-
Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10. Bei dem Betriebs- und/oder Hilfsstoff kann es sich insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine handeln.
-
Stand der Technik
-
Zur Nachbehandlung von Abgasen wird eine wässrige Harnstofflösung in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosiert, wo sie die Bildung von Ammoniak bewirkt, der mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in einem nachgeschalteten Katalysator zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert („selektive katalytische Reduktion“). Der Stickoxidausstoß einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, kann auf diese Weise deutlich gesenkt werden.
-
Die wässrige Harnstofflösung wird mittels eines Dosiersystems in den Abgasstrang eindosiert, das zumindest einen Tank zur Bevorratung der wässrigen Harnstofflösung, ein Fördermodul und ein Dosiermodul umfasst. Mittels des Fördermoduls wird die wässrige Harnstofflösung aus dem Tank dem Dosiermodul zugeführt. Da die wässrige Harnstofflösung bei Temperaturen unter -11°C gefriert, kann es aufgrund von Eisdruck zu Schäden am Dosiersystem kommen. Gefährdet sind insbesondere mit wässriger Harnstofflösung gefüllte Leitungen und Komponenten. Um diese vor Eisdruck zu schützen, wird vorzugsweise bei Stillstand der Brennkraftmaschine das Dosiersystem zumindest teilweise entleert. Die Entleerung kann mittels einer Umkehr der Förderrichtung des Fördermoduls oder mittels einer Ventilanordnung, beispielsweise in Form eines 4/2-Wegeventils, bewirkt werden. Die Ventilanordnung ermöglicht eine Entleerung des Dosiersystems ohne Umkehr der Förderrichtung des Fördermoduls.
-
Um den weiten Bereich der Dosiermengenanforderungen unter allen Betriebsbedingungen abdecken zu können, bedarf es eines leistungsstarken Fördermoduls. Dies führt zu entsprechend starken Druckschwankungen im Betrieb des Dosiersystems, welche sich nachteilig auf die Genauigkeit der Dosierrate auswirken können. Abhängig von der Systemkonfiguration im Hinblick auf Leitungslängen, Leitungsführung und Dosiermengenanforderung können weitere Druckwellen entstehen, welche sich im ungünstigsten Fall überlagern und zu einer Verstärkung des Effekts führen. Dabei kann sowohl die Druckseite, als auch die Saugseite des Fördermoduls druckwellenbelastet sein.
-
Zur Abschwächung von Druckschwankungen sind aus dem Stand der Technik bereits Dämpfungsvorrichtungen bekannt, die mindestens ein elastisch verformbares Element umfassen, so dass auftreffende Druckwellen in Verformungsenergie umgewandelt und abgeschwächt werden. Eine derartige Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 223 041 A1 hervor.
-
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Dosiersystem für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff anzugeben, das robust gegenüber Eisdruck ist und eine hohe Dosiergenauigkeit aufweist. Zugleich soll das Dosiersystem einfach und kostengünstig herstellbar sein.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch das Dosiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das vorgeschlagene Dosiersystem für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, umfasst einen Tank zur Bevorratung des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs und ein Dosiermodul zur Abgabe des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs sowie ein Fördermodul, das über mindestens eine Fluidleitung mit dem Dosiermodul verbunden oder verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind zwischen dem Fördermodul und dem Dosiermodul eine Ventilanordnung und ein Druckspeicher angeordnet, so dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Ventilanordnung der Betriebs- und/oder Hilfsstoff über die mindestens eine Fluidleitung aus dem Tank in den Druckspeicher gefördert wird oder das Dosiersystem zumindest teilweise entleert wird.
-
Die Ventilanordnung ermöglicht somit mindestens zwei Betriebsarten des Dosiersystems, und zwar den Normalbetrieb und einen Entleerungsbetrieb.
-
Im Normalbetrieb wird der Betriebs- und/oder Hilfsstoff mittels des Fördermoduls aus dem Tank entnommen und dem Dosiermodul zugeführt. Der Weg führt dabei über die Ventilanordnung und den Druckspeicher, wobei der Druckspeicher eine Dämpfung von Druckschwankungen bewirkt, die auf den Betrieb des Fördermoduls und/oder des Dosiermoduls zurückzuführen sind. Die Dämpfungswirkung des Druckspeichers wiederum führt zu einer Reduzierung von Fördermengenschwankungen, so dass eine hohe Genauigkeit der Dosierraten erzielbar ist.
-
Der Druckspeicher kann dabei sowohl in Förderrichtung stromaufwärts als auch in Förderrichtung stromabwärts der Ventilanordnung angeordnet sein. Je nach Lage des Druckspeichers muss ggf. die Verschaltung der Fluidleitungen verändert werden.
-
Im Entleerungsbetrieb wird eine zumindest teilweise Entleerung des Dosiersystems bewirkt, und zwar ohne die Förderrichtung des Fördermoduls umkehren zu müssen. Je nach Auslegung des Dosiersystems kann die Entleerung des Dosiersystems sogar ganz ohne Zutun des Fördermoduls bewirkt werden (siehe weiter unten). Im Entleerungsbetrieb fließt der in den Leitungen und/oder Komponenten des Dosiersystems vorhandene Betriebs- und/oder Hilfsstoff zurück in den Tank, so dass das Dosiersystem keinen Schaden aufgrund von Eisdruck nehmen kann.
-
Der Leitungsaufwand zur Realisierung der beiden Betriebsarten ist vergleichsweise gering, da die Ventilanordnung eine Verschaltung der Fluidleitungen ermöglicht, die eine Nutzung der Fluidleitung sowohl im Normalbetrieb als auch im Entleerungsbetrieb ermöglicht. Das heißt, dass zumindest ein Teil der Leitungen oder einzelne Abschnitte der Leitungen in beide Richtungen durchströmt werden. Ferner kann auf Dämpfungsvorrichtung gemäß dem in der Beschreibungseinleitung genannten Stand der Technik verzichtet werden, so dass das vorgeschlagene Dosiersystem vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist.
-
Zur Unterscheidung des Druckspeichers von einer Dämpfungsvorrichtung, kann das Volumen des Druckspeichers herangezogen werden. Denn dieses ist deutlich größer als das Volumen, das durch die Auslenkung bzw. elastische Verformung einer Dämpfungsmembran entsteht und üblicherweise weniger als 1 ml beträgt. Das Volumen des erfindungsgemäßen Druckspeichers kann dagegen 100 ml oder mehr, beispielsweise 200 ml, betragen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fördermodul im Tank angeordnet und vom Betriebs- und/oder Hilfsstoff umgeben. Das heißt, dass es keine Ansaughöhe mehr zu überwinden gilt und eine Ansaugleitung vom Tank zum Fördermodul entfallen kann. Mit Wegfall der Ansaugleitung kann es auch keine saugseitigen Druckschwankungen mehr geben. Zudem kann eine Pumpe mit einer prinzipbedingt höheren Leckagerate, wie beispielsweise eine Rotationspumpe, als Fördermodul eingesetzt werden, da die Leckagemenge direkt in den Tank abführbar ist. Durch Anordnung des Fördermoduls im Tank wird demnach das Dosiersystem weiter vereinfacht.
-
Bevorzugt weist der Druckspeicher einen deckennah angeordneten Zulauf und einen bodennah angeordneten Ablauf auf. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit einer Phasentrennung im Druckspeicher, wobei es oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels zur Ausbildung einer Luftschicht kommt. Die Phasentrennung wirkt sich als Vorteil bei der Erstinbetriebnahme des Dosiersystems aus. Die zu Beginn im Fördermodul enthaltene Luft muss somit nicht durch das gesamte Dosiersystem einschließlich des Dosiermoduls ausgetrieben werden, sondern kann sich nach und nach in dem Betriebs- und/oder Hilfsstoff, der den Druckspeicher durchströmt, lösen. Während dieser Zeit bewirkt die im Druckspeicher vorhandene Luftschicht eine zusätzliche Dämpfung von Druckschwankungen.
-
Des Weiteren bevorzugt weist der Druckspeicher zulaufseitig ein Rückschlagventil auf. Das Rückschlagventil ermöglicht eine Aufrechterhaltung des Drucks im Druckspeicher bei kurzzeitiger Deaktivierung des Fördermoduls und/oder bei sonstigen Schwankungen der Förderleistung. Vorzugsweise ist das Rückschlagventil in geschlossenem Zustand nicht vollständig dicht, sondern besitzt eine Mikroleckage, über welche das Rückschlagventil einen Druckabbau im Druckspeicher in Richtung des Tanks ermöglicht, wenn beispielsweise die Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum abgestellt wird.
-
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Druckspeicher einen Drucksensor zur Überwachung des Drucks im Druckspeicher aufweist.
-
Die Ventilanordnung, die ein Umschalten zwischen Normalbetrieb und Rücksaugmodus ermöglicht, ist vorzugsweise als 3/2-Wegeventil oder als 4/2-Wegeventil ausgeführt. In der Ausführung als 3/2-Wegeventil ist vorzugsweise der Druckspeicher in Hauptförderrichtung stromaufwärts der Ventilanordnung angeordnet. Befindet sich der Druckspeicher in Hauptförderrichtung stromabwärts der Ventilanordnung, ist diese bevorzugt als 4/2-Wegeventil ausgeführt. Das Dosiersystem kann somit an die jeweiligen Bauraumverhältnisse optimal angepasst werden.
-
Vorteilhafterweise ist das Dosiermodul in einem geodätisch höher liegenden Bereich als der Tank angeordnet, so dass das Dosiermodul in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Ventilanordnung allein mittels Schwerkraft entleerbar ist. Zum Entleeren muss dann lediglich das Dosiermodul geöffnet werden, so dass zum Druckausgleich Abgas über das Dosiermodul angesaugt werden kann.
-
Um beim Entleeren des Dosiermoduls in den Tank einen nennenswerten Überdruck zu verhindern, wird ferner vorgeschlagen, dass der Tank ein Druckausgleichsventil aufweist. Der Öffnungsdruck des Druckausgleichsventils sollte dabei vergleichsweise niedrig gewählt werden, damit der Druckanstieg im Tank den Rückfluss des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs in den Tank nicht hemmt. Das Druckausgleichsventil ist vorzugsweise in einem Deckenbereich des Tanks angeordnet, so dass sich das Ventil oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs im Tank befindet und der Druckabbau allein durch Ablassen von Luft aus dem Tank bewirkt wird.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Tank eine Pumpvorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks im Tank aufweist. Mittels der Pumpvorrichtung kann auf diese Weise die Entleerung des Dosiersystems beschleunigt werden. Zudem muss das Dosiermodul nicht zwingend oberhalb des Tanks bzw. an einer geodätisch höher liegenden Stelle als der Tank angeordnet sein. Entsprechend steigt die Gestaltungsfreiheit. Die Pumpvorrichtung ist vorzugsweise in einem Deckenbereich des Tanks angeordnet, so dass der Unterdruck durch Ansaugen von Tankluft hergestellt werden kann, die dann über die Pumpvorrichtung an die Umgebung abgegeben wird. Die Pumpvorrichtung kann in diesem Fall als einfache Luftpumpe ausgebildet sein.
-
Soll die Entleerung des Dosiersystems mit Hilfe eines Unterdrucks im Tank erzielt werden, ist dieser bevorzugt derart auszubilden, dass seine Wandungen nach innen wirkende Kräfte aufnehmen können. Auf diese Weise ist die Unterdruckbelastbarkeit des Tanks bzw. der Tankwand sichergestellt.
-
Bei Vorhandensein einer Pumpvorrichtung ist ein Druckausgleichsventil im Deckenbereich des Tanks entbehrlich. Ein Überdruck im Tank kann dann über eine Mikroleckage der Pumpvorrichtung verhindert werden. Die Mikroleckage ermöglicht zum Einen bei abgestellter Brennkraftmaschine eine Entlastung des Druckspeichers. Zum anderen kann ein Überdruck im Tank aufgrund betriebsbedingter Temperaturschwankungen verhindert werden. Zusätzlich wird durch die Mikroleckage ein Unterdruck im Tank verhindert, der bei einer Entnahme des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs aus dem Tank entsteht.
-
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen, bei dem der Betriebs- oder Hilfsstoff in einem Tank bevorratet und über ein Dosiermodul abgegeben wird. Dem Dosiermodul wird der Betriebs- und/oder Hilfsstoff mittels eines Fördermoduls zugeführt wird, das über mindestens eine Fluidleitung mit dem Dosiermodul verbunden oder verbindbar ist. Erfindungsgemäß wird dem Dosiermodul der Betriebs- und/oder Hilfsstoff mittelbar über einen Druckspeicher zugeführt, der zwischen dem Fördermodul und dem Dosiermodul angeordnet ist, wobei in Abhängigkeit von der Schaltstellung einer ebenfalls zwischen dem Fördermodul und dem Dosiermodul angeordneten Ventilanordnung der Druckspeicher befüllt oder das Dosiersystem zumindest teilweise entleert wird.
-
Dadurch, dass die Versorgung des Dosiermoduls mit dem Betriebs- und/oder Hilfsstoff mittelbar über einen Druckspeicher erfolgt, kann die Dosiergenauigkeit des Dosiermoduls erhöht werden. Denn der Druckspeicher dämpft Druckschwankungen, die im Betrieb des Dosiersystems entstehen. Ferner kann mittels der Ventilanordnung zwischen einem Normalbetrieb und einem Entleerungsbetrieb umgeschaltet werden, um das Dosiersystem zumindest teilweise zu entleeren. Auf diese Weise ist das Dosiersystem vor Schäden durch Eisdruck geschützt. Die Entleerung kann dabei schwerkraftgetrieben oder mit Hilfe einer Pumpvorrichtung bewirkt werden, mittels welcher ein Unterdruck im Tank erzeugbar ist.
-
Bevorzugt wird das Fördermodul im Normalbetrieb intermittierend betrieben, so dass Energie eingespart wird. Vorzugsweise wird das Fördermodul lediglich dann aktiviert, wenn der Druck im Druckspeicher unter einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise unter 2 bar, fällt.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform und
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Das in der 2 schematisch dargestellte Dosiersystem 1 für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2, wobei es sich vorzugsweise um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) handelt, umfasst einen Tank 3 zur Bevorratung des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs 2, ein Fördermodul 5 und ein Dosiermodul 4. Das Fördermodul 5 ist im Tank 3 angeordnet und über Fluidleitungen 6,7 mit dem Dosiermodul 4 verbunden bzw. verbindbar. Denn die Fluidleitungen 6, 7 sind über eine Ventilanordnung 8 in Form eines 3/2-Wegeventils derart verschaltbar, dass eine Verbindung des Fördermoduls 5 mit dem Dosiermodul 4 hergestellt oder unterbrochen ist, um das Dosiersystem 1 zumindest teilweise zu entleeren. Die Entleerung erfolgt über die Fluidleitung 7, die - in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Ventilanordnung 8 - das Dosiermodul 4 mit dem Tank 3 verbindet. In der 1 ist die Ventilanordnung in einer Schaltstellung dargestellt, die den Entleerungsbetrieb ermöglicht.
-
Im Normalbetrieb des Dosiersystems 1 nimmt die Ventilanordnung 8 die nicht dargestellte weitere Schaltstellung ein, so dass mittels des Fördermoduls 5 der Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2 aus dem Tank 3 über die Fluidleitungen 6 und 7 dem Dosiermodul 4 zugeführt wird, mittels dessen dann der Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2 abgegeben wird. Der Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2 wird jedoch nicht unmittelbar dem Dosiermodul 4 zugeführt, sondern vorab einem Druckspeicher 9, der in Förderrichtung stromaufwärts der Ventilanordnung 8 in der Fluidleitung 6 angeordnet ist. Der Druckspeicher 9 bewirkt eine Dämpfung von Druckpulsationen, so dass mit Hilfe des Druckspeichers 9 Fördermengenschwankungen reduziert werden. Der Druckspeicher 9 weist einen Zulauf 10 auf, der oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels 17 angeordnet ist. Ferner weist der Druckspeicher 9 einen Ablauf 11 auf, der bodenseitig angeordnet ist. Die hierüber im Druckspeicher 9 bewirkte Phasentrennung fördert die Dämpfungswirkung. Zudem erleichtert sie die bei der Erstinbetriebnahme erforderliche Entlüftung des Systems. Über die Ventilanordnung 8 ist die Fluidleitung 6 mit der Fluidleitung 7 verbindbar, so dass hierüber sowohl der Zufluss als auch der Rückfluss des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs 2 erfolgt.
-
Um bei kurzzeitig inaktivem Fördermodul 5 den Druck im Druckspeicher zu halten, weist dieser zulaufseitig ein Rückschlagventil 12 auf, das einen Rückfluss des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs 2 aus dem Druckspeicher 9 in Richtung des Fördermoduls 5 verhindert. Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, kann am Druckspeicher 9 ferner ein Drucksensor 13 angeordnet sein, um den Druck im Druckspeicher 9 zu überwachen.
-
Zur Entleerung der Dosiersystems 1 weist der Tank 3 in einem Deckenbereich 15 und damit oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels 18 eine Pumpvorrichtung 16 auf, die vorliegend als Luftpumpe ausgestaltet ist. Mittels der Pumpvorrichtung 16 kann im Tank 3 ein Unterdruck erzeugt werden, der bei geöffnetem Dosiermodul 4 und entsprechender Schaltstellung der Ventilanordnung 8 dazu führt, dass der im Dosiermodul 4 und in der Fluidleitung 7 vorhandene Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2 zurück in den Tank 3 fließt. Wie beispielhaft in der 3 dargestellt, kann anstelle einer Pumpvorrichtung 16 auch nur ein Druckausgleichsventil 14 im Deckenbereich 15 des Tank 3 vorgesehen sein, wenn zugleich sichergestellt ist, dass das Dosiermodul 4 in einem geodätisch höher liegenden Bereich als der Tank 3 angeordnet ist, so dass die Entleerung schwerkraftgetrieben erfolgen kann. Das Druckausgleichsventil 14 besitzt dann die Funktion, einen Überdruck im Tank 3 zu verhindern, so dass der Rückfluss nicht gehemmt wird.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dosiersystems 1 ist in der 4 dargestellt. Hier ist der Druckspeicher 9 in Förderrichtung stromabwärts der Ventilanordnung 8 angeordnet. Zugleich ist die Ventilanordnung 8 als 4/2-Wegeventil ausgeführt. In der dargestellten Schaltstellung der Ventilanordnung 8 ist über die Fluidleitung 6 eine Verbindung des Fördermoduls 5 mit dem Druckspeicher 9 hergestellt, so dass hierüber das Dosiermodul 4 mit dem Betriebs- und/oder Hilfsstoff versorgbar ist. Nimmt die Ventilanordnung 8 die in der 4 nicht dargestellte weitere Schaltstellung ein, ist die Verbindung des Fördermoduls 5 mit dem Druckspeicher 9 unterbrochen und lediglich eine Verbindung des Dosiermoduls 4 über die Fluidleitung 7 mit dem Tank 3 hergestellt. Das Dosiersystem 1 kann nunmehr entleert werden. Die Entleerung wird vorliegend durch eine Pumpvorrichtung 16 unterstützt, die jedoch nicht zwingend erforderlich ist, sofern sich das Dosiermodul 4 in einem geodätisch höher liegenden Bereich als der Tank 3 befindet. Anstelle der Pumpvorrichtung 16 kann auch ein Druckausgleichsventil 14 im Deckenbereich 15 des Tanks 3 vorgesehen werden.
-
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
-
- DE 102012223041 A1 [0005]
