-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum beschleunigten Abschmelzen
und/oder Erwärmen einer Reduktionsmittelflüssigkeit
in einem SCR-Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
-
Zur
Reduktion von Schadstoffen, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden,
haben sich verschiedene Verfahren etabliert, bei denen reduzierende
Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) in das Abgassystem eines
Verbrennungsmotors eingeleitet werden.
-
Zur
Verminderung der Stickoxide hat sich besonders die SCR-Technologie
bewährt, bei der im sauerstoffreichen Abgas enthaltene
Stickoxide (NOx) mit Hilfe von Ammoniak oder einer entsprechenden zu
Ammoniak umsetzbaren Vorläufersubstanz selektiv zu Stickstoff
und Wasser reduziert werden. Bevorzugt wird hierbei auf wässrige
Harnstofflösungen zurückgegriffen. Die Harnstofflösung
wird mittels Hydrolysekatalysatoren oder direkt auf dem SCR-Katalysator
zu Ammoniak und Kohlendioxid hydrolysiert. Dazu wird die Harnstofflösung
in einem oder mehreren Tanks mitgeführt und mit einer Fördereinrichtung zu
einem Dosiersystem geführt, das die Harnstofflösung
vor dem Hydrolysekatalysator oder dem SCR-Katalysator in den Abgasstrom
einspritzt.
-
Besonders
bewährt hat sich als Reduktionsmittel eine 32,5%ige wässrige
Harnstofflösung, die von der Industrie einheitlich mit „Adblue” bezeichnet wird
und deren Zusammensetzung in der DIN 70070 geregelt
ist. Wie bei anderen Reduktionsmittellösungen besteht auch
bei dieser Harnstofflösung das Problem zum Einen darin,
dass sie unterhalb von –11°C, insbesondere im
Tank der SCR-Anlage, einfriert und nicht mehr zum Kataly sator gefördert
werden kann und zum Anderen sich das Volumen beim Einfrieren um
ca. 10 vergrößert.
-
Für
die Betriebsaufnahme und die einwandfreie Funktion der SCR-Anlagen
ist es daher notwendig, insbesondere die Tanks mit Heizsystemen
auszustatten, welche die gefrorene Flüssigkeit im Tank abschmelzen
und in einen flüssigen, das heißt fließfähigen
Aggregatzustand überführen.
-
In
der
EP 1 767 417 A1 ist
offenbart, dass aus dem Stand der Technik bekannt ist, die Flüssigkeitstanks
in Kraftfahrzeugen mit Heizfolien oder Heizmatten zu ummanteln,
um die im Tank gefrorene Flüssigkeit aufzutauen. Außen
an der Tankwand angeordnete Heizfolien oder Heizmatten weisen aber nur
schlechte Wirkungsgrade auf, weil ein Großteil der erzeugten
Wärme nicht zum Abschmelzen der gefrorenen Flüssigkeit
in den Tank geleitet sondern als Verlustleistung in die Tankumgebung
abgegeben wird. Daher ist entweder eine Erhöhung der Heiztemperatur
und/oder der Einschaltzeit der Heizung erforderlich, um den Tank
oder zumindest den Teil des Tanks, aus dem das Reduktionsmittel
entnommen wird, so zu heizen, dass das Reduktionsmittel ausreichend
schnell aufgetaut wird und/oder aufgetaut und damit in fließfähigem
Aggregatzustand bleibt.
-
Eine
andere Entwicklung von Tankheizungen geht dahin, Heizschlangen im
Tank anzuordnen, um Wärmeverluste an die Tankumgebung zu
vermeiden. Eine solche Heizlösung ist jedoch insoweit nachteilig, als
die Wärme nur auf ein relativ kleines Volumen verteilt
wird. Beim Abschmelzen können sich außerdem durch
das Ablaufen des schon fließfähigen Reduktionsmittels
an den Heizschlangen Luftpolster bilden, die den Wirkungsgrad der
Heizschlangen drastisch abfallen lassen.
-
Bei
beiden Heizsystemen ist außerdem zu beachten, dass die
Heiztemperatur nicht beliebig hoch gewählt werden darf.
Zum Einen darf die Siedetemperatur der zu schmelzenden Flüssigkeit
nicht überschritten werden, da sonst in der Nähe
der Heizflächen eine Verdampfung auftritt, die zu Gas/Luftblasen
führen kann die, wie schon vorstehend erwähnt, den
Wirkungsgrad der Heizelemente drastisch herabsetzen. Beim Abschmelzen
wässriger Harnstofflösungen führen zu
hohe Temperaturen zudem zu einer thermischen Zersetzung von Harnstoff
und Bildung von Zersetzungsprodukten. Durch ein Überschreiten
der zulässigen Temperatur kann es hierdurch daher gerade
an den Heizelementen zu Umwandlungsprozessen und Ablagerungen kommen. Ablagerungen
wiederum können genau wie Luftpolster zu einer Isolierung
von der Wärmequelle führen und wiederum deren
Wirkungsgrad herabsetzen. Entstehende Konzentrationsschwankungen
in der Reduktionsmittellösung, beispielsweise durch Zersetzung
können darüber hinaus die Bilanzierung des Reduktionsmittels
verfälschen. Eine exakte Bilanzierung ist jedoch für
eine exakte Dosierung des Reduktionsmittels und genaue Regelung
des SCR-Abgasnachbehandlungssystem unabdingbar. Ein weiterer Nachteil
der genannten Heizsysteme liegt darin, dass sie einen extrem hohen
Energieverbrauch aufweisen, wobei in vorstehend schon beschriebener
Weise ein hoher Anteil der verbrauchten Energie als Verlustleistung
verloren geht. Besonders kritisch ist dieser hohe Verbrauch bei
Verwendung elektrischer Energie für die Heizung zu betrachten,
da diese gerade beim Start eines Kraftfahrzeugs und bei niedrigen Temperaturen
nur begrenzt zur Verfügung steht.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher ein einfaches und verbessertes Verfahren
zum Abschmelzen und/oder Erwärmen einer Reduktionsmittelflüssigkeit in
einem SCR-Abgasnachbehandlungssystem bereitzustellen, mit dem eine
ausreichend schnelle und gleichmäßigere Erwärmung
der Reduktionsmittelflüssigkeit erzielt werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird
dies durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und
mit einem SCR-System zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch
7 erreicht.
-
Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, ein Verfahren zum Abschmelzen und/oder Erwärmen
einer Reduktionsmittelflüssigkeit in einem SCR-Abgasnachbehandlungssystem
umfassend mindestens einen Vorratsbehälter für
die Reduktionsmittelflüssigkeit, eine Heizeinrichtung,
eine Leitung zum Zuführen der Reduktionsmittelflüssigkeit
zu einer Dosiereinrichtung zum Einführen des Reduktionsmittels
in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, eine Reduktionsmittelpumpe,
eine der Dosiereinrichtung vorgeschaltet angeordnete Rückleitung
zum Vorratsbehälter und ein in die Rückleitung
eingesetztes Ventil bereit gestellt, bei dem Reduktionsmittelflüssigkeit
in dem der Dosiereinrichtung vorgeschalteten SCR-Abgasnachbehandlungssystem
zirkuliert wird.
-
Es
ist mit anderen Worten bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren vorgesehen, dass schon fließfähige Reduktionsmittellösung
in einem Kreislauf vom Reduktionsmitteltank in einer Leitung zur
Reduktionsmittelpumpe und über eine Rücklaufleitung mit
einem darin angeordneten Ventil wieder in den Vorratsbehälter,
der erfindungsgemäß auch als Reduktionsmitteltank
oder Tank bezeichnet wird, zurückgeführt wird.
Die Reduktionsmittelpumpe dient dabei der Erzeugung des jeweils
erforderlichen Reduktionsmitteldrucks. Die Heizeinrichtung dient
der Erwärmung der Reduktionsmittelflüssigkeit.
Ist die Reduktionsmittelflüssigkeit noch in gefrorenem
Zustand dient die Heizeinrichtung dazu diese Abzuschmelzen und in
einen fließfähigen Aggregatzustand zu überführen.
Als Heizeinrichtung kann jede bekannte Heizeinrichtung eingesetzt
werden, mit der die Reduktionsmittelflüssigkeit erwärmt
werden kann. Zum Beispiel kann die Heizeinrichtung eine Reduktionsmitteltank-Heizung
und/oder eine Reduktionsmittelleitungs-Heizung sein. Zusätzlich
kann auch Reduktionsmittelpumpe als Heizeinrichtung funktionieren.
Somit kann erwärmte Reduktionsmittellösung in
den Tank zurückgeführt werden. Im Tank kann durch
die Zirkulation eine Vermischung von unterschiedlich erwärmter
Reduktionsmittellösung und ein beschleunigtes und schonendes
Auftauen noch gefrorener Reduktionsmittellösung erzielt
werden. Zugeführte Wärme kann erfindungsgemäß besser
im Vorratsbehälter verteilt und ein effektiverer Wärmetransport
erzielt werden. Eine punktuelle Erhitzung des Reduktionsmittelmediums
und das hierdurch verursachte Auftreten von Zersetzung und Bildung von
Ablagerungen können erfindungsgemäß deutlich reduziert
oder sogar vermieden werden. Dies bedeutet auch, dass das erfindungsgemäße
Verfahren erheblich zur Stabilisierung der Reduktionsmittelflüssigkeit
in ihrer Konzentration und Zusammensetzung beiträgt. Beispielsweise
kann ein Ausfallen des Harnstoffs durch Zersetzung, Hydrolyse und/oder
Konzentrationsschwankungen reduziert oder sogar vermieden werden.
Hierdurch kann auch ein Verstopfen der Leitungen oder der Dosiereinrichtung,
beispielsweise einer Düse in einem Reduktionsmittelinjektor vermieden
werden.
-
Durch
die kürzere Auftauzeit kann zudem der Energieverbrauch
des Heizprozesses für das Reduktionsmittel optimiert und
eine enorme Energieersparnis erreicht werden. Insgesamt kann vorteilhafterweise
die Standzeit des gesamten Abgasnachbehandlungssystems erfindungsgemäß verlängert
werden.
-
Ein
weiterer Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße
Verfahren problemlos und ohne zusätzlichen aparativen Aufwand
mit bisher bekannten Heizsystemen in Kombination eingesetzt werden
kann.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Verfahrensweise ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform kann das Zirkulieren
der Reduktionsmittelflüssigkeit durch Aktivierung des Ventils
in der Rückleitung eingeleitet werden. Das Ventil kann
beispielsweise ein Druckablassventil sein, das dafür vorgesehen
sein kann, beim Abstellen der Brennkraftmaschine, also beispielsweise
des Motors eines Kraftfahrzeugs, den Druck in den Leitungen abzubauen
und das Reduktionsmittel wieder zurück in den Vorratsbehälter
zu befördern, damit ein Einfrieren der Reduktionsmittelflüssigkeit unschädlich
für die Bauteile des SCR-Systems verläuft. So
kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzlichen
aparativen Aufwand durchgeführt werden.
-
Erfindungsgemäß bevorzugt
findet das Zirkulieren bei geschlossen gehaltener Dosiereinrichtung
statt. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich,
parallel zur Zirkulation der Reduktionsmittelflüssigkeit
die Einführung von Reduktionsmittel in der jeweils für
die SCR-Katalyse benötigten Menge in das Abgas zu bewirken.
-
Die
Aktivierung des Ventils kann dabei weiter bevorzugt durch ein Ansteuersignal
einer Steuereinrichtung und/oder durch eine Wake-up-Prozedur erfolgen.
-
In
einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann das Ansteuersignal und/oder die Wake-up Prozedur
Temperatur-, Druck- und/oder zeitabhängig erfolgen.
-
Mit
anderen Worten kann erfindungsgemäß eine Überwachung
der Schlüsselparameter, wie Temperatur und Druck der Reduktionsmittelflüssigkeit
und über entsprechende Signale an eine Steuerungseinrichtung
eine zeitige Einleitung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgen, so dass durch die erfindungsgemäß beschleunigte
Bereitstellung von Reduktionsmittelflüssigkeit die vollständige
und einwandfreie Funktion des SCR-Systems schnellstmöglich
gewährleistet werden kann. Es kann erfindungsgemäß alternativ
oder zusätzlich zu der Reduktionsmittelflüssigkeitstemperatur
auch die Umgebungstemperatur gemessen werden. Ist oder fällt die
Umgebungs- und/oder Flüssigkeitstemperatur unter einen
bestimmten vorher festgelegten Wert kann die Einleitung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgen. Diese vorher festgelegte Temperatur ist zweckmäßigerweise
nahe oder am Gefrierpunkt der Reduktionsmittelflüssigkeit.
Nahe dem Gefrierpunkt kann zum Beispiel bedeuten, dass beim Start oder
im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine etwa 3°C bis
1°C vor Erreichen des Gefrierpunktes das erfindungsgemäße
Zirkulieren des Reduktionsmittelmediums eingeleitet wird. Somit
kann vorteilhafterweise auch ein Einfrieren der Flüssigkeit
von vornherein vermieden werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise mit
einer Steuereinrichtung gesteuert werden, die in ein zentrales Steuerungssystem,
beispielsweise in eine Motorsteuerung in tegriert ist. Hierdurch
kann eine zusätzliche separate Steuerungseinrichtung eingespart
werden. Auch kann auf diese Weise eine schon vorhandene Verkabelung, Verdrahtung
und/oder Sensorik gegebenenfalls für das erfindungsgemäße
Verfahren genutzt werden.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann die Reduktionsmittelflüssigkeit beim Zirkulieren
gefiltert werden. Etwaige, trotz der erfindungsgemäß besonders schonenden
Erwärmung der Reduktionsmittelflüssigkeit, beispielsweise
durch Zersetzung des Reduktionsmittels, auftretende Feststoffe können
entfernt und ein Verstopfen der Leitungen oder Komponenten des SCR-Systems
und deren Zerstörung kann auf diese Weise sicher verhindert
werden.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem,
erfindungsgemäß auch als SCR-System oder SCR-Anlage
bezeichnet, zur Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. Dieses weist erfindungsgemäß Mittel
zum Zirkulieren der Reduktionsmittelflüssigkeit in der
der Dosiereinrichtung vorgeschalteten SCR-Anlage auf. Die Dosiereinrichtung
kann beispielsweise ein Reduktionsmittelinjektor sein. Die erfindungsgemäße SCR-Anlage
kann mindestens einen Vorratsbehälter für die
Reduktionsmittelflüssigkeit, eine Heizeinrichtung für
die Erwärmung des Reduktionsmittels, eine Reduktionsmittelleitung
zum Zuführen der Reduktionsmittelflüssigkeit zu
einer Dosiereinrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels in
eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, eine Reduktionsmittelpumpe,
eine der Dosiereinrichtung in der Leitung vorgeschaltet angeordnete
Rückleitung zum Vorratsbehälter und ein in die
Rückleitung eingesetztes Ventil aufweisen.
-
Vorzugsweise
sind in der erfindungsgemäßen SCR-Anlage in der
Reduktionsmittelleitung und/oder in der Rückleitung ein
oder mehrere Filter angeordnet. Etwaige, trotz der erfindungsgemäß besonders
schonenden Erwärmung der Reduktionsmittelflüssigkeit,
beispielsweise durch Zersetzung des Reduktionsmittels, auftretende
Feststoffe können entfernt und ein Verstopfen der Leitungen
oder Komponenten des SCR-Systems und deren Zerstörung kann
auf diese Weise sicher verhindert werden. Ein Filter kann beispielsweise
zwischen Vorratsbehälter und Reduktionsmittelpumpe angeordnet
werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform des SCR-Abgasnachbehandlungssystems
kann es Mittel zum Erzeugen eines Aktivierungssignals für
das Ventil aufweisen.
-
In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung können in dem der
Dosiereinrichtung vorgeschalteten SCR-Abgasnachbehandlungssystem,
beispielsweise in der Reduktionsmittelleitung, Temperatur und/oder
Drucksensoren angeordnet sein, mit denen vorteilhafterweise die
entsprechenden Schlüsselparameter überwacht werden
können.
-
In
einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
SCR-Abgasnachbehandlungssystems kann dieses eine Steuerungseinrichtung
zur Steuerung des Verfahrens aufweisen. Diese kann als eine separate
Steuerungseinrichtung ausgeführt sein. Besonders bevorzugt
kann die Steuerungsein-richtung aber erfindungsgemäß in
eine andere schon vorhandene Steuerung, beispielsweise einer Motorsteuerung
integriert sein. Hierdurch kann eine zusätzliche separate
Steuerungseinrichtung eingespart werden. Auch kann auf diese Weise
schon vorhandene Verkabelung, Verdrahtung und/oder angeschlossene
Sensorik gegebenenfalls für das erfindungsgemäße
Verfahren genutzt werden.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise in Verbindung
mit der Zeichnung erläutert, ohne auf diese Ausführungsform
beschränkt zu sein.
-
In
dieser zeigt:
-
1 eine
schematische Darstellung eines SCR-Systems zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung einer SCR-Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Abschmelzen und/oder Erwärmen einer Reduktionsmittelflüssigkeit.
Die gezeigte SCR-Anlage 1 beinhaltet einen Vorratsbehälter 2 für
das Reduktionsmittelmedium. Am oder im Tank 2 kann eine Reduktionsmittelheizung 2a angeordnet
sein. Eine Reduktionsmittelpumpe 3 ist in der Reduktionsmittelleitung 4 angeordnet.
Die Reduktionsmittelleitung 4 kann ebenfalls mit einer
Heizeinrichtung für die Reduktionsmittelflüssigkeit
ausgestattet sein. Die Reduktionsmittelleitung 4 dient
der Zuführung von Reduktionsmittelflüssigkeit
vom Vorratsbehälter 2 zur Dosiereinrichtung 5.
Die Dosiereinrichtung 5 kann jede Einrichtung sein, die
in der Lage ist die Einführung der Reduktionsmittellösung
in die Abgasleitung 6 einer Brennkraftmaschine 7,
beispielsweise eines Motors eines Kraftfahrzeugs, zu regulieren.
Die Dosiereinrichtung 5 kann ein Injektor sein und ist
einem SCR-Katalysator 8 in der Abgasleitung 6 vorgeschaltet.
Durch eine der Dosiereinrichtung 5 vorgeschalteten Rücklaufleitung 9 mit
einem darin eingesetzten Ventil 10 kann die Reduktionsmittelflüssigkeit
zurück in den Vorratsbehälter 2 geführt
werden. Das Ventil 10 öffnet sich zweckmäßigerweise
in der Rücklaufleitung 9 in Richtung des Reduktionsmitteltanks 2,
Erfindungsgemäß kann schon in fließfähigen
Zustand befindliche Reduktionsmittelflüssigkeit in dem
der Dosiereinrichtung 5 vorgeschalteten SCR-Abgasnachbehandlungssystem 1 zirkuliert,
das heißt in einem Kreislauf geführt, werden,
während die Heizeinrichtung 2a die Reduktionsmittelflüssigkeit
erwärmt. Ist beim Start der Brennkraftmaschine 7 das
Reduktionsmittel noch vollständig gefroren, kann die Heizeinrichtung 2a zunächst
zur Bereitstellung der minimal erforderlichen Menge an fließfähigem
Reduktionsmittelmediums dienen. Dieses kann dann in der Dosiereinrichtung 5 vorgeschalteten
SCR-Anlage 1 zirkulieren und zum Abschmelzen und zum beschleunigten
Erwärmen des Reduktionsmittelmediums im Tank 2 beitragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch eine
Steuerungseinrichtung 11 gesteuert werden, die erfindungsgemäß bevorzugt
in eine schon vorhandene Steuerung, beispielsweise einer Motorsteuerung
integriert sein kann. Zusätzlich können ein oder
mehrere Sensoren 12, beispielsweise Druck- und/oder Temperatursensoren
der Dosiereinrichtung 5 vorgeschaltet im SCR-Abgasnachbehandlungssystem 1 angeordnet
sein.
-
Zusammenfassend
wird erfindungsgemäß demnach ein verbessertes
Verfahren zum Abschmelzen und/oder Erwärmen einer Reduktionsmittelflüssigkeit
zur Verfügung gestellt, bei dem mit schon vorhandenen und
nur leicht modifizierten Mitteln des SCR-Systems ein beschleunigtes
und gleichmäßigeres Abschmelzen und/oder Erwärmung
des Reduktionsmittelmediums erzielt werden kann. Erfindungsgemäß kann
zugeführte Wärme besser im Vorratsbehälter
verteilt und ein effektiverer Wärmetransport erzielt werden.
Eine punktuelle Erhitzung des Reduktionsmittelmediums und das hierdurch
verursachte Auftreten von Zersetzung und Bildung von Ablagerungen
können erfindungsgemäß deutlich reduziert oder
sogar vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
trägt damit erheblich zur Stabilisierung der Reduktionsmittelflüssigkeit
in ihrer Konzentration und Zusammensetzung bei. Zudem kann vorteilhafterweise
der Energieverbrauch des Heizprozesses für das Reduktionsmittel
optimiert und eine enorme Energieersparnis erreicht werden. Das
erfindungsgemäß bereitgestellte Verfahren kann
darüber hinaus problemlos und ohne zusätzlichen
aparativen Aufwand mit bisher bekannten Heizsystemen in Kombination
eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäß erzielten
Effekte kann die Standzeit des gesamten Abgasnachbehandlungssystems
verlängert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-