DE102017218392A1

DE102017218392A1 - Einrichtung zur Abgasnachbehandlung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017218392A1
Application number: DE102017218392.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bruhn; Markus Wolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Nach der Erfindung ist eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung für ein Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mittels selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden, durch Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels an wenigstens zwei, in Strömungsrichtung des Abgases örtlich verschiedenen Stellen, in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine, mittels jeweils eines, durch Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine gekühlten Dosiermoduls, eingebaut in die Abgasanlage in einem Bereich vor jeweils einer dort eingebauten Katalysatorstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermodule seriell durch eine Kühlmittelleitung verbunden sind, die durch ein erstes Dosiermodul von einer Kühlmittelvorlaufleitung gespeist wird und durch ein letztes Dosiermodul in eine Kühlmittelrücklaufleitung mündet.

Description

Die Erfindung betrifft ein SCR-Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Bei Brennkraftmaschinen, in Kraftfahrzeugen dann hauptsächlich bei Verbrennungsmotoren, muss aufgrund von vorgegebenen Abgasgrenzwerten eine Reinigung der Abgase im Abgassystem vorgenommen werden, beispielsweise im Hinblick auf Stickoxide (NOx). Ein Verfahren für die NOx-Minderung in solchen Abgasen stellt die selektive katalytische Reduktion in einem so genannten SCR-Katalysator unter Verwendung von Ammoniak (NH3) bzw. von Ammoniak abspaltenden Reagenzien dar. Das Zudosieren des Ammoniaks erfolgt in den Abgasstrom in einem Bereich unmittelbar vor dem SCR-Katalysator. Durch dieses Zudosieren werden die durch die Verbrennung entstehenden Stickoxide (NOx) durch eine chemische Reaktion mit Ammoniak im SCR-Katalysator in Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umgewandelt. Um dies zu gewährleisten, wird Ammoniak in Form einer wässrigen Lösung als Reduktionsmittel durch ein Dosiermodul in die Abgasanlage eingespritzt. Dieses Dosiermodul kann abhängig vom Einbauort an der Abgasanlage hohen Temperaturen ausgesetzt sein, die die Lebensdauer des Bauteils verkürzen können.
Zur Reduzierung dieser thermischen Belastung ist aus dem Stand der Technik unter anderem aus der DE 10 2014 226 482 eine Wasserkühlung bekannt, bei der die Kühlung des Dosiermoduls durch den vorhandenen Kreislauf der Wasserkühlung des Verbrennungsmotors erfolgt.
Die DE10 2006 027 357 A1 beschreibt ergänzend eine SCR-Katalysatoreinrichtung, welche zumindest zwei voneinander beabstandete, hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak NH3, zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas des Verbrennungsmotors stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung zugeführt wird.
Zusätzlich beschreibt die DE10 2011 018 482 A1 eine Medienleitung, insbesondere zum Transport von Harnstoff-Wasser-Lösungen, mit einer Schlauchleitung zum Medientransport und optional mindestens einer Heizeinrichtung, vorzugsweise einem an eine Stromquelle anschließbaren Widerstandsheizdraht, zur Beheizung des Mediums, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schlauchleitung, vorzugsweise bereichsweise, von einer flüssigkeitsdichten Ummantelung umgeben ist, die gemeinsam mit der Schlauchleitung einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Spalt bildet, der zur äußeren Kühlung des Mediums in der Schlauchleitung dient.
Dies deshalb, weil in letzter Zeit zunehmend die Bestrebung besteht, die Dosiermodule der Harnstoff-Wasser-Lösung in immer heißeren Bereichen des Fahrzeugs zu platzieren, also die Einspritzung im Abgasstrang immer weiter in Richtung Brennkraftmaschine zu verschieben, was, aufgrund der oben beschriebenen begrenzten Temperaturbelastbarkeit der Harnstoff-Wasser-Lösung, gekühlte Dosiermodule voraussetzt.
Bei negativen Celsius - Temperaturen ist es möglich, dass das sich in der Reduktionsmitteleinspritzung, vorwiegend also in der Reduktionsmittelleitung, aber auch im Vorrats-Behälter befindende Reduktionsmittel gefriert und die Reduktionsmitteleinspritzung infolgedessen nicht einsatzbereit ist. Zudem kann eine Beschädigung der Reduktionsmitteleinspritzungsvorrichtung auftreten, aufgrund der bei der Eisbildung auftretenden Volumenvergrößerung. Um dies zu vermeiden wird üblicherweise, nach Abstellen des Verbrennungsmotors, überschüssiges Reduktionsmittel aus der Reduktionsmittelleitung abgepumpt und Reduktionsmittel führende Schlauchleitungen sind zur Einfrierverhinderung elektrisch beheizt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mittels SCR-Katalysator zu schaffen, die auf einfache Weise eine sichere Versorgung mit entsprechend temperiertem Reduktionsmittel gewährleistet, indem Sie sowohl dessen Einfrieren, als auch eine zu hohe Temperatur von, insbesondere brennkraftmaschinenahen, Dosiermodulen und des Reduktionsmittels verhindert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung ist eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung für ein Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mittels selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden, durch Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels an wenigstens zwei, in Strömungsrichtung des Abgases örtlich verschiedenen Stellen, in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine, mittels jeweils eines, durch Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine gekühlten Dosiermoduls, eingebaut in die Abgasanlage in einem Bereich vor jeweils einer dort eingebauten Katalysatorstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermodule seriell durch eine Kühlmittelleitung verbunden sind, die durch ein erstes Dosiermodul von einer Kühlmittelvorlaufleitung gespeist wird und durch ein letztes Dosiermodul in eine Kühlmittelrücklaufleitung mündet.
Eine solche Realisierung der Kühlung von Dosiermodulen durch deren Serienschaltung in einer Kühlmittelleitung benötigt nur einen Vorlauf- und einen Rücklaufabgriff am Kühlkreislauf. Gegenüber einzel-wassergekühlten Dosiermodulen mit jeweils einem Vorlauf und jeweils einem Rücklauf zum Kühlkreislauf, in Kombination mit einer passiv gekühlten Dosierleitung entfällt vorteilhafterweise der Rücklauf des einen Dosiermoduls und der Vorlauf des anderen Dosiermoduls, weil die wassergekühlte Dosierleitung den Kühlkreislauf beider Dosiermodule verbindet, was Kosten und Komplexität der Einrichtung reduziert.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass zur Bereitstellung von Reduktionsmittel in den Dosiermodulen eine Reduktionmittelleitung seriell von Dosiermodul zu Dosiermodul geführt ist, die durch das letzte Dosiermodul von einer Reduktionsmittelvorlaufleitung aus einem Reduktionsmittelbehälter gespeist wird und an dem ersten Dosiermodul endet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn wenigstens die Reduktionsmittelvorlaufleitung elektrisch erwärmbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind wenigstens zwei Katalysatorstufen in die Abgasanlage des Kraftfahrzeugs eingebaut, eine erste, bei Teillast der Brennkraftmaschine wirksamere, ist brennkraftmaschinennäher, und eine zweite, bei Vollast der Brennkraftmaschine wirksamere, ist brennkraftmaschinenferner eingebaut. Das hat den Vorteil einer besonders effektiven Abgasnachbehandlung.
Die Reduktionsmittelleitung kann vorteilhafterweise paarig so zur Kühlmittelleitung angeordnet sein, dass eine Wärmeabgabe von der Reduktionsmittelleitung zur Kühlmittelleitung stattfindet. Alternativ können die Kühlmittelleitung, als Außenrohr, und die Reduktionsmittelleitung, als Innenrohr, aus zwei konzentrischen Röhren bestehen und vorteilhafterweise ist die Förderrichtung einer Reduktionsmittelförderpumpe umkehrbar. Außerdem ist von Vorteil, wenn der Kühlwasser-Vorlauf bezüglich einer abzugebenden Wärmemenge abschalt- oder steuer- oder regelbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige, schematisch gezeichnete Figur zeigt eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung für ein Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mittels selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden, durch Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine.
Mittels einer Einrichtung zur Abgasnachbehandlung für ein Abgas einer nicht gezeichneten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs werden durch Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels, insbesondere einer wässerigen Harnstofflösung, aus einem nicht gezeichneten Vorratsbehälter, durch selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden, die Abgase der Brennkraftmaschine entgiftet. Dies aufgrund von vorgegebenen Abgasgrenzwerten, die eine solche Reinigung der Abgase im Abgassystem, insbesondere im Hinblick auf Stickoxide (NOx), notwendig machen.
Es wurde herausgefunden, dass ein Reduktionsmittel zur Zerlegung von Stickoxiden für eine effektive und zielgerichtete Abgasnachbehandlung in allen unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine aus dem Reduktionsmittel-Vorratsbehälter zu zwei oder weiteren Abgabestellen 2, 3 in einer Abgasanlage geführt und dort eingespritzt werden muss, so, im Falle der wässrigen Harnstofflösung, an eine motornahe, d.h. der Brennkraftmaschine näher liegende Abgabestelle 2 in der Brennkraftmaschinen-Abgasleitung 1 und an eine motorferne, d.h. von der Brennkraftmaschine weiter entfernt liegende weitere Abgabestelle 3 in der Brennkraftmaschinen-Abgasleitung 1. An allen Abgabestellen 2, 3 sind in die Abgasanlage durch Kühlmittel eines nicht vollständig dargestellten Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine gekühlte Dosiermodule 5, 6, zur Einspritzung des Reduktionsmittels in die Abgasanlage eingebaut, ein erstes Dosiermodul 5 in einem Bereich stromaufwärts eines Abgasstroms vor einer, in die Abgasanlage eingebauten motornahen SCR- Katalysatorstufe 7 und ein letztes Dosiermodul 6 in einem Bereich stromaufwärts des Abgasstroms vor einer in die Abgasanlage eingebauten Unterflur- SCR-Katalysatorstufe 8.
Die Dosiermodule 5, 6 sind seriell durch eine Kühlmittelleitung 9 verbunden, die durch das erste Dosiermodul 5 von einer Kühlmittelvorlaufleitung 10 gespeist wird und durch das letzte Dosiermodul 6 in eine Kühlmittelrücklaufleitung 13 mündet. Diese Kühlmittelleitung 9 kühlt auch mittels Wärmeübertragung eine deshalb entsprechend nah verlaufende Reduktionsmittelleitung 11, die zur Bereitstellung von Reduktionsmittel in den Dosiermodulen 5, 6, diese seriell verbindet. Die Reduktionsmittelleitung 11 wird die durch das letzte Dosiermodul 6 von einer Reduktionsmittelvorlaufleitung 4 aus dem Reduktionsmittel-Vorratsbehälter gespeist und endet an dem ersten Dosiermodul 5.
Zumindest die Reduktionsmittelvorlaufleitung 4 vom Reduktionsmittel-Vorratsbehälter zum letzten Dosiermodul 6 ist elektrisch erwärmbar, zum Beispiel mittels einer nicht gezeichneten Widerstandsheizung.
Alternativ können die Kühlmittelleitung 9, als Außenrohr, und die Reduktionsmittelleitung 11, als Innenrohr, aus zwei nicht gezeichneten konzentrischen Röhren bestehen und vorteilhafterweise ist die Förderrichtung einer nicht gezeichneten Reduktionsmittelförderpumpe umkehrbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014226482 [0003]
DE 102006027357 A1 [0004]
DE 102011018482 A1 [0005]

Claims

Einrichtung zur Abgasnachbehandlung für ein Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mittels selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden, durch Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels an wenigstens zwei, in Strömungsrichtung des Abgases örtlich verschiedenen Stellen in die Abgasanlage (1) der Brennkraftmaschine, mittels jeweils eines durch Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine gekühlten Dosiermoduls (5, 6), eingebaut in die Abgasanlage in einem Bereich vor jeweils einer dort eingebauten Katalysatorstufe (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermodule (5, 6) seriell durch eine Kühlmittelleitung (9) verbunden sind, die durch ein erstes Dosiermodul (5) von einer Kühlmittelvorlaufleitung (10) gespeist wird und durch ein letztes Dosiermodul (6) in eine Kühlmittelrücklaufleitung (4) mündet.
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung von Reduktionsmittel in den Dosiermodulen (5, 6) eine Reduktionmittelleitung (11) seriell von Dosiermodul (5, 6) zu Dosiermodul (5, 6) geführt ist, die durch das letzte Dosiermodul (6) von einer Reduktionsmittelvorlaufleitung (4) aus einem Reduktionsmittelbehälter gespeist wird und an dem ersten Dosiermodul (5) endet.
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Reduktionsmittelvorlaufleitung (4) elektrisch erwärmbar ist.
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Katalysatorstufen (7, 8) in die Abgasanlage des Kraftfahrzeugs eingebaut sind, eine erste (7), bei Teillast der Brennkraftmaschine wirksamere, ist brennkraftmaschinennäher, und eine zweite (8), bei Vollast der Brennkraftmaschine wirksamere, ist brennkraftmaschinenferner eingebaut.
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelleitung (11) paarig so zur Kühlmittelleitung (9) angeordnet ist, dass eine Wärmeabgabe von der Reduktionsmittelleitung (11) zur Kühlmittelleitung (9) stattfindet.
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitung als Außenrohr und die Reduktionsmittelleitung als Innenrohr aus zwei konzentrischen Röhren bestehen.
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrichtung einer Reduktionsmittelförderpumpe umkehrbar ist.
Einrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasser-Vorlauf bezüglich einer abzugebenden Wärmemenge abschalt- oder steuer- oder regelbar ist.