DE10349143A1

DE10349143A1 - Dosiereinheit

Info

Publication number: DE10349143A1
Application number: DE10349143A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Beck; Achim Schlehner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-18
Also published as: DE10349143B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinheit (1) zum Zumessen eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung stromaufwärts eines SCR-Katalysators, welche einen Drucksensor (2) zur Messung des Druckes im Dosiersystem, einen Reduktionsmittelkanal (5), einen Temperatursensor (7) zur Messung der Reduktionsmitteltemperatur und ein Dosierventil (8) zur Dosierung des Reduktionsmittels umfasst. Der Drucksensor (2) ist erfindungsgemäß mit einem Ausgleichselement (3) zur Frostkompensation ausgestattet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinheit zum Zumessen eines Reduktionsmittels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 101 61 132 A1 ist eine Membranpumpe mit integriertem Drucksensor bekannt, bei der der Drucksensor im Gehäuse der Membranpumpe angeordnet ist und die Membranpumpe als Ausdehnungsgefäß zum Schutz des Drucksensors verwendet wird. Die Drucksensormembran ist deshalb zur Vermeidung von Überdruck am Drucksensor direkt im Pumpenkopf, d.h. oberhalb der Pumpenmembran der Membranpumpe, angeordnet, so dass die beim Einfrieren des Reduktionsmittels innerhalb der Membranpumpe auftretende Volumenzunahme des Reduktionsmittels durch eine Auslenkung der Pumpenmembran entgegen der Kraft einer Feder aufgenommen wird und die Drucksensormembran vor Beschädigungen geschützt ist.

Die Verminderung der Stickoxidemission einer mit Luftüberschuss arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, kann mit Hilfe des SCR-Verfahrens (Selektive Katalytische Reduktion) zu Stickstoff und Wasserdampf erfolgen. Als Reduktionsmittel werden entweder gasförmiges Ammoniak (NH₃), Ammoniak in wässriger Lösung oder ammoniakfreisetzende Substanzen, wie z.B. Harnstoff, Ammoniumcarbamat, Ammoniumcarbonat oder Cyanursäure, als Festsubstanz oder in wässriger Lösung eingesetzt.

Dem Vorteil der einfacheren Handhabung, Bevorratung, Förder- und Dosierbarkeit von wässrigen Lösungen im Gegensatz zu gasförmigen Substanzen steht als Nachteil die Gefahr des Ein frierens bei bestimmten Temperaturen in Abhängigkeit der Konzentration der gelösten Substanz gegenüber.

Eine 32%ige Harnstofflösung, wie sie typischerweise in SCR-Systemen als Reduktionsmittel verwendet wird, weist einen Gefrierpunkt von etwa –11°C auf. Dabei erhöht sich das Volumen beim Phasenübergang von flüssig nach fest ähnlich wie bei Wasser um ca. 10%.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Dosiereinheit der eingangs genannten Art zugrunde, die mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar ist und dabei eine Beschädigung des in der Dosiereinheit enthaltenen Drucksensors bei Einfrieren der Reduktionsmittellösung wirkungsvoll verhindert.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Dosiereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Dosiereinheit ist der Drucksensor mit einem Ausgleichselement zur Frostkompensation ausgestattet.

In einer Weiterbildung nach Anspruch 2 ist das Ausgleichselement zur Frostkompensation zwischen Reduktionsmittelkanal und Drucksensor angeordnet.

In einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Dosiereinheit enthält das Ausgleichselement ein Edelstahl-Flexrohr.

In einer alternativen Weiterbildung nach Anspruch 4 enthält das Ausgleichselement eine elastische Schlauchverbindung.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 enthält die elastische Schlauchverbindung EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer).

Beide Materialien, das Edelstahl-Flexrohr wie auch die elastische Schlauchverbindung, weisen aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften ein bestimmtes Ausdehnungsvolumen auf. Jedes andere Material, welches elastische Eigenschaften, Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit im Hinblick auf die verwendete wässrige Reduktionsmittellösung aufweist, kann zur Schaffung eines solchen Ausdehnungsvolumens ebenso in einem Ausgleichselement Einsatz finden.

In einer bevorzugten Weiterbildung nach Anspruch 6 ist das Ausgleichselement mit einer Heizvorrichtung ausgestattet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Dosiereinheit sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt auf schematische weise
1 eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Dosiereinheit
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiereinheit 1 mit einem gefrierresistenten Drucksensor 2 dargestellt. Die Dosiereinheit 1 umfasst im wesentlichen einen Drucksensor 2, der in Verbindung mit dem Reduktionsmittelkanal 5 steht, zur Messung oder Erfassung des Reduktionsmitteldruckaufbaus, ein Ausgleichselement 3 zur Frostkompensation, angeordnet zwischen Drucksensor 2 und Reduktionsmittelkanal 5, und einen Reduktionsmittelanschluß 4, der den Anschluß zwischen Reduktionsmittelbehälter (nicht dargestellt) und Dosiereinheit 1 herstellt. Das Ausgleichselement 3 enthält zur Schaffung eines Ausdehnungsvolumens ein Edelstahl-Flexrohr oder eine elastische Schlauchverbindung. Das Ausgleichselement 3 kann beispielsweise aus drei Schichten aufgebaut sein: die innerste Schicht, in welcher die Reduktionsmittellösung, bevorzugt die Harnstofflösung, befördert wird, bildet eine flexible Schlauchverbindung, enthaltend oder bestehend aus im wesentlichen EPDM-Kautschuk, wobei die innerste Schicht zur Erhöhung der Festigkeit von einem Geflecht aus Polyamid als mittlerer Schicht umgeben ist. Die äußerste Schicht bildet wiederum eine flexible EPDM-Schicht, die wie die innerste Schicht chemisch beständig ist gegen eine wässrige Reduktionsmittellösung. Des weiteren zeichnet sich die äußerste Schicht durch ihre Abriebfestigkeit, ihre Alterungsbeständigkeit in einem Temperaturbereich von –40°C bis 85°C- und ihre Ozonbeständigkeit aus. Das Ausgleichselement 3 ist hochflexibel und erlaubt eine Volumenzunahme von > 8% bei 5 bar. Ferner können ein oder mehrere ummantelte Litzen aus Edelstahl als Heizleiter zwischen mittlerer und äußerster Schicht vorgesehen sein, welche wendelförmig um die mittlere Schicht angeordnet sind. Hierdurch ist die Förderung der Harnstofflösung auch unterhalb von –11°C möglich. Wenn nun die in den Reduktionsmittelkanälen 5 vorhandene Reduktionsmittellösung einfriert, kann das Ausgleichselement 3 aufgrund seiner Elastizität nachgeben und sich etwas aufweiten. Dadurch vergrößert sich das Volumen des Ausgleichselementes 3, so dass die Ausdehnung des Reduktionsmittelmediums infolge Gefrierens kompensiert werden kann. Dies verhindert somit eine Beschädigung des Drucksensors 2 auf sehr einfache, aber wirkungsvolle Weise. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass diese günstige Wirkung mit nur geringem zusätzlichen konstruktiven Aufwand erreicht wird. Ferner ist außerdem eine Nachrüstung bereits vorhandener Dosierventile auf schnelle kostengünstige Weise zu bewerkstelligen.
Um beim Einfrieren des wässrigen Reduktionsmittels in den Kanälen oder Leitungen des Dosierventils 1 eine Beschädigung des Drucksensors 2 zu vermeiden, kann zusätzlich zum Ausgleichselement 3 ein weiteres Ausgleichselement 6 auf Basis eines Kugel/Federprinzips vorgesehen sein, welches in Verbindung mit dem Reduktionsmittelkanal 5 steht und zwischen Drucksensor 2 bzw. Ausgleichselement 3 und einem Temperatursensor 7 zur Messung der Reduktionsmitteltemperatur angeordnet und/oder als Kugel/Federelement vor dem Dosierventil 8 vorgesehen sein kann.
Die Dosiereinheit 1 umfasst außerdem ein Dosierventil 8 zur Dosierung des Reduktionsmittels, einen Dosierleitungsanschluß 10, einen Luftdrucksensor 11 und einen Luftleitungsanschluß 12. Die Einspritzung der Reduktionsmittellösung mittels Dosierventil 8 erfolgt über den Dosierleitungsanschluß 10 in eine nicht abgebildete Reduktionsmittelleitung, welche stromauf eines nicht gezeigten Reduktionsmittel- oder SCR-Katalysators in eine Abgasleitung (nicht gesondert dargestellt) einmündet. Der Harnstoff wird in einer vor oder innerhalb des SCR-Katalysators befindlichen Hydrolyseeinrichtung mittels Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt, der dann wiederum im eigentlichen SCR-Katalysator die Stickoxide reduziert. Ferner kann der SCR-Katalysator selbst, wie in DE 197 38 737 A1 dargestellt, als Hydrolysator wirken, indem das katalytisch aktive Material des Katalysators sowohl eine Hydrolyse-Aktivität zur Umwandlung des Reduktionsmittels zu Ammoniak als auch eine SCR-Aktivität zum Abbau von Stickoxiden nach dem SCR-Verfahren besitzt. Über den Reduktionsmittelanschluß 4 gelangt das Reduktionsmittel, in diesem Falle eine wässrige Harnstofflösung, aus dem nicht gezeigten Reduktionsmittelbehälter in den Reduktionsmittelkanal 5.
Eine Entlastung des Drucksensors 2 für den Fall des Einfrierens des Reduktionsmittelmediums kann somit zum einen in vorteilhafter weise durch die Entkoppelung des Sensors 2 von der Dosiereinheit 1 durch Einfügen eines Ausgleichselementes 3 zwischen Sensor 2 und Reduktionsmittelkanal 5 erfolgen, zum anderen zusätzlich durch die Beheizung des Ausgleichselementes mit einer nicht näher dargestellten Heizvorrichtung erfolgen. Als Heizvorrichtung kann z.B. eine elektrisch beheizbare Heizwendel vorgesehen sein. Eine Vorheizung des Ausgleichselementes 3 kann mittels Fahrzeugbatterie beim Startvorgang stattfinden, bevor durch eine Reduktionsmittelförderpumpe in der Dosiereinheit 1 der Druck aufgebaut wird. Hierdurch wird eine Beschädigung oder Zerstörung des Sensors 2 durch gefrorene Eisstücke vermieden, da durch die Beheizung des flexiblen Elementes das Eis geschmolzen wird, bevor es mit Druck in den anschließenden Sensor 2 gedrückt werden kann.

Claims

Dosiereinheit (1) zum Zumessen eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung stromaufwärts eines SCR-Katalysators, umfassend einen Drucksensor (2) zur Messung des Druckes im Dosiersystem, einen Reduktionsmittelkanal (5), einen Temperatursensor (7) zur Messung der Reduktionsmitteltemperatur und ein Dosierventil (8) zur Dosierung des Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (2) mit einem Ausgleichselement (3) zur Frostkompensation ausgestattet ist.
Dosiereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) zur Frostkompensation zwischen Reduktionsmittelkanal (5) und Drucksensor (2) angeordnet ist.
Dosiereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) ein Edelstahl-Flexrohr enthält.
Dosiereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) eine elastische Schlauchverbindung enthält.
Dosiereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Schlauchverbindung EPDM enthält.
Dosiereinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) mit einer Heizvorrichtung ausgestattet ist.