DE10349143A1 - Metering unit for introducing a reducing agent into an exhaust pipe upstream of a selective catalytic reduction catalyst includes a pressure sensor equipped with a frost compensator - Google Patents

Metering unit for introducing a reducing agent into an exhaust pipe upstream of a selective catalytic reduction catalyst includes a pressure sensor equipped with a frost compensator Download PDF

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Abstract

Metering unit for introducing a reducing agent into an exhaust pipe upstream of a selective catalytic reduction (SRC) catalyst comprises a pressure sensor (2) equipped with a frost compensator (3), a reducing agent channel (5), a temperature sensor (7) and a metering valve (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinheit zum Zumessen eines Reduktionsmittels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a metering unit for metering a reducing agent according to the preamble of claim 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.From the DE 101 61 132 A1 a diaphragm pump with integrated pressure sensor is known in which the pressure sensor is arranged in the housing of the diaphragm pump and the diaphragm pump is used as an expansion vessel for the protection of the pressure sensor. The pressure sensor diaphragm is therefore arranged to avoid overpressure at the pressure sensor directly in the pump head, ie above the pump diaphragm of the diaphragm pump, so that the volume increase of the reducing agent occurring during freezing of the reducing agent within the diaphragm pump is absorbed by a deflection of the pump diaphragm against the force of a spring and the pressure sensor membrane is protected from damage.

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.The reduction of the nitrogen oxide emission of an internal combustion engine operating with excess air, in particular a diesel internal combustion engine, can be carried out with the aid of the SCR process (selective catalytic reduction) to nitrogen and water vapor. As a reducing agent either gaseous ammonia (NH 3 ), ammonia in aqueous solution or ammonia-releasing substances, such as urea, ammonium carbamate, ammonium carbonate or cyanuric acid, used as a solid or in aqueous solution.

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.the Advantage of easier handling, storage, delivery and metering of watery solutions unlike gaseous Substances are a disadvantage of the risk of freezing at certain Temperatures in dependence the concentration of the dissolved Substance over.

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%.A 32% urea solution, as typically in SCR systems is used as a reducing agent, has a freezing point of about -11 ° C. there elevated the volume at the phase transition from liquid after firmly similar as with water by about 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.Of the Invention is the technical problem of providing a Dosing unit of the type mentioned, with comparatively little effort is feasible and doing damage to the in the metering unit contained pressure sensor when freezing the Reducing Agent Solution effectively prevented.

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.The Invention solves this problem by providing a dosing unit with the features of claim 1. In this dosing unit is the pressure sensor equipped with a compensating element for frost compensation.

In einer Weiterbildung nach Anspruch 2 ist das Ausgleichselement zur Frostkompensation zwischen Reduktionsmittelkanal und Drucksensor angeordnet.In a development according to claim 2, the compensation element for Frost compensation between reducing agent channel and pressure sensor arranged.

In einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Dosiereinheit enthält das Ausgleichselement ein Edelstahl-Flexrohr.In a further developed according to claim 3 metering unit contains the compensation element a stainless steel flexible tube.

In einer alternativen Weiterbildung nach Anspruch 4 enthält das Ausgleichselement eine elastische Schlauchverbindung.In An alternative development according to claim 4 contains the compensation element an elastic hose connection.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 enthält die elastische Schlauchverbindung EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer).In a development of the invention according to claim 5 contains the elastic Hose connection EPDM (ethylene-propylene-diene 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.Both Materials, the stainless steel flexible tube as well as the flexible hose connection, have a certain expansion volume due to their elastic properties on. Any other material which has elastic properties, aging and corrosion resistance with regard to the aqueous used Having a reducing agent solution, can be used to create such an expansion volume as well Find compensating element insert.

In einer bevorzugten Weiterbildung nach Anspruch 6 ist das Ausgleichselement mit einer Heizvorrichtung ausgestattet.In A preferred embodiment according to claim 6 is the compensation element equipped with a heating device.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Dosiereinheit sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung.advantageous Embodiments of the dosing unit according to the invention are the subject the dependent claims and the description.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt auf schematische weiseThe Invention will now be described with reference to the accompanying drawings. In this shows in a schematic way

1 eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Dosiereinheit 1 a simplified representation of the dosing unit according to the invention

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.In 1 is an embodiment of a metering unit according to the invention 1 with a freeze-resistant pressure sensor 2 shown. The dosing unit 1 essentially comprises a pressure sensor 2 which is in communication with the reductant channel 5 is, for the measurement or detection of the reducing agent pressure build-up, a compensation element 3 for frost compensation, arranged between pressure sensor 2 and reductant channel 5 , and a reduc tion medium connection 4 , the connection between the reducing agent tank (not shown) and dosing unit 1 manufactures. The compensation element 3 contains a stainless steel flexible tube or a flexible hose connection to create an expansion volume. The compensation element 3 For example, it may be composed of three layers: the innermost layer in which the reducing agent solution, preferably the urea solution, is conveyed, forms a flexible hose connection, containing or consisting of essentially EPDM rubber, the innermost layer being from a braid to increase the strength is surrounded by polyamide as a middle layer. The outermost layer in turn forms a flexible EPDM layer which, like the innermost layer, is chemically resistant to an aqueous reductant solution. Furthermore, the outermost layer is characterized by its abrasion resistance, aging resistance in a temperature range of -40 ° C to 85 ° C and its ozone resistance. The compensation element 3 is highly flexible and allows a volume increase of> 8% at 5 bar. Furthermore, one or more sheathed strands of stainless steel may be provided as a heating conductor between the middle and outermost layers, which are arranged helically around the middle layer. As a result, the promotion of urea solution even below -11 ° C is possible. If now in the reducing agent channels 5 existing reducing agent solution freezes, the compensation element 3 give in to its elasticity and widen slightly. This increases the volume of the compensation element 3 so that the expansion of the reducing agent medium due to freezing can be compensated. This thus prevents damage to the pressure sensor 2 in a very simple but effective way. A particular advantage of the invention is the fact that this beneficial effect is achieved with little additional design effort. Furthermore, retrofitting of already existing metering valves can be accomplished in a quick, cost-effective manner.

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.To freeze the aqueous reducing agent in the channels or lines of the metering valve 1 damage to the pressure sensor 2 To avoid, in addition to the compensation element 3 another compensation element 6 be provided on the basis of a ball / spring principle, which in conjunction with the reducing agent channel 5 stands and between pressure sensor 2 or compensating element 3 and a temperature sensor 7 arranged for measuring the reducing agent temperature and / or as a ball / spring element before the metering valve 8th can be provided.

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.The dosing unit 1 also includes a dosing valve 8th for dosing the reducing agent, a Dosierleitungsanschluß 10 , an air pressure sensor 11 and an air line connection 12 , The injection of the reducing agent solution by means of metering valve 8th via the Dosierleitungsanschluß 10 in a not shown reducing agent line, which opens upstream of a not shown reducing agent or SCR catalyst in an exhaust pipe (not shown separately). The urea is converted into ammonia by means of hydrolysis in a hydrolysis unit located in front of or inside the SCR catalyst, which then in turn reduces the nitrogen oxides in the actual SCR catalyst. Further, the SCR catalyst itself may be as shown in FIG DE 197 38 737 A1 shown acting as a hydrolyzer in that the catalytically active material of the catalyst has both a hydrolysis activity for the conversion of the reducing agent to ammonia and an SCR activity for the decomposition of nitrogen oxides by the SCR method. About the reducing agent connection 4 the reducing agent, in this case an aqueous urea solution, passes from the reducing agent container, not shown, into the reducing agent channel 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.A relief of the pressure sensor 2 in the case of the freezing of the reducing agent medium can thus on the one hand advantageously by the decoupling of the sensor 2 from the dosing unit 1 by inserting a compensation element 3 between sensor 2 and reductant channel 5 take place, on the other hand also done by the heating of the compensation element with a heater not shown. As a heater, for example, an electrically heatable heating coil can be provided. A preheating of the compensation element 3 can take place by means of vehicle battery during the starting process, before passing through a reducing agent pump in the metering unit 1 the pressure is built up. This will damage or destroy the sensor 2 Frozen pieces of ice prevent this because the heating of the flexible element causes the ice to melt before it is pressed into the adjoining sensor 2 can be pressed.

Claims (6)

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.Dosing unit ( 1 ) for metering a reducing agent into the exhaust pipe upstream of an SCR catalytic converter, comprising a pressure sensor ( 2 ) for measuring the pressure in the dosing system, a reductant channel ( 5 ), a temperature sensor ( 7 ) for measuring the reducing agent temperature and a metering valve ( 8th ) for metering the reducing agent, characterized in that the pressure sensor ( 2 ) with a compensation element ( 3 ) is equipped for frost compensation. Dosiereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) zur Frostkompensation zwischen Reduktionsmittelkanal (5) und Drucksensor (2) angeordnet ist.Dosing unit according to claim 1, characterized in that the compensating element ( 3 ) for frost compensation between reducing agent channel ( 5 ) and pressure sensor ( 2 ) is arranged. Dosiereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) ein Edelstahl-Flexrohr enthält.Dosing unit according to claim 2, characterized in that the compensating element ( 3 ) contains a stainless steel flexible tube. Dosiereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) eine elastische Schlauchverbindung enthält.Dosing unit according to claim 2, characterized in that the compensating element ( 3 ) contains an elastic hose connection. Dosiereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Schlauchverbindung EPDM enthält.Dosing unit according to claim 4, characterized in that that the elastic hose connection contains EPDM. Dosiereinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (3) mit einer Heizvorrichtung ausgestattet ist.Dosing unit according to claim 3 or 4, characterized in that the compensating element ( 3 ) is equipped with a heating device.
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