WO2006045671A1 - Dosiervorrichtung und verfahren zum betreiben einer dosiervorrichtung - Google Patents

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Markus Buerglin
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention is based on a metering device and a method for operating a metering device according to the preambles of the independent claims.
  • a selective catalytic reduction (“SCR”) process has proved to be advantageous for self-igniting internal combustion engines.
  • the nitrogen oxides are converted together with ammonia in a selective catalyst to nitrogen and water.
  • the reducing agent necessary for the catalytic conversion of the nitrogen oxides is carried in the vehicle instead of the ammonia in the form of an aqueous urea solution, from which the ammonia can be liberated by thermolysis and hydrolysis of the urea solution in the amount required for the reaction.
  • a device for exhaust aftertreatment in which reducing agent is conveyed to a heating device via a pump controllable for adjusting the delivery quantity is known.
  • the reducing agent is heated in the heating device and introduced into the exhaust gas flow via an addition device located upstream of the reduction catalytic converter.
  • a designed as a controllable valve adding device is controlled to adjust the flow rate.
  • the European Patent EP 0 708 230 B1 also discloses the alternative of designing the device for processing the reducing agent as an evaporation device, the metered reducing agent being introduced in vaporized form into the exhaust gas flow.
  • the external and on-demand ammonia production leads to a nearly independent of the exhaust gas temperature, resulting in an improvement of the NOx conversion rate.
  • Prob ⁇ lematic is an uncontrolled reduction agent treatment, for example by re-evaporation.
  • a check valve be provided in the metering device according to the invention with a metering pump for adjusting a delivery rate of a reducing agent in a normal operating conveying direction upstream of the processing unit.
  • the metering pump conveys the reducing agent along the normal operation conveying direction from a storage tank via the treatment unit upstream of an exhaust gas system into the exhaust gas system. It is advantageous that the reducing agent can be conveyed only in the direction of the exhaust system, in particular in the case of a sudden pressure change after closing the return valve.
  • the metering pump is designed as a peristaltic pump.
  • this is a volumetric conveying device which is also used, for example, in medical technology for conveying and metering small volume flows.
  • a peristaltic pump a certain volume of reducing agent in a hose or in a pipe can be enclosed and conveyed continuously as the angle of rotation increases by rollers running in a cylinder.
  • the peristaltic pump has a simple construction and is suitable for accurate metering, in that it is conveyed continuously or discontinuously via a drive, for example an electric stepper motor.
  • the metered quantity can be quantified precisely by means of the angle of rotation or the number of steps.
  • the peristaltic pump also has a principle due to a good tightness.
  • this principle an exhaust gas backpressure and any pressure which may be generated during evaporation in the conditioning unit can be reliably generated.
  • the peristaltic pump is designed as a peristaltic pump, which in principle is suitable for winter use, since the flexible hose material can tolerate ice formation without being damaged.
  • a metering device can be provided with the invention which meets the market requirements in terms of complexity, costs and customer acceptance.
  • the aim of future exhaust gas limit values can preferably be met thereby.
  • a porous body is provided in the exhaust system for improving the conversion of the reducing agent. It is advantageous that the porous body can be additionally supplied with thermal energy, for example by a heating element. To improve the conversion of the reducing agent, the body may preferably be catalytically active. As a material used for this purpose, for example, a metal foam, such as stainless steel, aluminum and the like, and / or ceramic conceivable.
  • a method for operating a metering device with a metering pump wherein a check valve arranged in a normal operating direction upstream of a conditioning unit is closed when the pressure of the reducing agent in the conditioning unit increases.
  • the reducing agent is thereby transported by means of the metering pump along the normal operating conveying direction from a storage tank via an exhaust gas tank.
  • system upstream processing unit introduced into the exhaust system ein ⁇ .
  • the reducing agent is accelerated directed towards the exhaust system after closing the check valve, whereby a return flow of exhaust gas into the metering device can be prevented.
  • a temperature sensor In order to control the delivery rate of the reducing agent through the metering device as a function of its temperature, a temperature sensor can be provided. As a result, a particularly preferred fine tuning of the metering device is possible.
  • the single FIGURE shows a preferred metering device in an exhaust gas system of a motor vehicle.
  • a preferred metering device in an exhaust system of a motor vehicle is shown in simplified form in the FIGURE.
  • a reducing agent for the aftertreatment of exhaust gases from internal combustion engines is stored.
  • the reducing agent is conveyed from the storage tank 11 via a metering pump 10 and an unspecified pipe along a normal operation conveying direction 15 marked by an arrow into a processing unit 12.
  • Downstream of the storage tank 11 is a filter 16 vor ⁇ seen, through which the reducing agent is roughly cleaned.
  • a temperature sensor 14 for determining the temperature of the reducing agent is arranged, which is connected to a control unit 17 via a signal line not designated in greater detail.
  • the temperature sensor 14 may also be integrated in the storage tank 11 or in the metering pump 10.
  • the temperature sensor 14 is preferably integrated in the metering pump, since the lines can be heated. With the temperature sensor 14, the delivery rate of the reducing agent can thus be controlled by the metering device as a function of its temperature.
  • the reducing agent is introduced into a catalytic converter 18 via the processing unit 12.
  • a thermal treatment of the reducing agent takes place, which is subsequently introduced into the catalyst 18.
  • gaseous components for example, NH 3 and CO 2 is generated. Due to the phase transition to gaseous components and the high water vapor content of the urea-water solution, an increase in volume takes place.
  • the gaseous components are independently introduced into the exhaust system and kö ⁇ - NEN relatively simple and unproblematic be distributed homogeneously in the exhaust.
  • the homogenization of the reducing agent in the exhaust gas can be improved with a mixing element 19.
  • a check valve 13 is provided, which can be closed in the conditioning unit 12 as a function of a change in the internal pressure of the reducing agent. After closing the check valve, the reducing agent 13 can be conveyed only in the direction of the exhaust system. According to the method according to the invention, after the check valve 13 has been closed, the reducing agent is directed in the direction of the exhaust gas system.
  • a porous body not shown in the figure is provided for improving the conversion of the reducing agent.
  • the body is catalytically active, wherein the use of spielmik metal foam such as stainless steel, aluminum and the like. Or ceramic is conceivable.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Dosiervorrichtung mit einer Dosierpumpe (10) zur Einstellung einer Fördermenge eines Reduktionsmittels, wobei das Reduktionsmittel zur Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren vorgesehen ist und mittels der Dosierpumpe (10) entlang einer Normalbetrieb-Förderrichtung (15) von einem Vorratstank (11) über eine einem Abgassystem vorgelagerte Aufbereitungseinheit (12) in das Abgassystem einbringbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass in Normalbetrieb-Förderrichtung (15) gesehen stromauf der Aufbereitungseinheit (12) ein Rückschlagventil (13) vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von einer Änderung des Innendrucks des Reduktionsmittels in der Aufbereitungseinheit (12) schließbar ist. Ferner entspricht die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGART
Dosiervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Dosier¬ vorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Dosiervorrichtung sowie einem Ver¬ fahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung nach den Oberbegrif¬ fen der unabhängigen Ansprüche.
Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide hat sich für selbstzündende Verbrennungs¬ motoren ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion ("SCR") als vorteilhaft erwiesen. Bei diesem Verfahren werden die Stickoxide zusammen mit Ammoniak in einem selektiven Katalysator zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Das zur katalytischen Umset¬ zung der Stickoxide notwendige Reduktionsmittel wird anstelle des Ammoniaks in Form einer wässrigen Harnstofflösung im Fahrzeug mitgeführt, aus der das Ammoniak durch Thermolyse und Hydrolyse der Harnstofflösung in der jeweils zur Umsetzung benötigten Menge freigesetzt werden kann.
Herkömmliche Verfahren, die das Reduktionsmittel durch Einsprit¬ zung oder Einblasung im Abgassystem aufbereiten, benötigen je- doch eine Mindesttemperatur und Mindestzeit für die Hydrolyse des Reduktionsmittels zu Ammoniak, wodurch Umsatzverluste in Kauf genommen werden müssen. Dieser Nachteil kommt gerade beim Betrieb von Brennkraftmaschinen mit der für die SCR-Anwendungen vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen zum Tragen. Bekannt ist eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, bei der Reduktions¬ mittel über eine zur Einstellung der Fördermenge steuerbare Pumpe zu einer Heizeinrichtung befördert wird. Das Reduktionsmittel wird in der Heizeinrichtung erwärmt und über eine dem Reduktionskatalysa¬ tor vorgelagerte Zugabevorrichtung in den Abgasstrom eingebracht.
In einer alternativen bekannten Ausführungsform wird zur Einstellung der Fördermenge nicht die Pumpe, sondern eine als steuerbares Ventil ausgebildete Zugabevorrichtung angesteuert. Aus der Europä¬ ischen Patentschrift EP 0 708 230 B1 ist auch die Alternative be- kannt, die Einrichtung zur Aufbereitung des Reduktionsmittels als Verdampfungseinrichtung auszugestalten, wobei das dosierte Re¬ duktionsmittel in verdampfter Form in den Abgasstrom eingebracht wird. Die externe und bedarfsgerechte Ammoniakerzeugung führt zu einem von der Abgastemperatur nahezu unabhängigen Betrieb, was eine Verbesserung der NOx-Konvertierungsrate zur Folge hat. Prob¬ lematisch ist dabei eine unkontrollierte Reduktionsmittelaufbereitung, beispielsweise durch Nachverdampfen.
Vorteile der Erfindung
Es wird vorgeschlagen, dass bei der erfindungsgemäßen Dosiervor¬ richtung mit einer Dosierpumpe zur Einstellung einer Fördermenge eines Reduktionsmittels in einer Normalbetrieb-Förderrichtung gese- hen stromauf der Aufbereitungseinheit ein Rückschlagventil vorge- sehen ist, das in Abhängigkeit von einer Änderung des Innendrucks des Reduktionsmittels in einer Aufbereitungseinheit schließbar ist. Die Dosierpumpe fördert das Reduktionsmittel entlang der Normalbe¬ trieb-Förderrichtung von einem Vorratstank über die einem Abgas- System vorgelagerte Aufbereitungseinheit in das Abgassystem. Es ist dabei von Vorteil, dass das Reduktionsmittel insbesondere bei einer schlagartigen Druckveränderung nach dem Schließen des Rück¬ schlagventils nur in Richtung zum Abgassystem förderbar ist. Es er¬ gibt sich dadurch günstigerweise eine Verbesserung der Einströ- mung des verdampften Reduktionsmittels in den Abgastrakt, bei¬ spielsweise bei diskontinuierlicher Betriebsweise. Ein Rückströmen von Abgas gegen die Normalbetrieb-Förderrichtung vom Abgassys¬ tem in die Dosiervorrichtung und in den Bereich der Dosierpumpe kann dadurch günstigerweise verhindert werden. Dies ist insbeson- dere dann von Vorteil, wenn die Dosiervorrichtung abgestellt ist oder beispielsweise bei einem diskontinuierlichen Betrieb inaktiv ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Dosierpumpe als Peristaltikpum- pe ausgestaltet ist. Es handelt sich dabei günstigerweise um eine volumetrische Fördereinrichtung, die beispielsweise auch in der Me¬ dizintechnik zur Förderung und Dosierung kleiner Volumenströme verwendet wird. Bei einer Peristaltikpumpe kann durch in einem Zy¬ linder laufende Rollen kontinuierlich mit zunehmendem Drehwinkel ein bestimmtes Volumen an Reduktionsmittel in einem Schlauch oder in einer Leitung eingeschlossen und gefördert werden. Es ist dabei von Vorteil, dass die Peristaltikpumpe einen einfachen Aufbau aufweist und sich für eine genaue Dosierung eignet, indem über ei¬ nen Antrieb, z.B. ein elektrischer Schrittmotor, kontinuierlich oder diskontinuierlich gefördert wird. Die dosierte Menge kann mittels des Drehwinkels bzw. die Anzahl der Schritte genau quantifiziert werden. Günstigerweise weist die Peristaltikpumpe überdies prinzipbedingt eine gute Dichtheit auf. Vorteilhafterweise kann mit diesem Prinzip ein Abgasgegendruck und ein gegebenenfalls beim Verdampfen in der Aufbereitungseinheit entstehender Druck sicher erzeugt werden. Darüber hinaus ist die Peristaltikpumpe als Schlauchpumpe ausges¬ taltet, die prinzipbedingt wintertauglich ist, da das flexible Schlauch¬ material eine Eisbildung tolerieren kann, ohne beschädigt zu werden.
Insgesamt kann mit der Erfindung eine Dosiervorrichtung bereitge- stellt werden, die den Marktanforderungen hinsichtlich Komplexität, Kosten und Kundenakzeptanz gerecht wird. Zudem kann damit be¬ vorzugt das Ziel zukünftiger Abgasgrenzwerte erfüllt werden.
Besonders bevorzugt ist im Abgassystem ein poröser Körper vorge- sehen zur Verbesserung der Umsetzung des Reduktionsmittels. Es ist dabei von Vorteil, dass der poröse Körper beispielsweise durch ein Heizelement zusätzlich mit thermischer Energie versorgt werden kann. Zur Verbesserung der Umsetzung des Reduktionsmittels kann der Körper vorzugsweise katalytisch aktiv sein. Als hierfür eingesetz- tes Material ist beispielsweise ein Metallschaum, wie Edelstahl, A- luminium und dgl., und/oder Keramik denkbar.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung mit einer Dosierpumpe vorgeschlagen, wobei ein in einer Normalbetrieb- Förderrichtung gesehen stromauf einer Aufbereitungseinheit ange¬ ordnetes Rückschlagventil bei einer Druckerhöhung des Redukti¬ onsmittels in der Aufbereitungseinheit geschlossen wird. Das Reduk¬ tionsmittel wird dabei mittels der Dosierpumpe entlang der Normalbe¬ trieb-Förderrichtung von einem Vorratstank über eine einem Abgas- system vorgelagerte Aufbereitungseinheit in das Abgassystem ein¬ gebracht.
Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Reduktionsmittel nach dem Schließen des Rückschlagventils in Richtung zum Abgassystem gerichtet beschleunigt, wodurch ein Rückströmen von Abgas in die Dosiervorrichtung verhindert werden kann.
Um die Fördermenge des Reduktionsmittels durch die Dosiervorrich¬ tung in Abhängigkeit von deren Temperatur zu steuern, kann ein Temperatursensor vorgesehen sein. Hierdurch ist eine besonders bevorzugte Feinabstimmung der Dosiervorrichtung möglich.
Selbstverständliche können die Ausgestaltungen miteinander kombi¬ niert werden, was eine bedarfsangepasste Betriebsweise der Dosier¬ vorrichtung ermöglicht.
Zeichnung
Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung er¬ geben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in An¬ sprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Im Folgenden zeigt die einzige Figur eine bevorzugte Dosiervorrich¬ tung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Eine bevorzugte Dosiervorrichtung in einem Abgasstrang eines Kraft¬ fahrzeugs ist vereinfacht in der Figur dargestellt. In einem Vorrats¬ tank 11 ist ein Reduktionsmittel zur Nachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren gespeichert. Das Reduktionsmittel wird von dem Vorratstank 11 über eine Dosierpumpe 10 und eine nicht näher bezeichnete Leitung entlang einer durch einen Pfeil gekenn¬ zeichnete Normalbetrieb-Förderrichtung 15 in eine Aufbereitungsein¬ heit 12 gefördert. Stromab des Vorratstanks 11 ist ein Filter 16 vor¬ gesehen, durch den das Reduktionsmittel grob gereinigt wird. Strom- ab des Filters 16 ist ein Temperatursensor 14 zur Bestimmung der Temperatur des Reduktionsmittels angeordnet, der über eine nicht näher bezeichnete Signalleitung mit einem Steuergerät 17 verbun¬ den ist. Der Temperatursensor 14 kann auch im Vorratstank 11 oder in die Dosierpumpe 10 integriert sein. Vorzugsweise ist der Tempera- tursensor 14 in die Dosierpumpe integriert, da die Leitungen beheizt sein können. Mit dem Temperatursensor 14 kann somit die Förder¬ menge des Reduktionsmittels durch die Dosiervorrichtung in Abhän¬ gigkeit von deren Temperatur gesteuert werden.
Zur Abgasreinigung wird das Reduktionsmittel über die Aufberei¬ tungseinheit 12 in einen Katalysator 18 eingebracht. In der Aufberei¬ tungseinheit 12 findet eine thermische Aufbereitung des Redukti¬ onsmittels statt, das anschließend in den Katalysator 18 eingebracht wird. Bei Verwendung einer Harnstofflösung als Reduktionsmittel findet eine teilweise oder vollständige Aufbereitung zu gasförmigen Komponenten statt, wobei beispielsweise NH3 und CO2 erzeugt wird. Durch den Phasenübergang zu gasförmigen Komponenten und durch den hohen Wasserdampfgehalt der Harnstoff-Wasserlösung findet eine Volumenzunahme statt. Dadurch werden die gasförmigen Komponenten selbständig in das Abgassystem eingeleitet und köπ- nen relativ einfach und unproblematisch homogen im Abgas verteilt werden. Optional kann die Homogenisierung des Reduktionsmittels im Abgas mit einem Mischelement 19 verbessert werden. Im Bereich der gesamten Abgasanlage und im Auslassbereich 22 des Katalysa- tors 18 können nicht eingezeichnete übliche Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise Drucksensoren, Temperatursensoren, Lambda- sonden, NOx-Sensoren und dergleichen, die mittels nicht näher be¬ zeichneten Signalleitungen mit dem Steuergerät 17 verbunden sind. Eine Abgasströmungsrichtung am Abgasauslassbereich 22 ist je- weils durch Pfeile gekennzeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in Normalbetrieb-Förderrichtung 15 gesehen stromauf der Aufberei¬ tungseinheit 12 ein Rückschlagventil 13 vorgesehen, das in Abhän- gigkeit von einer Änderung des Innendrucks des Reduktionsmittels in der Aufbereitungseinheit 12 schließbar ist. Nach dem Schließen des Rückschlagventils ist das Reduktionsmittel 13 nur in Richtung zum Abgassystem förderbar. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren wird das Reduktionsmittel nach dem Schließen des Rück- schlagventils 13 in Richtung zum Abgassystem gerichtet beschleu¬ nigt.
Bevorzugt ist im Abgassystem oder in der Aufbereitungseinheit 12 ein in der Figur nicht eingezeichneter poröser Körper vorgesehen zur Verbesserung der Umsetzung des Reduktionsmittels. Vorzugsweise ist der Körper katalytisch aktiv, wobei die Verwendung von bei¬ spielsweise Metallschaum wie Edelstahl, Aluminium und dgl. oder Keramik denkbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Dosiervorrichtung mit einer Dosierpumpe (10) zur Einstellung einer Fördermenge eines Reduktionsmittels, wobei das Reduk¬ tionsmittel zur Nachbehandlung von Abgasen aus Verbren¬ nungsmotoren vorgesehen ist und mittels der Dosierpumpe (10) entlang einer Normalbetrieb-Förderrichtung (15) von einem Vor¬ ratstank (11) über eine einem Abgassystem vorgelagerte Auf¬ bereitungseinheit (12) in das Abgassystem einbringbar ist, da¬ durch gekennzeichnet, dass in Normalbetrieb-Förderrichtung (15) gesehen stromauf der Aufbereitungseinheit (12) ein Rück- schlagventil (13) vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von einer
Änderung des Innendrucks des Reduktionsmittels in der Aufbe¬ reitungseinheit (12) schließbar ist.
2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel nach dem Schließen des Rück¬ schlagventils (13) nur in Richtung zum Abgassystem förderbar ist.
3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Abgassystem ein poröser Körper vorgese¬ hen ist zur Verbesserung der Umsetzung des Reduktionsmit¬ tels.
4. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper katalytisch aktiv ist.
5. Verfahren zum Betreiben einer Dosiervorrichtung mit einer Do¬ sierpumpe (10) zur Einstellung einer Fördermenge eines Re¬ duktionsmittels, wobei das Reduktionsmittel zur Nachbehand¬ lung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren vorgesehen ist und mittels der Dosierpumpe (10) entlang einer Normalbetrieb- Förderrichtung (15) von einem Vorratstank (11) über eine ei¬ nem Abgassystem vorgelagerte Aufbereitungseinheit (12) in das Abgassystem einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Normalbetrieb-Förderrichtung (15) gesehen strom¬ auf der Aufbereitungseinheit (12) angeordnetes Rückschlag- ventil (13) bei einer Druckerhöhung des Reduktionsmittels in der Aufbereitungseinheit (12) geschlossen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel nach dem Schließen des Rückschlagven- tils (13) in Richtung zum Abgassystem gerichtet beschleunigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge des Reduktionsmittels durch die Do- siervorrichtung in Abhängigkeit von deren Temperatur über ei¬ nen Temperatursensor (14) gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass über einen im Abgassystem angeordneten porösen Körper die Umsetzung des Reduktionsmittels verbes¬ sert wird.
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