DE102014207834A1 - Arrangement for the reduction of nitrogen oxides - Google Patents
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Abstract
Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine 1, aufweisend ein Dosiermodul 8 zum Einbringen eines Reduktionsmittels in eine abgasführende Abgasanlage 3 mit einem SCR-Katalysator 7, wobei das Dosiermodul 8 mit einem Kühlmittelkreislauf 16 zur Kühlung des Dosiermoduls 8 verschaltet ist, und ein Durchflussregler 17 in dem Kühlkreislauf 16 angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden angegeben, die bei kompakter Bauweise bei allen Betriebszuständen der Anordnung zuverlässig arbeitet. Erreicht wird dies dadurch, dass der Durchflussregler 17 an dem Dosiermodul 8 angeordnet ist und direkt in einen Kühlmittelkreislaufauslass 14 des Dosiermoduls 8 eingebaut ist.Arrangement for the reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas of an internal combustion engine 1, comprising a metering module 8 for introducing a reducing agent into an exhaust gas-carrying exhaust system 3 with an SCR catalytic converter 7, wherein the metering module 8 is connected to a coolant circuit 16 for cooling the metering module 8, and a flow regulator 17 is arranged in the cooling circuit 16. According to the invention, an arrangement for the reduction of nitrogen oxides is specified, which operates reliably in a compact design in all operating states of the arrangement. This is achieved in that the flow regulator 17 is arranged on the dosing module 8 and is installed directly in a coolant circulation outlet 14 of the dosing module 8.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Dosiermodul zum Einbringen eines Reduktionsmittels in eine abgasführende Abgasanlage mit einem Katalysator, wobei das Dosiermodul mit einem Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Dosiermoduls verschaltet ist und ein Durchflussregler in dem Kühlkreislauf angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Anordnung.The invention relates to an arrangement for the reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas of an internal combustion engine, comprising a metering module for introducing a reducing agent into an exhaust gas-carrying exhaust system with a catalyst, wherein the metering module is connected to a coolant circuit for cooling the metering and a flow regulator is arranged in the cooling circuit. Furthermore, the invention relates to a method for operating such an arrangement.
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Reinigung von Abgasen einer in einem Fahrzeug verbauten Brennkraftmaschine mittels selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden in einem SCR-Katalysator. Als Reduktionsmittel wird üblicherweise eine Harnstoffwasserlösung verwendet. Diese Harnstoffwasserlösung wird beim Betrieb der Brennkraftmaschine aus einem Vorratsbehälter entnommen und mittels eines Dosiermoduls in die abgasführende Abgasanlage vor dem nachgeschalteten SCR-Katalysator eingeleitet.The invention relates to the technical field of cleaning exhaust gases of an internal combustion engine installed in a vehicle by means of selective catalytic reduction of nitrogen oxides in an SCR catalytic converter. As the reducing agent, a urea water solution is usually used. This urea water solution is removed during operation of the internal combustion engine from a reservoir and introduced by means of a metering module in the exhaust gas-carrying exhaust system before the downstream SCR catalyst.
Stand der TechnikState of the art
Eine derartige Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden anzugeben, die/das bei kompakter Bauweise bei allen Betriebszuständen der Anordnung zuverlässig arbeitet. The invention is based on the object to provide an arrangement and a method for operating an arrangement for the reduction of nitrogen oxides, which / works reliably in a compact design in all operating conditions of the arrangement.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Durchflussregeler an dem Dosiermodul angeordnet ist. Die Anordnung des Durchflussregelers an dem Dosiermodul trägt zunächst einmal zu einer kompakten Ausgestaltung der gesamten Anordnung bei, indem kein eigenständiges Bauteil in eine entsprechende Verbindungsleitung eingebaut und entsprechend befestigt werden muss. Der Anbau des Durchflussregelers an den Dosiermodul lässt sich dabei bei optimaler Ausgestaltung ohne eine Bauraumvergrößerung bewerkstelligen. Dabei ist es darüber hinaus so, dass das Dosiermodul normalerweise an der Abgasanlage angeordnet und befestigt ist, so dass keine zusätzliche Befestigung für den an den Dosiermodul angebauten Durchflussregler notwendig ist. Dadurch, dass der Durchflussregler direkt an dem Dosiermodul angeordnet ist, kann darüber hinaus präzisiere Regelung des Kühlmittelflusses durch das Dosiermodul erfolgen, da beispielsweise eine in dem Dosiermodul aufgenommene Temperatur zur direkten Regelung des Durchflussreglers herangezogen werden kann. This object is achieved in that the flow control is arranged on the metering module. The arrangement of the flow control on the metering initially contributes to a compact design of the entire arrangement by no independent component must be installed in a corresponding connection line and secured accordingly. The attachment of the flow control to the dosing module can be accomplished with an optimal design without an increase in space. Moreover, it is moreover the case that the dosing module is normally arranged and fastened to the exhaust system, so that no additional fastening is necessary for the flow regulator attached to the dosing module. Because the flow regulator is arranged directly on the dosing module, more precise control of the coolant flow through the dosing module can be carried out since, for example, a temperature recorded in the dosing module can be used for direct regulation of the flow regulator.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Durchflussregler in einem Kühlmittelkreislaufauslass des Dosierventils angeordnet. Grundsätzlich kann der Durchflussregler auch in den Kühlmittelkreislaufeinlass oder auch direkt in den kühlmittelführenden Bereich des Dosiermoduls eingebaut sein, der Einbau in den Kühlmittelkreislaufauslass bietet aber den Vorteil, dass ein Überhitzen des Durchflussreglers ausgeschlossen ist, da der Durchflussregler für diesen Fall so ausgebildet ist, dass er dann von selbst öffnet. In a development of the invention, the flow regulator is arranged in a coolant circulation outlet of the metering valve. In principle, the flow regulator can also be installed in the coolant circulation inlet or directly into the coolant-carrying region of the dosing module, but the incorporation into the coolant circulation outlet has the advantage that overheating of the flow regulator is precluded since the flow regulator is designed in this case to be so then opens by itself.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Durchflussregler eine zylinderförmige Nadelsitzführung auf und die Nadelsitzführung ist direkt in einem Kühlmittelkreislaufauslassanschluss eingesetzt. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da dadurch keine zusätzlichen Umbauten oder Anbauten an dem Dosiermodul notwendig sind, um den Durchflussregler anzubauen. Der Durchflussregler kann so ausgebildet sein, dass dieser in einen vorhandenen Kühlmittelkreislaufauslass eingesetzt wird oder aber der Kühlmittelkreislauslass wird insbesondere hinsichtlich seines Durchmessers so angepasst, dass ein vorhandener Durchflussregler in diesem eingebaut werden kann. In a further embodiment of the invention, the flow regulator has a cylindrical needle seat guide and the needle seat guide is inserted directly into a coolant circuit outlet port. This embodiment is particularly advantageous, since no additional conversions or additions to the metering module are necessary in order to grow the flow regulator. The flow regulator may be designed to be inserted into an existing coolant circulation outlet or else the coolant circulation outlet is particularly adapted in terms of its diameter so that an existing flow regulator can be installed therein.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Öffnungsrichtung des Durchflussreglers in Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgerichtet. Diese Ausrichtung erhöht die Eigensicherung des Durchflussreglers, da dieser beispielsweise bei einer Überhitzung selbsttätig öffnend ausgebildet sein kann. In a development of the invention, the opening direction of the flow regulator is aligned in the flow direction of the coolant. This alignment increases the intrinsic safety of the flow regulator, since this can be designed to open automatically, for example, in the event of overheating.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Durchflussregler ein Thermostatventil, das wiederum in weiterer Ausgestaltung ein Bimetallelement aufweist. Einerseits stehen entsprechende Thermostatventile in den verschiedensten Ausgestaltungen zur Verfügung und andererseits ist ein solches Thermostatventil zuverlässig selbstregelnd. Durch die zuvor angegebene Ausrichtung des Thermostatventils so, dass die Öffnungsrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgerichtet ist, ist das Bimetallelement auf der Einflussseite in das Thermostatventil gegebenenfalls bis in den Innenraum des Dosiermoduls hineinragend angeordnet. Dadurch ist eine sehr präzise Erfassung der in den Dosiermodul herrschenden Temperatur sichergestellt. Darüber hinaus ist durch diese Ausgestaltung ein Überhitzen des Thermostatventils ausgeschlossen, da das Thermostatventil in diesem Fall ohne weitere Maßnahmen von selbst öffnet. Grundsätzlich ist das Thermostatventil so ausgelegt, dass dieses öffnet, wenn die Kühlmitteltemperatur einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet und schließt, wenn dieser Mindestwert unterschritten wird. Fließende Übergänge bei dem Öffnungsvorgang und Schließvorgang sind in der Form darstellbar, dass das Ventil innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs mehr oder weniger drosselt. Auf diese Weise ist die ventilseitige Kühlmitteltemperatur im Betriebsbereich sehr zuverlässig und auch feinfühlig regelbar. In a further development of the invention, the flow regulator is a thermostatic valve, which in turn has a bimetallic element in a further embodiment. On the one hand, corresponding thermostatic valves are available in a wide variety of designs and, on the other hand, such is one Thermostatic valve reliably self-regulating. By the above-mentioned orientation of the thermostatic valve so that the opening direction is aligned in the flow direction of the coolant, the bimetallic element is arranged on the influence side in the thermostatic valve possibly up to the interior of the dosing. This ensures a very precise detection of the temperature prevailing in the metering module. In addition, overheating of the thermostatic valve is excluded by this configuration, since the thermostatic valve opens in this case without further action by itself. Basically, the thermostatic valve is designed so that this opens when the coolant temperature exceeds a predetermined minimum value and closes when this minimum value is exceeded. Flowing transitions in the opening operation and closing operation can be represented in the form that the valve throttles more or less within a certain temperature range. In this way, the valve-side coolant temperature in the operating range is very reliable and sensitive.
In Weiterbildung der Erfindung weist das Dosiermodul ein elektrisch betätigtes Dosierventil auf und eine Ventileinrichtung des Dosierventils ist auf einer Austrittsseite für Reduktionsmittel an dem Dosiermodul angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht einerseits eine exakte Dosierung des Reduktionsmittels nahe der Einlassstelle in die Abgasanlage und andererseits durch die in Weiterbildung vorgesehene Kühlmittelleiteinrichtung eine zuverlässige Kühlung dieses thermisch belasteten Bereichs einschließlich der Ventileinrichtung.In a development of the invention, the metering module has an electrically actuated metering valve and a valve device of the metering valve is arranged on an outlet side for reducing agent on the metering module. On the one hand, this embodiment enables exact metering of the reducing agent near the inlet point into the exhaust system and, on the other hand, reliable cooling of this thermally loaded area, including the valve device, by means of the coolant guide device provided in the development.
In Weiterbildung der Erfindung weist das Dosiermodul eine Kühlmittelleiteinrichtung auf, die den Kühlmittelstrom zu der Austrittsseite für das Reduktionsmittel leitet. Durch diese Ausgestaltung wird die zuvor angegebene Kühlung dieses thermisch belasteten Bereichs sichergestellt. In a development of the invention, the metering module has a coolant guide device which directs the coolant flow to the outlet side for the reducing agent. This embodiment ensures the aforementioned cooling of this thermally stressed area.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlmittelleiteinrichtung eine Durchtrittsöffnung aufweisende Leitwand. Diese Leitwand ist innerhalb des Dosiermoduls zwischen einem Kühlmittelkreislaufeinlass und dem Kühlmittelkreislaufauslass angeordnet und die Durchtrittsöffnungen sind so angeordnet beziehungsweise ausgerichtet, dass eine intensive Kühlung der Ventileinrichtung bei geöffneten Thermostatventil erfolgt. In a development of the invention, the coolant guide device has a passage opening having a guide wall. This baffle is disposed within the dosing between a coolant circuit inlet and the coolant circuit outlet and the passage openings are arranged or aligned so that intensive cooling of the valve device takes place when the thermostatic valve is open.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer abgasführenden Abgasanlage und einer Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden des in einem in der Abgasanlage geführten Abgas nach einem der beschriebenen Ausgestaltungen ausgestaltet. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein leichtes Nutzfahrzeug sein. In diesem Segment werden verstärkt Anordnungen zur Reduktion von Stickoxiden eingesetzt, die mit einer beschriebenen Flüssigkeitskühlung ausgestattet sind. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Anordnung aber auch an Brennkraftmaschinen einsetzbar, die in beliebigen Fahrzeugen oder Maschinen verbaut sind. In a development of the invention, a vehicle having an exhaust gas-conducting exhaust system and an arrangement for reducing nitrogen oxides of the exhaust gas carried in an exhaust system in accordance with one of the described embodiments is configured. The vehicle may be, for example, a passenger car or a light commercial vehicle. In this segment, increasingly used arrangements for the reduction of nitrogen oxides, which are equipped with a described liquid cooling. In principle, however, the arrangement according to the invention can also be used on internal combustion engines which are installed in any vehicles or machines.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der an dem Dosiermodul angeordnete Durchflussregler bei Unterschreitung einer Kühlmitteltemperatur von angenähert 120°C eine Drosselung oder Sperrung des Kühlmittelflusses durch den Durchflussregler einstellt. Diese Abstimmung beziehungsweise dieses Verfahren bewirkt, dass bei einem Start, insbesondere einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und folglich noch kalten Kühlmittel eine Durchströmung des Dosiermoduls mit Kühlmittel gedrosselt beziehungsweise abgesperrt ist. Dadurch wird ein Auskühlen der Ventileinrichtung im Startfall verhindert und ein Ventilklemmer der Ventileinrichtung kann durch eine elektrische Beheizung der Ventileinrichtung jederzeit gelöst werden. Dieser Ventilklemmer wird durch Kristalle, insbesondere Harnstoffkristalle des Dosiermittels, das bevorzugt eine Harnstoffwasserlösung ist, verursacht, wobei die Harnstoffkristalle durch eine elektrische Beheizung geschmolzen werden können. Für den Fall, dass unterhalb einer Kühlmitteltemperatur von 120°C eine Drosselung des Kühlmittelflusses eingestellt wird, erfolgt diese so, dass unterhalb einer Temperatur von 80°C eine Sperrung des Kühlmittelflusses durch den Durchflussregler eingestellt ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Einfrieren der Ventileinrichtung während des Betriebs verhindert werden. Dies kann insbesondere bei in Fahrzeugen verbauten Brennkraftmaschinen auftreten, die einen separaten Ladeluftkühlkreislauf aufweisen. Wird die Ventileinrichtung über diesen Kreislauf gekühlt, sind Temperaturen von weniger als –ca. 11°C möglich, unterhalb der das Dosiermittel in Form einer Harnstoffwasserlösung friert. Für diesen Fall schließt der Durchflussregeler unterhalb einer Temperatur von 0°C, bevorzugt unterhalb von –5°C. Diese Frostschutzfunktion kann auch durch eine entsprechende Ausgestaltung des Durchflussreglers mit der Funktion der Verhinderung einer Auskühlung im Startfall kombiniert werden.The method according to the invention provides that the flow regulator arranged on the dosing module sets throttling or blocking of the coolant flow through the flow regulator when the coolant temperature falls below approximately 120 ° C. This coordination or this method has the effect that at a start, in particular a cold start of the internal combustion engine and consequently still cold coolant, a flow through the metering module is throttled or shut off with coolant. As a result, cooling of the valve device is prevented in the start case and a valve clamp of the valve device can be solved at any time by electrical heating of the valve device. This valve clamp is caused by crystals, in particular urea crystals of the dosing agent, which is preferably a urea-water solution, wherein the urea crystals can be melted by electric heating. In the event that below a coolant temperature of 120 ° C, a throttling of the coolant flow is set, this is done so that below a temperature of 80 ° C, a blockage of the coolant flow is set by the flow controller. Alternatively or additionally, a freezing of the valve device during operation can be prevented. This can occur in particular in internal combustion engines installed in vehicles, which have a separate charge air cooling circuit. If the valve device is cooled via this circuit, temperatures of less than -ca. 11 ° C below which the dosing freezes in the form of a urea water solution. For this case, the flow control closes below a temperature of 0 ° C, preferably below -5 ° C. This antifreeze function can also be combined by a corresponding design of the flow regulator with the function of preventing a cooling in the starting case.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist. Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, in which an illustrated in the figures embodiment is described in detail.
Es zeigen: Show it:
Die
Der SCR-Katalysator
Zur Kühlung der Ventileinrichtung
Der Durchflussregler
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Einfrieren der Ventileinrichtung
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