellung zur Unterbrechung eines Kühlmitteldurchflusses und einer geöffneten Stellung steuerbar ist. Außerdem kann optional eine beliebige Anzahl an Zwischenstellungen zwischen der Schließstellung und der geöffneten Stellung für einen lediglich teilweisen Durchfluss des Kühlmittels vorgesehen werden.
Der Kühlmittelkreislauf ist derart ausgebildet, dass zumindest das Dosiermodul gekühlt werden kann. Jedoch kann der Kühlmittelkreislauf auch derart angepasst sein, dass neben dem Dosiermodul auch die Zuleitung für das Reduktionsmittel zu dem Dosiermodul gekühlt werden kann.
Das schnelle Aufwärmen des Dosiermoduls ermöglicht außerdem auskristallisiertes Reduktionsmittel in dem Dosiermodul bzw. einer Zuleitung möglichst schnell zu entfernen. Das Reduktionsmittel kann beispielsweise auskristallisieren, wenn das Fahrzeug nach einem Betrieb abgestellt wird und Harnstoff in dem Dosiermodul oder der Zuleitung verbleibt und die in unmittelbarer Nähe herrschenden hohen Temperaturen des Abgasstranges auf die Reste einwirken. Die gebildeten Kristalle können ansonsten bei einem erneuten Start des Fahrzeugs zu einer Verstopfung bzw. Verklemmung des Dosiermoduls führen. Durch das beschriebene Unterbrechen der Kühlung mittels des Durchflussreglers kann auf eine zusätzliche Heizung des Dosiermoduls bzw. der Zuleitung verzichtet werden, oder zumindest eine zusätzliche Heizung effektiver und schneller eingesetzt werden, da eine gleichzeitige Kühlung unterbleibt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Anordnung eine Zulaufleitung des Kühlmittelkreislaufs stromaufwärts des Dosiermodul und/oder eine Rücklaufleitung des Kühlmittelkreislaufs stromabwärts des Dosiermodul, wobei der Durchflussregler zum Steuern des Kühlmitteldurchflusses der Zulaufleitung oder der Rücklaufleitung zugeordnet ist. Somit ist es möglich, den Durchfluss durch die Zulaufleitung bzw. die Rücklaufleitung mit Hilfe des Durchflussreglers zu manipulieren und bei Bedarf zu drosseln oder sogar zu unterbrechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Durchflussregler regelbar ausgebildet. Der Durchflussregler kann also nicht nur aufgrund eines vorgegebenen Soll-Wertes angesteuert werden, sondern zusätzlich in Reaktion auf einen rückgemeldeten IST-Wert, wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur, eine lokale Temperatur des Dosiermoduls, eine Temperatur des Abgases und/oder eine Temperatur des Kühlmittels. Weicht die eine oder mehrere dieser gemessenen Temperaturen von einem definierten vorteilhaften Wert bzw. Wertebereich ab, so wird der Durchflussregler vollständig oder zumindest teilweise geschlossen und somit ein Kühlmitteldurchfluss des Kühlmittelkreislaufs unterbrochen.
Auf diese Weise wird die Kühlung des Dosiermoduls bei Bedarf entsprechend gedrosselt oder abgeschaltet, so dass sich das Dosiermodul möglichst schnell durch das benachbarte heiße Abgas bzw. die sich erhitzende Abgasanlage erwärmen kann. Die Regelung des Durchflussreglers ermöglicht somit ein schnelleres Aufwärmen des Dosiermoduls als dies mit einer gleichzeitig betriebenen Kühlung möglich ist.
Vorzugsweise ist der Durchflussregler als Thermostat ausgebildet. Ein Thermostat ist ein Temperaturregler, der beispielsweise mittels eines Temperaturfühlers eine der voranstehend genannten Temperaturen erfasst und mit einem vorgebaren SOLL-Wert abgleicht. Der Durchfluss wird sodann mittels eines Stellglieds geregelt.
Des Weiteren kann der Durchflussregler elektrisch betätigbar ausgebildet sein. Auf diese Art und Weise ist eine Steuerung bzw. Regelung in vorteilhafter und einfacher Weise mittels einer mit dem Durchflussregler gekoppelten Steuer-/Regelungseinheit möglich.
Anstelle oder zusätzlich zu einer elektrischen Betätigung kann der Durchflussregler aber auch ein regelbares Wachselement-Thermostat umfassen. Das Wachselement dehnt sich bei zunehmender Wärme aus und bewirkt somit eine selbständige, temperaturabhängige Veränderung des Kühlmitteldurchflusses.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist der Kühlmittelkreislauf fluidleitend mit einem Motorkühlkreislauf des Fahrzeugs koppelbar. Dies bedeutet, dass der Kühlmittelkreislauf und der Motorkühlkreislauf in gekoppeltem Zustand derart miteinander verbunden sind, dass Kühlmittel aus dem einen Kreislauf in den anderen übertreten kann. Aufgenommene Energie kann somit aus dem Kühlmittelkreislauf der Anordnung abtransportiert und in den Motorkühlkreislauf abgegeben werden. Mit anderen Worten kann der Kühlkreislauf also mit dem Motorkühlkreislauf derart verbunden sein, dass das Kühlmittel des Motorkühlkreislaufs über die Zulaufleitung zur Kühlung des Dosiermoduls eingesetzt und anschließend über eine Rücklaufleitung in den Motorkühlkreislauf rückgeführt wird.
Wie bereits beschrieben, umfasst das Reduktionsmittel vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Reduktionsmittel mittels der vorgeschlagenen Anordnung in den Abgasstrang eindosierbar.
Des Weiteren wird ein Fahrzeug mit einer abgasführenden Abgasanlage und einer Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in einem in der Abgasanlage geführten Abgas vorgeschlagen, wobei die Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden gemäß der Beschreibung ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist hierbei der Kühlmittelkreislauf fluidleitend mit einem Motorkühlkreislauf des Fahrzeugs zum gegenseitigen Austausch von Kühlmittel zwischen dem Motorkühlkreislauf und dem Kühlmittelkreislauf der Anordnung verbunden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Abgasstrang 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges mit einer Anordnung 20 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden in Abgasen (im Folgenden kurz: SCR-System).
Abgase einer Brennkraftmaschine 11 des Fahrzeugs werden über den Abgasstrang 10 mit einem Katalysator 12, einem Partikelfilter 13 und einem SCR-Katalysator 14 abgeleitet und über ein Endrohr 15 einer Umgebung des Fahrzeugs zugeführt. Die Brennkraftmaschine 11 umfasst außerdem einen Motorkühlkreislauf 16 zum Kühlen der Brennkraftmaschine 11.
Das SCR-System 20 ist lediglich auszugsweise dargestellt und zeigt daher lediglich eine Zuführleitung 21 für das Reduktionsmittel zu einem Dosiermodul 22 des SCR-Systems 20. Über das Dosiermodul 22 wird das zugeführte Reduktionsmittel in den Abgasstrang vor dem SCR-Katalysator 14 zudosiert. Alternativ ist ebenso eine Kombination aus einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator möglich, wobei das Dosiermodul in diesem Fall das Reduktionsmittel stromaufwärts vor diesem kombinierten Bauteil zuführt.
Aufgrund einer hohen Temperaturbelastung des Dosiermoduls 22 durch ein heißes Abgas im Betrieb der Brennkraftmaschine 11, ist das Dosiermodul 22 mit einem Kühlmittelkreislauf 23 ausgestattet.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Kühlmittelkreislauf 23 fluidleitend mit dem Motorkühlkreislauf 16 des Fahrzeugs gekoppelt, so dass ein gegenseitiger Austausch eines Kühlmittels zwischen dem Motorkühlkreislauf 16 und dem Kühlmittelkreislauf 23 der Anordnung 20 erfolgen kann.
Der Kühlmittelkreislauf 23 umfasst eine Zulaufleitung 23a zum Zuführen des Kühlmittels aus dem Motorkühlkreislauf 16 zu dem Dosiermodul 22 und eine Rücklaufleitung 23b zum Rückführen des Kühlmittels in den Motorkühlkreislauf 16.
Der Kühlmittelkreislauf 23 der Anordnung 20 umfasst außerdem einen als Thermostat 24 ausgebildeten Durchflussregler, welcher der Rücklaufleitung 23b zugeordnet ist und einen Durchfluss des Kühlmittels steuert. Ebenso ist es möglich, den Durchflussregler der Zulaufleitung 23a zuzuordnen, um den Durchfluss zu steuern.
Das Thermostat 24 kann beispielsweise elektrisch betätigt oder als temperaturgesteuertes Wachs-Thermostat ausgebildet sein und entsprechend den Kühlmitteldurchfluss manipulierend variieren. Insbesondere kann der Durchfluss nach einem Kaltstart des Fahrzeugs gedrosselt oder sogar abgesperrt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Dosiermodul 22 schneller durch die in der Abgasanlage 10 geführten Abgase aufgewärmt wird, als wenn es gleichzeitig und fortlaufend über den Kühlmittelkreislauf 23 gekühlt werden würde.
Gleichzeitig kann im Falle einer zusätzlichen Beheizung (nicht dargestellt) des Dosiermoduls 22 bei sehr geringer Umgebungstemperatur oder zum Entfernen von auskristallisierten Harnstoffresten eine Kühlung bzw. eine unmittelbare Abführung der Wärmeenergie mittels des Kühlmittelkreislaufs durch Betätigen des Durchflussreglers bzw. des Thermostats verhindert werden.

Claims

Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen eines Kraftfahrzeugs, mit einem Dosiermodul (22) zum Einbringen eines Reduktionsmittels in eine abgasführende Abgasanlage (10), wobei zumindest das Dosiermodul (22) mittels eines Kühlmittelkreislaufs (23) kühlbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (20) einen Durchflussregler (24) zum Steuern eines Kühlmitteldurchflusses des Kühlmittelkreislaufs (23) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung (20) eine Zulaufleitung des Kühlmittelkreislaufs stromaufwärts von dem Dosiermodul und/oder eine Rücklaufleitung (23b) des Kühlmittelkreislaufs (23) stromabwärts von dem Dosiermodul (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussregler (24) zum Steuern des Kühlmitteldurchflusses der Zulaufleitung (23a) oder der Rücklaufleitung (23b) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussregler (24) regelbar ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussregler (24) elektrisch betätigbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussregler als Thermostat ausgebildet ist (24).
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussregler (24) ein regelbares Wachselement-Thermostat umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (23) fluidleitend mit einem Motorkühlkreislauf (16) des Fahrzeugs koppelbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel eine wässrige Harnstofflösung ist.
Fahrzeug mit einer abgasführenden Abgasanlage (10) und einer Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden (20) in einem in der Abgasanlage (10) geführten Abgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (23) fluidleitend mit einem Motorkühlkreislauf (16) des Fahrzeugs verbunden ist zum gegenseitigen Austausch von Kühlmittel zwischen dem Motorkühlkreislauf (16) und dem Kühlmittelkreislauf (23) der Anordnung (20).