DE19947198B4 - Device for aftertreatment of exhaust gases of an internal combustion engine - Google Patents

Device for aftertreatment of exhaust gases of an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase einzubringenden Reduktionsmittels, insbesondere eines Harnstoffs und/oder einer Harnstoff-Wasser-Lösung, mit einer Mischkammer (8), in welche in einem Reduktionsmittelspeicher (1) gespeichertes Reduktionsmittel über eine Reduktionsmittelleitung (1a), und in einem Druckluftspeicher (20) enthaltene Druckluft über eine Druckluftleitung (24) zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luftgemisches einbringbar sind, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Regelkreis (1a, 10, 11, 50, 51, 52) zur Regelung und/oder Steuerung eines in der Reduktionsmittelleitung (1a) herrschenden Druckes, wobei der Regelkreis eingerichtet ist zur Entlüftung der Reduktionsmittelleitung (1a).contraption for post-treatment of exhaust gases of an internal combustion engine using a to be introduced into the exhaust reducing agent, in particular a urea and / or a urea-water solution, with a mixing chamber (8), in which in a reducing agent storage (1) stored reducing agent via a reducing agent line (1a), and in a compressed air reservoir (20) contained compressed air via a compressed air line (24) for generating a reducing agent-air mixture einbringbar characterized by a closed loop (1a, 10, 11, 50, 51, 52) for controlling and / or controlling one in the reducing agent line (1a) prevailing pressure, wherein the control circuit is established for venting the reducing agent line (1a).

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase einzubringenden Reduktionsmittels, insbesondere Harnstoff bzw. Harnstoff-Wasser-Lösung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The present invention relates to an aftertreatment device of exhaust gases of an internal combustion engine using one in the exhaust gases to be introduced reducing agent, in particular urea or urea-water solution, after the preamble of claim 1.

Als Folge der in den letzten Jahren stets niedriger anzusetzenden Schadstoffgrenzwerte sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen in Brennkraftmaschinen entwickelt worden. Beispielsweise mittels Katalysatorsystemen, welche Harnstoff und/oder Ammoniak als Reduktionsmittel zur NOx-Konvertierung verwenden, sind effiziente Abgasnachbehandlungssysteme zur Verfügung gestellt.As a result of the always lower to be applied in recent years emission limits numerous devices and methods have been developed for the aftertreatment of exhaust gases in internal combustion engines. For example, by means of catalyst systems which use urea and / or ammonia as a reducing agent for NO x conversion, efficient exhaust aftertreatment systems are provided.

Um eine Verminderung von NOx-Bestandteilen in Abgasen zu erzielen, wurden insbesondere für Dieselmotoren Reduktionskatalysatoren entwickelt, die üblicherweise in sogenannte SCR-Katalysatoren (engl. Selective Catalytic Reduction) mit Harnstoffdosiersystem und Speicherkatalysatoren unterteilt werden. Die sogenannten SCR-Katalysatoren werden mittels einer Harnstoff- und/oder Ammoniakreduktionsmittelzufuhr generiert, während die sogenannten Speicherkatalysatoren mit Kohlenwasserstoffen des mitgeführten Brennkraftmaschinen-Brennstoffs in sogenannten Abgasfettphasen regeneriert werden.In order to achieve a reduction of NO x components in exhaust gases, reduction catalysts have been developed especially for diesel engines, which are usually divided into so-called SCR (Selective Catalytic Reduction) catalysts with urea dosing system and storage catalysts. The so-called SCR catalysts are generated by means of a urea and / or ammonia reducing agent supply, while the so-called storage catalysts are regenerated with hydrocarbons of the entrained engine fuel in so-called exhaust gas fat phases.

Aus der EP 0 381 236 A1 ist ein System bekannt, welches zum Entfernen von Stickoxiden in Abgasen aus einem Dieselmotor Ammoniak als Reduktionsmittel zudosiert. Bei diesem System ist ferner ein Turbolader vorgesehen, welcher den Druck des Abgases senkt. Eine verwendete Harnstoff-Wasser-Lösung wird mittels Druckluft zudosiert.From the EP 0 381 236 A1 a system is known which doses ammonia as a reducing agent for removing nitrogen oxides in exhaust gases from a diesel engine. In this system, a turbocharger is further provided, which lowers the pressure of the exhaust gas. A urea-water solution used is metered in by means of compressed air.

Aus der DE 44 41 261 A1 ist eine Einrichtung zum Nachbehandeln einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher die Leistung des Katalysators über eine Dosiereinrichtung verbessert werden soll. Die Dosiereinrichtung ist als Kleinstmengendosier-Verdrängerpumpe ausgebildet, die auf einem zylindrischen Rotationskörper einen Gewindegang in der Form einer Nut aufweist, wobei zur Änderung der Förderungleistung der Rotationskörper mit variabler Drehzahl angetrieben wird. Die Zugabe des Reduktionsmittels in das Abgassystem erfolgt vorzugsweise kennfeldabhängig, d. h. in Abhängigkeit von Menge und/oder Zusammensetzung des Abgases.From the DE 44 41 261 A1 a device for the post-treatment of an internal combustion engine is known in which the performance of the catalyst is to be improved via a metering device. The metering device is designed as a Kleengmengendosier displacement pump having on a cylindrical body of revolution a thread in the form of a groove, wherein for varying the delivery rate of the rotating body is driven at variable speed. The addition of the reducing agent in the exhaust system is preferably map-dependent, ie, depending on the amount and / or composition of the exhaust gas.

Es ist beispielsweise aus der DE 42 30 056 A1 bekannt, ein Aerosol auf der Grundlage eines Reduktionsmittels und dieses beaufschlagender Druckluft in einer Mischkammer zu erzeugen. Hierbei werden das Reduktionsmittel und die Luft über getrennte Leitungen der Mischkammer zugeführt. Es ist bei derartigen herkömmlichen Vorrichtungen zum Nachbehandeln der Abgase einer Brennkraftmaschine üblich, eine Regelung des Betriebsdruckes des zugeführten Reduktionsmittels, insbesondere der zugeführten Harnstoff-Wasser-Lösung: (HWL) mittels eines mechanischen Druckreglers durchzuführen. Derartige Druckregler weisen individuelle Kennlinien auf, die von der Durchströmmenge, der Temperatur oder auch dem Alter des Druckreglers abhängig sind, und somit zu Streu-, Drift- oder Nichtlinearitätseffekten bei der Druckregelung führen können.It is for example from the DE 42 30 056 A1 It is known to produce an aerosol based on a reducing agent and this pressurizing compressed air in a mixing chamber. Here, the reducing agent and the air are supplied via separate lines of the mixing chamber. It is customary in such conventional devices for aftertreating the exhaust gases of an internal combustion engine to perform a regulation of the operating pressure of the supplied reducing agent, in particular the supplied urea-water solution (HWL) by means of a mechanical pressure regulator. Such pressure regulators have individual characteristics that are dependent on the flow rate, the temperature or the age of the pressure regulator, and thus can lead to scattering, drift or nonlinearity effects in the pressure control.

Die WO 98/43 732 A1 beschreibt eine Abgasnachbehandlungsanordnung, bei der Harnstoff über einen Injektor in die Abgasleitung eingespritzt wird. Dabei ist eine Pumpe, ein Druckregelventil, ein Drucksensor und ein Steuergerät vorgesehen, um den Druck der wässrigen Harnstofflösung einzuregeln. Dabei kann auch Luft zur Unterstützung der Harnstoffeinspritzung eingesetzt werden.The WO 98/43 732 A1 describes an exhaust aftertreatment arrangement in which urea is injected via an injector into the exhaust pipe. In this case, a pump, a pressure regulating valve, a pressure sensor and a control device are provided to regulate the pressure of the aqueous urea solution. In this case, air can be used to support the urea injection.

Die EP 0 826 097 B1 beschreibt eine druckgestützte Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion mit einer Mischkammer, einem Dosierventil und einer Pumpe.The EP 0 826 097 B1 describes a pressure-assisted selective catalytic reduction arrangement with a mixing chamber, a metering valve and a pump.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen dahingehend, dass eine Druckregelung des Betriebsdrucks des zugeführten Reduktionsmittels in einfacher und zuverlässiger Weise gewährleistet ist.task The invention is the improvement of a generic device for the aftertreatment of exhaust gases to the effect that a pressure control the operating pressure of the supplied reducing agent in a simple and reliable way guaranteed is.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.These Task is solved by a device having the features of patent claim 1.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, einen geschlossenen Regelkreis zur Regelung bzw. Steuerung eines in der Reduktionsmittelleitung herrschenden Drucks zu verwenden, können die oben erwähnten Effekte, insbesondere Drifteffekte und Nichtlinearitäten, kompensiert werden, wobei darüber hinaus mehrdimensionale Kennfelder einer Druckregelung darstellbar sind; dabei ist der Regelkreis eingerichtet zur Entlüftung der Reduktionsmittelleitung. Dies führt beispielsweise dazu, dass ein in der Reduktionsmittelleitung herrschender Druck unabhängig von einer der Mischkammer der Vorrichtung zuzuführenden Reduktionsmittelmenge eingestellt werden kann, beispielsweise kann ein mit zunehmender Reduktionsmittelmenge steigender Mischkammerdruck kompensiert werden.By the measure according to the invention, a closed loop for controlling or controlling a to use in the reducing agent line prevailing pressure, can the ones mentioned above Effects, especially drift effects and nonlinearities, compensated Beyond that In addition, multi-dimensional maps of a pressure control can be displayed are; while the control circuit is set up to vent the Reducing agent line. this leads to For example, that a prevailing in the reducing agent line pressure independently from an amount of reducing agent to be supplied to the mixing chamber of the device can be adjusted, for example, one with increasing Reducing agent amount increasing mixing chamber pressure can be compensated.

Mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen geschlossenen Regelkreises mit frei steuerbarem Reduktionsmitteldruck kann somit die Reduktionsmittel-Dosierung und Gemischaufbereitung den jeweiligen Betriebszuständen angepaßt werden.through the inventively provided closed Control circuit with freely controllable reducing agent pressure can thus the reducing agent dosage and mixture preparation the respective operating conditions customized become.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention According to the device are the subject of the dependent claims.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der geschlossene Regelkreis ein mittels eines Steuergerätes ansteuerbares Magnetventil zur Druckregelung und einen mit dem Steuergerät in Wirkverbindung stehenden Drucksensor zur Detektierung des in der Reduktionsmittelleitung herrschenden Druckes auf. Derartige Bauteile sind in preiswerter Weise verfügbar und erweisen sich in der Praxis als robust und zuverlässig, so daß auf der Grundlage derartiger Bauteile ein zuverlässiger Regelkreis bereitstellbar ist.According to one preferred embodiment the device according to the invention the closed-loop control system can be activated by means of a control unit Solenoid valve for pressure control and one with the control unit in operative connection standing pressure sensor for detecting the in the reducing agent line prevailing pressure. Such components are cheaper Way available and prove to be robust and reliable in practice, so that on the basis of such components provide a reliable control loop is.

Zweckmäßigerweise ist das Reduktionsmittel über ein als Magnetventil ausgeführtes Einspritzventil in die Mischkammer einführbar, wobei das Einspritzventil insbesondere baugleich mit dem Magnetventil zur Druckregelung in der Reduktionsmittelleitung ausgebildet ist. Durch baugleiche Ausbildung der erwähnten Einspritzventile sind die Kosten der Vorrichtung insgesamt weiter reduzierbar.Conveniently, is the reducing agent over a designed as a solenoid valve Injection valve inserted into the mixing chamber, wherein the injection valve in particular identical with the solenoid valve for pressure control in the reducing agent line is formed. By identical design of the mentioned Injectors are the cost of the device overall reducible.

Die Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten Ausführungsform weiter beschrieben. Es zeigtThe Invention will now be further described with reference to a preferred embodiment. It shows

1 eine blockschaltbildartige Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 a block diagram-like view of a preferred embodiment of the device according to the invention.

In 1 ist mit 1 ein Harnstofftank bezeichnet, aus welchem eine Harnstoff-Wasser-Lösung über eine Leitung 1a mit einem Rückschlagventil 2 und einem als Filtersieb ausgeführten Filter 3 von einer Förderpumpe 4 angesaugt und über einen Druck- bzw. Pulsationsdämpfer 5 sowie ein weiteres Rückschlagventil 6 zu einem Dosierventil 7 einer Mischkammer 8 gefördert wird. Das Dosierventil 7 dosiert die erforderliche Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung in einen Mischraum, welcher in der Figur nicht im einzelnen dargestellt ist. Ein den Druck in der Leitung 1a detektierender Drucksensor ist mit 10 bezeichnet. Ferner zweigt von der Leitung 1a ein Rückführleitung 1b ab, welche mittels eines als 2/2-Wege-Magnetventils 11 beaufschlagbar ist. In der Rückführleitung 1b ist ein weiteres Rückschlagventil 2a ausgebildet.In 1 is with 1 denotes a urea tank, from which a urea-water solution via a line 1a with a check valve 2 and a filter designed as a filter 3 from a feed pump 4 aspirated and via a pressure or pulsation damper 5 and another check valve 6 to a metering valve 7 a mixing chamber 8th is encouraged. The metering valve 7 doses the required amount of urea-water solution in a mixing chamber, which is not shown in detail in the figure. A the pressure in the pipe 1a Detecting pressure sensor is with 10 designated. Further branches from the line 1a a return line 1b starting, which by means of a 2/2-way solenoid valve 11 can be acted upon. In the return line 1b is another check valve 2a educated.

Der Drucksensor 10 überträgt detektierte Druckwerte über eine Leitung 50 in ein Steuergerät 40. Ein Regler 52 ist als Software in dem Steuergerät integriert ausgebildet. Das Steuergerät 40 gibt, in Abhängigkeit von den mittels des Drucksensors 10 detektierten Druckwerten in der Leitung 1a, über eine Steuerleitung 51 Steuersignale auf das Magnetventil 11. Durch entsprechende Betätigung des Magnetventils 11 ist die Rückführleitung öffnenbar oder sperrbar, wodurch eine Regelung des Druckes innerhalb der Leitung 1a durchführbar ist. Mittels des Drucksensors 10, des Reglers 52, des Magnetventils 11 und der entsprechenden Leitungen 50, 51 ist daher ein geschlossener Regelkreis zur Regelung des Drucks in der Leitung 1a zur Verfügung gestellt. Mittels des Magnetventils 11 ist ferner beispielsweise eine notwendige Entlüftung der Leitung 1a durchführbar. Gemäß einer nicht im einzelnen dargestellten Ausführungsform wäre es denkbar, daß die Reglerfunktion durch das Steuergerät 40 übernommen wird.The pressure sensor 10 transmits detected pressure values via a line 50 in a control unit 40 , A regulator 52 is designed as software integrated in the control unit. The control unit 40 depending on the means of the pressure sensor 10 detected pressure values in the line 1a , via a control line 51 Control signals to the solenoid valve 11 , By appropriate actuation of the solenoid valve 11 the return line is openable or lockable, thereby regulating the pressure within the line 1a is feasible. By means of the pressure sensor 10 , the regulator 52 , the solenoid valve 11 and the corresponding lines 50 . 51 is therefore a closed loop to control the pressure in the line 1a made available. By means of the solenoid valve 11 is also, for example, a necessary venting of the line 1a feasible. According to an embodiment not shown in detail, it would be conceivable that the controller function by the control unit 40 is taken over.

Mit 20 ist ferner ein Druckluftbehälter bezeichnet, aus welchem Druckluft über einen Druckbegrenzer 21, ein 2/2-Wegeventil 22 und ein Rückschlagventil 23 in die Mischkammer 8 einbringbar ist. Durch Vorsehen des Rückschlagventils 23, welches beispielsweise als Kugelventil oder Flachventil ausgebildet sein kann, kann ein Rückströmen eines Reduktionsmittel-Luft-Gemisches aus der Mischkammer in die Druckluftleitung verhindert werden. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise die Gefahr einer Kontamination eines mit der Druckluftleitung 24 kommunizierenden Druckluft-Bordnetzes gegenüber herkömmlichen Systemen stark reduziert.With 20 Furthermore, a compressed air tank is designated, from which compressed air via a pressure limiter 21 , a 2/2-way valve 22 and a check valve 23 into the mixing chamber 8th can be introduced. By providing the check valve 23 which may be formed, for example, as a ball valve or flat valve, a backflow of a reducing agent-air mixture from the mixing chamber can be prevented in the compressed air line. As a result, the risk of contamination with the compressed air line is advantageously 24 communicating compressed air electrical system compared to conventional systems greatly reduced.

In der Mischkammer 8 wird unter Beaufschlagung der Harnstoff-Wasser-Lösung mittels der Druckluft ein Aerosol und ein Wandfilm erzeugt, welche über eine Aerosolleitung 25 in einen Katalysator 30 eingebracht werden. Das Steuergerät 40 erfaßt hierbei Signale, die von einem übergeordneten Motorsteuergerät über eine CAN-Datenleitung 41 empfangen werden, sowie die Signale von Druck-, Temperatur- bzw. Füllstandssensoren 61 bis 65, deren Funktionsweise an sich bekannt ist und hier nicht weiter erläutert wird. Das Steuergerät 40 berechnet aus diesen Informationen eine Harnstoff-Dosiermenge, welche einem den Katalysator 30 durchströmenden Abgas zugegeben werden soll.In the mixing chamber 8th By pressurizing the urea-water solution by means of the compressed air, an aerosol and a wall film is produced, which is supplied via an aerosol line 25 into a catalyst 30 be introduced. The control unit 40 detects signals from a higher-level engine control unit via a CAN data line 41 are received, as well as the signals from pressure, temperature or level sensors 61 to 65 whose operation is known per se and will not be explained further here. The control unit 40 calculates from this information a urea dosing amount which gives the catalyst 30 should be added by flowing exhaust gas.

Das Steuergerät 40 regelt ferner mit Hilfe der beschriebenen Magnetventile sowohl den Druck in der Druckluftleitung 24, als auch mit Hilfe des Magnetventils 11 (Entlüftungsventil) und des Harnstoffdrucksensors 10 den Druck in der Harnstoffleitung 1a. Mittels des Steuergerätes 40 sind Abweichungen und Fehler erkennbar und speicherbar. Der Fehlerspeicher kann aus dem Steuergerät mit Hilfe eines Interfaces und entsprechender Diagnosesoftware ausgelesen werden.The control unit 40 also controls with the help of the solenoid valves described both the pressure in the compressed air line 24 , as well as with the help of the solenoid valve 11 (Bleed valve) and the urea pressure sensor 10 the pressure in the urea line 1a , By means of the control unit 40 Deviations and errors are recognizable and storable. The fault memory can be read out of the control unit with the aid of an interface and corresponding diagnostic software.

Claims (3)

Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines in die Abgase einzubringenden Reduktionsmittels, insbesondere eines Harnstoffs und/oder einer Harnstoff-Wasser-Lösung, mit einer Mischkammer (8), in welche in einem Reduktionsmittelspeicher (1) gespeichertes Reduktionsmittel über eine Reduktionsmittelleitung (1a), und in einem Druckluftspeicher (20) enthaltene Druckluft über eine Druckluftleitung (24) zur Erzeugung eines Reduktionsmittel-Luftgemisches einbringbar sind, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Regelkreis (1a, 10, 11, 50, 51, 52) zur Regelung und/oder Steuerung eines in der Reduktionsmittelleitung (1a) herrschenden Druckes, wobei der Regelkreis eingerichtet ist zur Entlüftung der Reduktionsmittelleitung (1a).Device for aftertreatment of exhaust gases of an internal combustion engine using a reducing agent to be introduced into the exhaust gases, in particular a urea and / or a urea-water solution, with a mixing chamber ( 8th ) into which a reducing agent reservoir ( 1 ) stored reducing agent via a reducing agent line ( 1a ), and in a compressed air reservoir ( 20 ) contained compressed air via a compressed air line ( 24 ) can be introduced to produce a reducing agent-air mixture, characterized by a closed loop ( 1a . 10 . 11 . 50 . 51 . 52 ) for controlling and / or controlling one in the reducing agent line ( 1a ) prevailing pressure, wherein the control circuit is arranged for venting the reducing agent line ( 1a ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Regelkreis ein mittels eines Steuergerätes und/oder Reglers (40, 52) ansteuerbares Magnetventil (11) zur Druckregelung und einen mit dem Steuergerät (40) und/oder Regler (52) in Wirkverbindung stehenden Drucksensor (1d) zur Detektierung des in der Reduktionsmittelleitung (1a) herrschenden Druckes aufweist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the closed control loop by means of a control device and / or regulator ( 40 . 52 ) controllable solenoid valve ( 11 ) for pressure control and one with the control unit ( 40 ) and / or regulators ( 52 ) operatively connected pressure sensor ( 1d ) for detecting the in the reducing agent line ( 1a ) has prevailing pressure. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel über ein als Magnetventil ausgeführtes Einspritzventil (7) in die Mischkammer einführbar ist, wobei das Einspritzventil (7) insbesondere baugleich mit dem Magnetventil (11) zur Druckregelung ausgeführt ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the reducing agent via a designed as a solenoid valve injection valve ( 7 ) is insertable into the mixing chamber, wherein the injection valve ( 7 ) in particular identical with the solenoid valve ( 11 ) is executed for pressure control.
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