DE102018213895A1

DE102018213895A1 - Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer solchen

Info

Publication number: DE102018213895A1
Application number: DE102018213895.8A
Authority: DE
Inventors: Guenter Keusen; Volker Reusing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2020-02-20
Also published as: WO2020035202A1

Abstract

Anordnung (1, 100) zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem Behälter (3) zur Bevorratung eines fluiden Reduktionsmittels (5) zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas und einer Pumpe (7) zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Behälter über eine Saugleitung (9) und von der Pumpe zu einem Dosiermodul über eine Druckleitung (11) zur Eindosierung in das Abgas, wobei mindestens eine Kühlvorrichtung (13, 23) vorgesehen ist zur Kühlung des Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (13, 23) eingerichtet ist zur Einstellung der Temperatur des Reduktionsmittels (5) in der Saugleitung (9) derart, dass der Dampfdruck des Reduktionsmittels (5) in der Saugleitung gering gehalten wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Abgasnachbehandlungsanordnung bzw. einem Verfahren zum Betreiben einer solchen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Aus der DE 103 24 482 B4 ist schon eine solche Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, bei der aber lediglich stromabwärts einer Förderpumpe für ein flüssiges Reduktionsmittel oder an dem Vorratsbehälter Kühlmaßnahmen vorgesehen sind. Die wässrige Harnstofflösung als Reduktionsmittel wird mit Hilfe eines Fördermoduls aus einem Tank zu einem Dosiermodul gefördert, welches den notwendigen Mengenstrom an Reduktionsmittel als Spray in den Abgasstrang abgibt.
Bei solchen Anordnungen, bei welchen sich die Pumpe des Fördermoduls außerhalb bzw. oberhalb des Tanks befindet, muss die Pumpe zusätzlich zur Hauptaufgabe der dosiermodulseitigen Druckerzeugung auch allein aufgrund einer räumlichen Distanz vom Tank eine zusätzliche Ansaugleistung erbringen, welche die Gesamteffizienz der Pumpe beeinflussen kann. Im Unterschied hierzu hat eine Pumpe im Tank am Tankboden einen sehr kurzen Ansaugpfad, welcher für die Förderleistung einer solchen Anordnung eine geringere Rolle spielt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, einer verbesserten, d.h. vergrößerten Ansaugfähigkeit bzw. Förderrate bzw. -kapazität der Pumpe, welche zum Herauspumpen des Reduktionsmittels aus dem Tank zum Einsatz kommt.
Die Erfindung ermöglicht es hierzu, die Temperatur des Fluids im Saugpfad der Pumpe auf einen niedrigen Wert einzustellen, wodurch auch der Dampfdruck des anzusaugenden Fluids gering gehalten wird. Vermieden wird somit das Auftreten hoher Dampfdrücke, welche die Bildung von Kavitation begünstigen und die Ansaugfähigkeit der Pumpe signifikant limitieren können. Diese Verbesserung der Ansaugbedingungen verbessert ebenfalls die Druckerzeugung der Pumpe bzw. erhöht ihre Förderrate in Richtung Dosiermodul.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Pumpe das Reduktionsmittel aus einem unterhalb der Pumpe angeordneten Behälter ansaugen muss. Die Förderkapazität des Systems ist dabei nämlich typischerweise durch die zur Verfügung stehende Druckdifferenz im Ansaugtrakt der Pumpe begrenzt.
Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass die Kühlvorrichtung hilft, eine übermäßige Alterung des fluiden Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, zu vermeiden. Alterungsprodukte, wie z.B. Ammoniak, können zu Metallkorrosion und chemischen Angriffen auf Kunststoffe führen. Eine Kühlung kann somit die Lebensdauer von Förder- und Dosiermodulen, also Pumpen und Ventilen, erhöhen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Anordnung bzw. des zugehörigen Betriebsverfahrens möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1 eine Anordnung mit einer passiven Kühlvorrichtung im Zulaufpfad einer Pumpe und
2 eine Anordnung mit einer aktiven Kühlvorrichtung im Zulaufpfad einer Pumpe.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Anordnung 1 zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem Behälter 3 zur Bevorratung einer wässrigen Harnstofflösung 5 als fluidem Reduktionsmittel zur Abgasentstickung. Eine Pumpe 7 saugt das Fluid über eine Saugleitung 9 aus dem Behälter 3 an und fördert es über die Druckleitung 11 zu einem nicht näher dargestellten Dosiermodul, welches das Fluid dosiert in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine einspritzt. Die Saugleitung kann wahlweise, wie in der 1 auch dargestellt, ein Filter 8 aufweisen, welches vorzugsweise am behälterbodennahen Ende der Saugleitung 9 angeordnet ist. An die Saugleitung 9 gut thermisch leitend angekoppelt ist eine Kühlvorrichtung 13 mit Kühlrippen 15. Die Kühlvorrichtung arbeitet passiv, d.h. sie unterstützt die Wärmeableitung von der Saugleitung zur Umgebungsluft durch eine möglichst großflächige Verteilung und großflächigen Kontakt mit der Umgebungsluft, hier beispielhaft über die Kühlrippen 15. Für eine effektive Wärmeabgabe an die Umgebungsluft ist vorzugsweise eine große Kühlrippenfläche vorzusehen, vorzugsweise in Kombination mit erzwungener Konvektion durch Wahl einer Fahrzeugeinbauposition, welche vom Fahrtwind profitieren kann. Im Falle einer gekapselten Bauweise ist ein aktiver Lüfter/Ventilator (hier nicht dargestellt) an den Kühlrippen vorsehbar.
Die zwischen der Pumpenansaugöffnung und dem Behälter bzw. Tank, also dem behälterbodennahen Ende der Saugleitung 9 sich ausbildende Fluiddruckdifferenz wird maßgeblich mitbeeinflusst durch den Dampfdruck der wässrigen Harnstofflösung bzw. des fluiden Reduktionsmittel, der stark von der Temperatur der wässrigen Harnstofflösung abhängt. Mittels der Kühlvorrichtung 13 ist es möglich, die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung in der Saugleitung, insbesondere im pumpenzugewandten Ende der Saugleitung 9, in einem engen Temperaturbereich zu halten. Dieser Bereich kann z.B. 15 °C bis 30 °C umfassen. Eine an sich vorbekannte Anordnung, welche in an sich vorbekannter Weise auch Mittel zur Beheizung des Behälters bzw. der Pumpe zur Vermeidung von Gefrierschäden aufweisen kann, wird somit um eine Kühlvorrichtung 13 ergänzt.
Alternativ zum Vorsehen von Kühlrippen, welche unmittelbar mit der Umgebungsluft im Wärmeaustausch stehen, kann die Kühlvorrichtung 13 auch einen Kühlkreislauf der im Fahrzeug ohnehin vorhandenen Innenraumkühlanlage bzw. Klimaanlage nutzen.
Beim Ansaugvorgang sind vor allem der Druckverlust bei der Leitungsdurchströmung sowie die höhendifferenzbedingte Druckdifferenz der Flüssigkeitssäule zwischen Behälterboden und pumpenzugewandtem Ende der Saugleitung zu überwinden. Ist eine Filtervorrichtung im Tank oder in der Saugleitung, kommt auch ihr Druckverlust noch hinzu. Die Pumpe muss also einen Unterdruck gegenüber dem im Tank herrschenden Druck erzeugen. Dies kann zu einer lokalen Unterschreitung des HWL-Dampfdrucks führen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 30 °C und insbesondere nahe der Pumpe. Die entstehenden Kavitationsblasen behindern den Weitertransport der Flüssigkeit, was eine Limitierung der Förderrate der Pumpe zur Folge hat, wenn nicht, wie erfindungsgemäß vorgesehen, eine Kühlung eingerichtet ist.
2 zeigt eine weitere Anordnung 100, bei der anstelle der in 1 abgebildeten Kühlvorrichtung 13 eine Kühlvorrichtung 23 mit einem Kühlaggregat bzw. Wärmetauscher, beispielsweise einer Kühlschlange oder eine Kühlspirale, vorgesehen ist, welches bzw. welcher mit einem von einem bereits im Fahrzeug vorhandenen Flüssigkeitskreislauf unabhängigen Kühlkeislauf 25, insbesondere einem Kühlkreislauf mit einem eigenen Kühlmedium, gekoppelt ist.
Eine solche aktive Kühlvorrichtung 23 kann alternativ auch mit Peltier-Elementen ausgestattet sein, welche als Wärmepumpe zwischen der Wandung der Ansaugleitung und einer Wärmesenke, beispielsweise großen Kühlrippen, dienen.
Die Kühlvorrichtung 23 kann wahlweise so ausgestaltet sein, dass sie auch eine Umkehr des Wärmestroms erlaubt, so dass die wässrige Harnstofflösung, also das Reduktionsmittel, in der Saugleitung 9 nötigenfalls beheizt wird. Dies ist für den Einsatz unter klimatischen Bedingungen interessant, die eine Beheizung zur Vermeidung von Gefrierschäden bzw. zur Sicherstellung des Vorhandenseins einer förderfähigen flüssigen Phase des Reduktionsmittels erfordern. Der hierfür vorzusehende Regelkreis kann die Temperatur eines an/in der Saugleitung angebrachten Sensors als Eingangsgröße erhalten und/oder aus dem Betriebszustand der Pumpe, insbesondere deren Stromverlauf bzw. deren Leistungsaufnahme, auf einen Kühlbedarf schließen.
Alternativ oder in Kombination zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen kann auch der Fluidinhalt des Behälters 3 gekühlt werden. Hierzu können ähnliche Vorrichtungen wie bei den oben beschriebenen Saugleitungskühlungen zum Einsatz kommen. Eine Variante der Behälterkühlung ist, Umgebungsluft in den Zwischenraum der Wände eines Doppelwandtanks zu blasen. Wird nur der Behälter gekühlt, muss sichergestellt sein, dass die Betriebsbedingungen, insbesondere die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung in der Saugleitung und der Differenzdruck zwischen Behälterboden und pumpenseitigem Ende der Saugleitung das Ansaugen überhaupt erlauben, damit die heiße wässrige Harnstofflösung in der Zulaufleitung schließlich durch kühlere wässrige Harnstofflösung aus dem Tank ersetzt und so die volle Pumpenleistung erreicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10324482 B4 [0002]

Claims

Anordnung (1, 100) zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einem Behälter (3) zur Bevorratung eines fluiden Reduktionsmittels (5) zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas und einer Pumpe (7) zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Behälter über eine Saugleitung (9) und von der Pumpe zu einem Dosiermodul über eine Druckleitung (11) zur Eindosierung in das Abgas, wobei mindestens eine Kühlvorrichtung (13, 23) vorgesehen ist zur Kühlung des Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (13, 23) eingerichtet ist zur Einstellung der Temperatur des Reduktionsmittels (5) in der Saugleitung (9) derart, dass der Dampfdruck des Reduktionsmittels (5) in der Saugleitung gering gehalten wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (13) eine passive Kühlvorrichtung mit Kühlrippen (15) ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen mittels eines Lüfters von Umgebungsluft umströmt werden.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen von Luft aus einer in einem Fahrzeug ohnehin vorhandenen Innenraumkühlanlage, insbesondere einer Klimaanlage, umströmt werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (23) ein aktives Kühlaggregat aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Kühlaggregat ein separates Kühlmedium und einen unabhängigen Kühlkreislauf (25) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Kühlaggregat eine elektrisch ansteuerbare Wärmepumpe, insbesondere mindestens ein Peltierelement, aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (23) eingerichtet ist zur wahlweisen Beheizung.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (13, 23) in thermischem Kontakt mit der Saugleitung (9) steht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung in thermischem Kontakt mit dem Vorratsbehälter steht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (5) als Mittel zur katalytischen Reduktion, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion, von Stickoxiden im Abgas dient.
Verfahren zum Betreiben einer Anordnung (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine ein fluides Reduktionsmittel (5) aus einem Behälter (3) zur Bevorratung des fluiden Reduktionsmittels zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas mittels einer Pumpe (7) über eine Saugleitung (9) herausgepumpt und von der Pumpe zu einem Dosiermodul über eine Druckleitung (11) zur Eindosierung in das Abgas befördert wird, wobei das Reduktionsmittel zumindest zeitweise gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des Reduktionsmittels zur Einstellung der Temperatur des Reduktionsmittels in der Saugleitung (9) derart erfolgt, dass der Dampfdruck des Reduktionsmittels in der Saugleitung (9) gering gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in einem engen Temperaturbereich gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich 15 Grad Celsius bis 30 Grad Celsius beträgt.