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Die Erfindung betrifft ein Reduktionsmittelversorgungssystem zur Abgasnachbehandlung.
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Stand der Technik
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Die SCR-Technik („selective catalytic reduction“) mit einem harnstoffhaltigen Reduktionsmittel hat sich zur Entstickung der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, bewährt. Dazu wurden Systeme entwickelt, welche die Einhaltung der geforderten Abgasgrenzwerte durch eine definierte Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“) als Reduktionsmittel in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors und die Reduktion der Stickoxide in einem anschließenden SCR-Katalysator ermöglichen. Diese Systeme umfassen im Wesentlichen einen Tank für die Harnstofflösung, ein Fördermodul mit einer Filter- und Pumpeneinheit, ein Dosiermodul und ein elektronisches Steuergerät.
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Um bei einem möglichen Einfrieren des Reduktionsmittels nicht durch den dabei entstehenden Eisdruck beschädigt zu werden, muss das Dosiermodul eines solchen Systems im abgestellten Zustand vollständig entleert werden. Dies wird üblicherweise mit Hilfe einer Rücksaugpumpe realisiert, die nach dem Abschalten des Motors aktiviert wird, um das Reduktionsmittel aus dem Dosiermodul abzusaugen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reduktionsmittelversorgungssystem für ein Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung zu stellen, das ohne eine zusätzliche Rücksaugpumpe auskommt, ohne bei tiefen Temperaturen durch gefrierendes Reduktionsmittel beschädigt zu werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Reduktionsmittelversorgungssystem für ein Abgasnachbehandlungssystem eine Reduktionsmittelpumpe, die ausgebildet ist, Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank zu entnehmen und dem Eingang einer mit einem Ausgang der Reduktionsmittelpumpe verbundenen Venturi-Düse zuzuführen. Das Reduktionsmittelversorgungssystem umfasst auch ein Ein-Wege-Ventil, dessen Eingang mit einem Ausgang der Venturi-Düse verbunden ist, und einen Abzweig, der in eine Engstelle der Venturi-Düse mündet. Das Ein-Wege-Ventil ist so ausgebildet, dass es sich bei einem Öffnungsdruck, der größer als der Betriebsdruck des Abgasnachbehandlungssystems ist, öffnet.
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Die Erfindung umfasst auch ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem erfindungsgemäßen Reduktionsmittelversorgungssystem und mit einer Einspritzvorrichtung, die mit dem Abzweig verbunden und ausgebildet ist, Reduktionsmittel, das der Einspritzvorrichtung durch den Abzweig zugeführt wird, in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors einzuspritzen.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Entleeren eines Abgasnachbehandlungssystems mit einem erfindungsgemäßen Reduktionsmittelversorgungssystem. Das Verfahren umfasst, den Fluiddruck im Reduktionsmittelversorgungssystem über den Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils zu erhöhen, um das Ein-Wege-Ventil zu öffnen.
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Ein Reduktionsmittelversorgungssystem gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ermöglicht es, das Abgasnachbehandlungssystem und insbesondere dessen Einspritzvorrichtung nahezu vollständig zu entleeren, ohne dass dafür eine zusätzliche Rücksaugpumpe erforderlich ist. Die Kosten und der Platzbedarf für eine Rücksaugpumpe können so eingespart werden. Darüber hinaus wird der Aufbau des Systems vereinfacht und das System ist weniger wartungs- und störungsanfällig. Auch der im Betrieb mit der Ansteuerung einer Rücksaugpumpe verbundene Aufwand kann eingespart werden.
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In einer Ausführungsform ist das Ein-Wege-Ventil ausgebildet, bei Fluiddrücken oberhalb eines Offenhaltedrucks, der kleiner als der Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils ist, geöffnet zu bleiben. Auf diese Weise kann das Abgasnachbehandlungssystem vollständig entleert werden, auch wenn der Fluiddruck im Abgasnachbehandlungssystem nach dem Öffnen des Ein-Wege-Ventils unter den Öffnungsdruck abfällt.
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In einer Ausführungsform beträgt der Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils zwischen 8 bar und 10 bar, insbesondere 9 bar. In einer Ausführungsform beträgt der Offenhaltedruck des Ein-Wege-Ventils zwischen 0,25 bar und 0,75 bar, insbesondere 0,5 bar. Diese Drücke haben sich als besonders geeignet erwiesen, um das Abgasnachbehandlungssystem zu betreiben und nahezu vollständig zu entleeren.
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In einer Ausführungsform ist das Ein-Wege-Ventil als Membranventil mit einer elastischen Membran ausgebildet. Ein Membranventil ist besonders geeignet, um das gewünschte Öffnungs- und Offenhalteverhalten des Ein-Wege-Ventils zu realisieren.
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In einer Ausführungsform mündet der Zulauf des Ein-Wege-Ventils in einen Bereich, der einem zentralen Bereich der elastischen Membran des Membranventils gegenüberliegt. In einer Ausführungsform ist der Ablauf in einem radialen Abstand vom Zentrum der Membran ausgebildet, wobei der Abstand vom Zentrum der Membran größer als der Radius des zentralen Bereichs der Membran ist.
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Auf diese Weise kann ein Ein-Wege-Ventil bereitgestellt werden, dessen Offenhaltedruck erheblich kleiner als sein Öffnungsdruck ist.
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Der zentrale Bereichs der Membran kann dabei insbesondere einen Durchmesser von 2 mm bis 4 mm, insbesondere einen Durchmesser von 3 mm haben; und der Ablauf kann einen Abstand von 8 mm bis 9 mm, insbesondere einen Abstand von 8,5 mm vom Zentrum der Membran haben, um einen Öffnungsdruck und einen Offenhaltedruck im jeweils gewünschten Bereich zu realisieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben:
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Reduktionsmittelversorgungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Venturi-Düse, wie sie in dem in der 1 gezeigten Reduktionsmittelversorgungssystem zum Einsatz kommt.
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein Ein-Wege-Ventil, wie sie in dem in der 1 gezeigten Reduktionsmittelversorgungssystem zum Einsatz kommt.
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Die 4a bis 4c zeigen in schematischer Darstellung drei Betriebszustände eines Abgasnachbehandlungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Abgasnachbehandlungssystem 2 mit einem Reduktionsmittelversorgungssystem 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Reduktionsmittelversorgungssystem 4 umfasst einen Tank 10, in dem flüssiges Reduktionsmittel gespeichert ist.
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Eine Reduktionsmittelpumpe 14 ist ausgebildet, im Betrieb über eine Reduktionsmittelentnahmeleitung 12 Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank 10 zu entnehmen und einem Eingang einer Venturi-Düse 16 zuzuführen.
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Eine Reduktionsmittel-Rückführleitung 20, die über ein Ein-Wege-Ventil 18 mit einem dem Eingang der Venturi-Düse 16 gegenüberliegenden Ausgang der Venturi-Düse 16 verbunden ist, ermöglicht es, Reduktionsmittel, das aus dem Ausgang der Venturi-Düse 16 austritt, zurück in den Reduktionsmitteltank 10 zu führen.
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Die Venturi-Düse 16 hat einen Abzweig 16e, der über eine Dosiermodul-Versorgungsleitung 22 mit einem an einem Abgasstrang 8 eines Verbrennungsmotors 7 angeordneten Dosiermodul 6 verbunden ist.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Venturi-Düse 16.
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Die Venturi-Düse 16 hat einen Eingangsbereich 16a, der mit dem Ausgang der (in der 2 nicht gezeigten) Reduktionsmittelpumpe 14 verbunden ist und der auf seiner von der Reduktionsmittelpumpe 14 abgewandten Seite in einen Verengungsbereich 16b mündet, dessen Querschnitt sich in der Flussrichtung des Fluids (in der Darstellung der 2 von unten nach oben) verengt.
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An der engsten Stelle (Engstelle) 16c der Venturi-Düse 16 wird der minimale Querschnitt erreicht. Stromabwärts hinter (in der Darstellung der 2 oberhalb) der Engstelle 16c befindet sich ein Aufweitungsbereich 16d, dessen Querschnitt sich in der Flussrichtung des Fluids aufweitet. Der Ausgang des Aufweitungsbereichs 16d ist mit dem in der 1 gezeigten Ein-Wege-Ventil 18 verbunden.
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Ein Abzweig 16e, der, wie in der 1 gezeigt, durch eine Dosiermodul-Versorgungsleitung 22 mit dem Dosiermodul 6 verbunden ist, mündet in die Engstelle 16c der Venturi-Düse 16.
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein Ein-Wege-Ventil 18 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Ein-Wege-Ventil 18 umfasst zwei koaxial entlang einer Achse A angeordnete Gehäuseelemente 24, 25, zwischen denen eine elastische Membran 26 angeordnet, insbesondere eingeklemmt, ist. Die Gehäuseelemente 24, 25 und die elastische Membran 26 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildet.
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Im Zentrum eines ersten, in der 3 unten dargestellten, Gehäuseelements 24 ist entlang der Achse A ein Zufluss 34 ausgebildet, der im Betrieb mit dem Ausgang der Venturi-Düse 16 verbunden ist, wie in der 1 gezeigt.
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Wenn das Ein-Wege-Ventil 18 geschlossen ist, liegt die Membran 26 in einem radialen Abstand R1 von der Achse A auf einer der Membran 26 zugewandten Fläche 23 des ersten Gehäuseelements 24 auf, so dass der Zulauf 34 durch einen zentralen Bereich 27 der Membran 26 fluiddicht verschlossen wird.
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In einem in radialer Richtung größeren Abstand R2 > R1 von der Achse A ist ein Ablauf 36 ausgebildet, der mit der in der 3 nicht gezeigten Rücklaufleitung 20 verbunden ist (siehe 1). Wenn das Ein-Wege-Ventil 18 geöffnet ist, wird das Fluid durch den Ablauf 36 aus dem Ein-Wege-Ventil 18 abgeführt.
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Auf der von dem ersten Gehäuseelement 24 abgewandten (in der 3 oben dargestellten) Seite der Membran 26 ist in dem zentralen Bereich 27 der Membran ein Stößel 28 angeordnet, der beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet ist.
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Zwischen dem Stößel 28 und einem Federstützdeckel 30, der innerhalb des zweiten Gehäuseelements 25 angeordnet ist, befindet sich ein elastisches Element 32, beispielsweise eine Druckfeder. Das elastische Element 32 drückt den Stößel 28 und damit auch den zentralen Bereich 27 der Membran 26 gegen die der Membran 26 zugewandte Fläche 23 des ersten Gehäuseelements 24, um das Ein-Wege-Ventil 18 fluiddicht zu verschließen.
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Übersteigt der Fluiddruck im Zulauf 34 einen vorgegebenen Grenzwert ("Öffnungsdruck") von beispielsweise 9 bar, wird der zentrale Bereich 27 der Membran 26 von dem Fluid gegen die Kraft des elastischen Elements 32 gedrückt, so dass eine Öffnung zwischen der Membran 26 und der Fläche 23 des ersten Gehäuseelements 24, die der Membran 26 zugewandt ist, ausgebildet wird, durch die das Fluid aus dem Zulauf 34 in den Ablauf 36 fließen kann.
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Bei einem darauf folgenden Druckabfall im Zulauf 34 bleibt die Membran 26 auch bei Fluiddrücken unterhalb des vorgegebenen Öffnungsdrucks, beispielsweise bei Fluiddrücken oberhalb von 0,5 bar, in einem geöffneten Zustand. Mit anderen Worten, es ist ein erster, höherer Fluiddruck ("Öffnungsdruck") notwendig, um das Ein-Wege-Ventil 18 zu öffnen. Ein zweiter Fluiddruck ("Offenhaltedruck"), der geringer als der Öffnungsdruck ist, ist ausreichend, um das geöffnete Ein-Wege-Ventil 18 in seinem geöffneten Zustand zu halten.
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In den 4a bis 4c zeigen schematisch drei Betriebszustände eines Abgasnachbehandlungssystems 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4a veranschaulicht den Dosierbetrieb, in dem Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank 10 in den Abgasstrang 8 eingespritzt wird.
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In diesem Betriebszustand fördert die Reduktionsmittelpumpe 14 Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank 10 und erzeugt dabei am Ein-Wege-Ventil 18 einen Fluiddruck, der unterhalb des Öffnungsdrucks des Ein-Wege-Ventils 18 liegt. Das Ein-Wege-Ventil 18 ist daher geschlossen und das von der Reduktionsmittelpumpe 14 geförderte Reduktionsmittel strömt aus dem Anschluss 16e der Venturi-Düse 16 durch die Dosiermodul-Versorgungsleitung 22 zum Dosiermodul 6, das in Betrieb ist und das Reduktionsmittel im gewünschten Ausmaß in den Abgasstrang 8 einspritzt.
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Um das Abgasnachbehandlungssystem 2 und insbesondere das Dosiermodul 6 nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors 7 zu entleeren, d.h. um das Reduktionsmittel aus dem Dosiermodul 6 zu entfernen, wird das Abgasnachbehandlungssystem 2 in einen zweiten Betriebszustand gebracht, der in der 4b dargestellt ist.
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In diesem zweiten Betriebszustand ist das Dosiermodul 6 deaktiviert und geschlossen. Der Fluiddruck im Zulauf 34 des Ein-Wege-Ventils 18 wird durch entsprechendes Ansteuern der Reduktionsmittelpumpe 14 so weit erhöht, dass der vorgegebene Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils 18 überschritten wird.
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Bei Überschreiten des vorgegebenen Öffnungsdrucks öffnet das Ein-Wege-Ventil 18, und das von der Reduktionsmittelpumpe 14 geförderte Fluid strömt durch die Venturi-Düse 16, das geöffnete Ein-Wege-Ventil 18 und die Rücklaufleitung 20 zurück in den Tank 10.
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Nach dem Öffnen des Ein-Wege-Ventils 18 wird das Abgasnachbehandlungssystem 2 in einen dritten Betriebszustand gebracht, der in der 4c dargestellt ist.
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Ausgehend vom zweiten Betriebszustand, wie er in der 4b gezeigt ist, wird das Dosiermodul 6 geöffnet, so dass es über die Dosiermodul-Versorgungsleitung 22 in Fluidverbindung mit dem Abzweig 16e der Venturi-Düse 16 steht.
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Aufgrund der zuvor beschriebenen Strömung des Reduktionsmittels durch die Venturi-Düse (siehe 4b) und des sich daraus an der Engstelle 16c (siehe 2) der Venturi-Düse 16 ergebenden Bernoulli-Effekts wird das Reduktionsmittel von der Venturi-Düse 16 aus dem Dosiermodul 6 und der Dosiermodul-Versorgungsleitung 22 abgesaugt und durch das geöffnete Ein-Wege-Ventil 18 und die Rücklaufleitung 20 zurück in den Fluidtank 10 geführt.
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In diesem Betriebszustand liegt am Ein-Wege-Ventil 18 ein Fluiddruck an, der kleiner als der Öffnungsdruck des Ein-Wege-Ventils 18 aber größer als der Offenhaltedruck des Ein-Wege-Ventils 18 ist, so dass das Ein-Wege-Ventil 18 geöffnet bleibt. Der am Ein-Wege-Ventil 18 anliegende Fluiddruck kann in diesem Betriebszustand beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 bar und 9 bar liegen.
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Nachdem das Dosiermodul 6 und die Dosiermodul-Versorgungsleitung 22 auf die beschriebene Weise vollständig entleert worden sind, wird die Reduktionsmittelpumpe 14 abgeschaltet. In der Folge fällt der Fluiddruck am Ein-Wege-Ventil 18 unter den Offenhaltedruck, so dass das Ein-Wege-Ventil 18 schließt und das Abgasnachbehandlungssystem 2 durch Aktivieren der Reduktionsmittelpumpe 14 wieder im ersten Betriebszustand gemäß 4a betrieben werden kann.
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Ein Reduktionsmittelversorgungssystem 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht es, das Dosiermodul 6 eines Abgasnachbehandlungssystems 2 zu entleeren, um Schäden durch gefrierendes Reduktionsmittel zu verhindern, ohne eine zusätzliche Rückförderpumpe vorzusehen. Der Aufwand und die Kosten zur Herstellung des Abgasnachbehandlungssystems 2 können auf diese Weise erheblich reduziert werden.
