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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Dosiersystem für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff, das vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Bei dem Betriebs- und/oder Hilfsstoff kann es sich insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine handeln.
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Stand der Technik
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Zur Nachbehandlung von Abgasen wird eine wässrige Harnstofflösung (HWL) 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.
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Die wässrige Harnstofflösung (HWL) wird in der Regel mit Hilfe eines Dosiersystems in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosiert. Das Dosiersystem kann hierzu einen Tank zur Bevorratung der wässrigen Harnstofflösung, ein Fördermodul sowie ein Dosiermodul umfassen. Mit Hilfe des Fördermoduls wird die wässrige Harnstofflösung aus dem Tank zu dem Dosiermodul gefördert, das den erforderlichen HWL-Mengenstrom als Spray in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine abgibt.
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Ein Dosiersystem der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 029 600 A1 hervor.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Dosiersystems für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung, zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Dosiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, wird der Betriebs- oder Hilfsstoff mit Hilfe eines Fördermoduls aus einem Tank zu einem Dosiermodul und/oder zurück in den Tank gefördert. Erfindungsgemäß wird die dem Dosiermodul zugeführte Menge mittels einer in einer Rücklaufleitung angeordneten Drossel mit variabler Drosselquerschnittsfläche eingestellt.
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Über die Drossel ist der Förderstrom des Fördermoduls in einen ersten und einen zweiten Mengenstrom teilbar, wobei der erste Mengenstrom zu dem Dosiermodul und der zweite Mengenstrom zurück in den Tank gefördert wird. Über die variable Drosselquerschnittsfläche der Drossel ist dabei das Mengenverhältnis vorgebbar, so dass eine bedarfsgerechte Mengensteuerung bzw. -regelung realisierbar ist. Zugleich wird nur die Menge in den Tank zurückgeführt, die nicht benötigt wird und somit überschüssig ist. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Dosiersystems.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muss der Förderbetrieb des Fördermoduls nicht unterbrochen werden, so dass das Dosiersystem stets betriebsbereit ist und/oder eine Mindestmenge an Betriebs- und/oder Hilfsstoff stets verfügbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Drosselquerschnittsfläche der Drossel betriebspunktabhängig, und zwar vorzugsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl eines Antriebs des Fördermoduls eingestellt. Durch diese Maßnahme kann der Wirkungsgrad des Dosiersystems weiter gesteigert werden.
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Vorzugsweise wird die Drosselquerschnittsfläche der Drossel mit steigender Drehzahl des Antriebs des Fördermoduls verkleinert. Dadurch ist sichergestellt, dass im oberen Drehzahlbereich dem Dosiermodul eine ausreichende Dosiermenge zur Verfügung gestellt wird, während die dem Tank zugeführte Menge, die sogenannte „Umspülmenge“, reduziert wird. Im unteren Drehzahlbereich kann demgegenüber die Drosselquerschnittsfläche vergrößert werden, so dass die überschüssige Menge als Umspülmenge zurück in den Tank gelangt. Auf diese Weise kann der Förderbetrieb des Fördermoduls aufrechterhalten werden.
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Mit Hilfe der variablen Drosselquerschnittsfläche der in der Rücklaufleitung angeordneten Drossel kann somit der üblicherweise bestehende Zielkonflikt bei der geometrischen Auslegung des Fördermoduls bzw. einer Pumpe des Fördermoduls gelöst werden. Dieser besteht darin, dass zum Einen den zeitweise hohen Mengenanforderungen durch möglichst kleine Umspülmengen Rechnung getragen werden muss. Zum Anderen die Umspülmengen ausreichend groß sein müssen, um den Förderbetrieb des Fördermoduls aufrechterhalten zu können. Bei Verwendung einer Drossel mit einer konstanten Drosselquerschnittsfläche müsste diese zur Lösung des Zielkonflikts derart groß ausgelegt werden, dass es im oberen Drehzahlbereich zu entsprechend großen Verlustmengen kommt, die sich wiederum negativ auf den Wirkungsgrad des Dosiersystems auswirken.
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Die Einstellung der Drosselquerschnittsfläche der Drossel kann auf unterschiedliche Art und Weise vorgenommen werden.
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Beispielsweise kann die Drosselquerschnittsfläche der Drossel mit Hilfe eines Steuergeräts variiert werden, das mit der Drossel über eine Steuerleitung verbunden ist. Das Steuergerät kann Bestandteil des Dosiersystems oder ein externes Steuergerät sein. Um die Einstellung der Drosselquerschnittsfläche der Drossel mit Hilfe des Steuergeräts drehzahlabhängig vornehmen zu können, wird vorgeschlagen, dass dem Steuergerät die aktuelle Drehzahl des Antriebs des Fördermoduls bekannt ist oder durch das Steuergerät abgefragt wird. Das Steuergerät ist hierzu bevorzugt über mindestens eine weitere Steuerleitung mit dem Fördermodul bzw. mit dem Antrieb des Fördermoduls verbunden.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Drosselquerschnittsfläche der Drossel mechanisch variiert wird. Auf das Vorsehen einer Steuerleitung zur Verbindung der Drossel mit einem Steuergerät kann somit verzichtet werden. Vorzugsweise wird zur mechanischen Einstellung der Drosselquerschnittsfläche der Drossel eine Fliehkraft des Fördermoduls genutzt. Die Fliehkraft ist drehzahlabhängig bzw. ändert sich mit der Drehzahl des Antriebs des Fördermoduls, so dass indirekt über die Fliehkraft eine drehzahlabhängige Einstellung der Drosselquerschnittsfläche vorgenommen werden kann. Bei kleiner Drehzahl wird vorzugsweise die Fliehkraft so ausgelegt, dass die Drosselquerschnittsfläche möglichst groß ist. Demgegenüber wird vorzugsweise bei großer Drehzahl die Fliehkraft genutzt, um die Drosselquerschnittsfläche zu verkleinern.
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Das zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe darüber hinaus vorgeschlagene Dosiersystem für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, umfasst ein Fördermodul, mit dessen Hilfe der Betriebs- und/oder Hilfsstoff aus einem Tank zu einem Dosiermodul und/oder zurück in den Tank förderbar ist. Erfindungsgemäß sind das Fördermodul und der Tank über eine in einer Rücklaufleitung angeordneten Drossel verbunden, die eine variable Drosselquerschnittsfläche aufweist.
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Durch Vorsehen einer Drossel mit variabler Drosselquerschnittsfläche kann das vorgeschlagene Dosiersystem nach dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben werden. Das heißt, dass das Dosiersystem nicht nur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, sondern ferner die gleichen Vorteile aufweist, insbesondere einen erhöhten Wirkungsgrad. Denn die variable Drossel ermöglicht eine bedarfsgerechte Mengensteuerung bzw. -regelung bei einer zugleich reduzierten Umspülmenge, und zwar selbst dann, wenn das Fördermodul unterbrechungsfrei betrieben wird, um die Verfügbarkeit einer Mindestmenge an Betriebs- und/oder Hilfsstoff zu gewährleisten.
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Bevorzugt weist das Fördermodul des vorgeschlagenen Dosiersystems einen rotierenden Antrieb auf und die Drosselquerschnittsfläche der Drossel ist in Abhängigkeit von der Drehzahl des Antriebs variierbar. Auf diese Weise kann eine betriebspunktabhängige Einstellung der Drosselquerschnittsfläche vorgenommen werden, so dass der Wirkungsgrad des Dosiersystems weiter steigt.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Drossel über eine Steuerleitung mit einem Steuergerät verbunden. Mit Hilfe des Steuergeräts kann demnach die vorzugsweise drehzahlabhängige Einstellung der Drosselquerschnittsfläche vorgenommen werden. Die aktuelle Drehzahl ist hierzu bevorzugt dem Steuergerät bekannt oder wird durch das Steuergerät abgefragt. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Steuergerät über eine weitere Steuerleitung mit dem Antrieb des Fördermoduls verbunden ist. Das Steuergerät selbst kann Bestandteil des Dosiersystems oder ein externes Steuergerät sein.
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Vorteilhafterweise umfasst das Fördermodul eine Pumpe, insbesondere eine Membranpumpe. Der Antrieb des Fördermoduls dient demnach dem Antrieb der Pumpe. Das Fördermodul umfasst demnach zumindest den Antrieb und die Pumpe, wobei vorzugsweise der Antrieb und die Pumpe eine Baueinheit ausbilden, so dass das Fördermodul möglichst kompaktbauend ist. Als Pumpe kann insbesondere eine Membranpumpe verwendet werden, da diese einfach aufgebaut und zugleich besonders robust ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Fördermodul eine Ventilanordnung zur Umkehrung der Förderrichtung umfasst. Dies gilt insbesondere, wenn die Pumpe des Fördermoduls eine unidirektional fördernde Pumpe, beispielsweise eine Membranpumpe, ist. Mit Hilfe der Ventilanordnung kann dann bei unverändertem Betrieb der Pumpe die Förderrichtung umgekehrt werden, beispielsweise um das Dosiersystem zu entleeren. Die Ventilanordnung umfasst hierzu bevorzugt ein 3/2-Wegeventil oder ein 4/2-Wegeventil. Ferner kann die Ventilanordnung mindestens ein Rückschlagventil zur Sicherung der Umkehrung der Förderrichtung aufweisen.
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Um eine besonders kompaktbauende Anordnung der Komponenten des Dosiersystems zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass die Drossel mit variabler Drosselquerschnittsfläche integraler Bestandteil des Fördermoduls ist. Beispielsweise kann die Drossel in eine Bohrung eines Gehäuseteils des Fördermoduls integriert sein, die zugleich als Rücklaufleitung dient.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben, wobei die Zeichnung eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Das in der Figur schematisch dargestellte Dosiersystem 1 für einen Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2 dient dem Eindosieren einer wässrigen Harnstofflösung in einen Abgasstrang (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt). Mit Hilfe der wässrigen Harnstofflösung werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide reduziert.
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Das dargestellte Dosiersystem 1 umfasst ein Fördermodul 3, mit dessen Hilfe der Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2, vorliegend die wässrige Harnstofflösung, aus einem Tank 4 zur Bevorratung des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs 2 einem Dosiermodul 5 zuführbar ist. Mit Hilfe des Dosiermoduls 5 ist der Betriebs- und/oder Hilfsstoff 2 bzw. die wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosierbar.
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Das Fördermodul 3 umfasst eine Pumpe 12, die vorliegend als Membranpumpe ausgeführt und mit Hilfe eines rotierenden Antriebs 8 antreibbar ist. Da die Membranpumpe nur in eine Richtung fördern kann, umfasst das Fördermodul 3 ferner eine Ventilanordnung 13 mit einem 4/2-Wegeventil, mi dessen Hilfe die Förderrichtung umkehrbar ist. Das heißt, dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung des 4/2-Wegeventils wässrige Harnstofflösung aus dem Tank 4 in Richtung des Dosiermoduls 5 (siehe Figur) oder aus dem Dosiermodul 5 zurück in den Tank 4 gefördert wird. Zwischen der Ventilanordnung 13 und der Pumpe 12 angeordnete Rückschlagventile 14 stellen dabei die Umkehrung der Förderrichtung sicher. Zum Schutz der Ventilanordnung 13 ist dieser mindestens ein Filter 15 vorgeschaltet. Der Filter 15 soll den Eintrag von Partikeln verhindern, welche das 4/2-Wegeventil beschädigen könnten.
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Die Pumpe 12 des Fördermoduls 3 wird im Dosierbetrieb vorzugsweise unterbrechungsfrei betrieben. Das heißt, dass im Dosierbetrieb dem Dosiermodul 5 ständig wässrige Harnstofflösung zugeführt wird. Die zugeführte Menge kann daher den Bedarf übersteigen. Um eine überschüssige Menge in den Tank 4 zurückzuführen ist eine Rücklaufleitung 6 vorgesehen, die das Fördermodul 3 mit dem Tank 4 verbindet. Um die in den Tank 4 rückgeführte Menge zu kontrollieren, ist in der Rücklaufleitung 6 eine Drossel 7 angeordnet, die vorliegend als variable bzw. einstellbare Drossel 7 ausgeführt ist. Das heißt, dass die Drosselquerschnittsfläche der Drossel 7 veränderbar ist. Auf diese Weise kann die Drossel 7 zu einer bedarfsgerechten Mengensteuerung bzw. -regelung eingesetzt werden.
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Die Einstellung der Drosselquerschnittsfläche der Drossel 7 erfolgt in dem dargestellten Beispiel mit Hilfe eines Steuergeräts 9, das über eine erste Steuerleitung 10 mit der Drossel 7 und über eine zweite Steuerleitung 11 mit dem Antrieb 8 des Fördermoduls 3 verbunden ist. Über die zweite Steuerleitung 11 erfasst das Steuergerät 9 die aktuelle Drehzahl des Antriebs 8. Über die erste Steuerleitung 10 stellt das Steuergerät 9 die Drosselquerschnittsfläche der Drossel 7 ein, und zwar abhängig von der Drehzahl des Antriebs 8. Bei einer Drehzahl in einem unteren Drehzahlbereich wird die Drosselquerschnittsfläche vergrößert, so dass die überschüssige Fördermenge über die Drossel 7 zurück in den Tank 4 gefördert wird. Steigt die Drehzahl des Antriebs 8 an, wird die Drosselquerschnittsfläche der Drossel 7 verkleinert, um die in den Tank 4 zurückgeführte Menge so gering wie möglich zu halten. Zugleich steigt die dem Dosiermodul 5 zugeführte Menge, so dass dem gestiegenen Mengenbedarf Rechnung getragen wird. Über die drehzahlabhängige Einstellung der Drosselquerschnittsfläche der Drossel 7 kann somit eine bedarfsgerechte Mengensteuerung vorgenommen bzw. eine Systemmengenoptimierung erzielt werden.
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Der in der Rücklaufleitung 6 angeordneten Drossel 7 ist vorliegend ein weiterer Filter 15 sowie ein Drucksensor 16 vorgeschaltet. Der Filter 15 verhindert, das Partikel die Drossel 7 gelangen. Mit Hilfe des Drucksensors 16 kann der Druck stromaufwärts des Dosiermoduls 5 überwacht werden. Sollte dieser einen vorgegebenen Grenzwert übersteigen, kann die Drossel 7 weiter geöffnet werden, um Druck abzubauen. Der Drucksensor 16 ist hierzu bevorzugt über eine weitere Steuerleitung (nicht dargestellt) mit dem Steuergerät 9 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010029600 A1 [0005]
