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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem zur Einbringung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei das System einen Reduktionsmitteltank und eine Pumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank zu einer Einspritzeinheit aufweist.
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Derartige Abgasnachbehandlungssysteme sind bekannt und kommen zum Einsatz zur Reduktion von Stickoxyden in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine Einspritzung eines Reduktionsmittels, wie einer Harnstofflösung, insbesondere gemäß DIN 70070, in den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Abgasnachbehandlungssysteme mit einer Einbringung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden (engl. selective catalytic reduction, SCR) werden zur Minimierung der Stickoxydemissionen von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Hierzu wird ein Reduktionsmittel in das Abgassystem mit einer Dosier- und Einspritzvorrichtung eingedüst. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak. Unter Reduktionsmittel bzw. Harnstofflösung soll in diesem Sinne sowohl Ammoniak als auch Harnstofflösung oder ein anderes reduzierend wirkendes Mittel und insbesondere das so genannte AdBlue, d. h. eine Harnstofflösung gemäß DIN 70070 verstanden werden.
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In solchen Abgassystemen wird Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstofflösung mittels Druckluft in den Abgasstrom eingespritzt und zerstäubt, um ein möglichst feines und gleich verteiltes Aerosol zu bilden. Das Reduktionsmittel dient der selektiven katalytischen Reduktion (englisch: Selective Catalytic Reduction, abgekürzt SCR) in sogenannten SCR-Katalysatoren zur Reduktion der Stickoxydemissionen von Dieselmotoren.
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Nachteilig bei den bekannten Abgasnachbehandlungssystemen ist deren aufwendiger Aufbau aus einer Mehrzahl von Baueinheiten und Baugruppen, was einen sehr hohen Fertigungs- und Montageaufwand nach sich zieht und einen großen Bauraum beansprucht, was besonders bei Anwendungen im Bereich von Personenkraftwagen besonders nachteilig ist, da der zur Verfügung stehende Bauraum sehr begrenzt ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Montageaufwand der zu montierenden Komponenten im Abgasnachbehandlungssystem zu vermindern und somit die Herstellungskosten zu senken. Eine weitere Aufgabe liegt darin, dass in der Produktion des Abgasnachbehandlungsystems weniger Teile zu montieren sind und eine Bauraumoptimierung erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Besonders vorteilhaft bei dem Abgasnachbehandlungssystem zur Einbringung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei das System einen Reduktionsmitteltank und eine Pumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank zu einer Einspritzeinheit aufweist, ist es, dass der Tank zumindest eine Öffnung aufweist, wobei die Pumpe als integrierte Baueinheit ausgebildet ist und in die Öffnung des Tanks eingesteckt ist, wobei die Baueinheit einen Tankverschluss bildet und den Tank dichtend verschließt.
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Als einzubringendes Reduktionsmittel kommt vorzugsweise Harnstofflösung insbesondere gemäß DIN 70070 zur selektiven katalytischen Reduktion zum Einsatz. Mit dem Begriff des Reduktionsmittels ist jedoch jegliche geeignete flüssige Substanz umfasst. Vorzugsweise wird jedoch eine Harnstofflösung verwendet. Der Tank ist dementsprechend diffusionsdicht ausgebildet und besteht bevorzugt aus Kunststoff.
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Die Pumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank zu der Einspritzeinheit bildet somit eine integrierte Baueinheit, die in den Tank eingesteckt wird, so dass der Tank quasi das Pumpengehäuse bildet. Die Pumpenbaueinheit verschließt somit den Tank und dichtet diesen ab.
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Die Öffnung des Tanks, in die die Pumpe als integrierte Baueinheit eingesteckt wird, ist vorzugsweise an der Unterseite des Tanks oder in einem unteren Bereich einer Seitenwand des Tanks angeordnet, so dass der Ansaugstutzen der Pumpe auch bei einem niedrigen Füllstand von Reduktionsmittel bedeckt ist und eine Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank möglich ist.
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Die Pumpe als integrierte Baueinheit weist hierzu einen Ansaugstutzen auf, dessen Ansaugöffnung sich im geodätisch tiefsten Punkt des Tankes befindet.
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Alternativ kann die Pumpenbaueinheit in eine Öffnung an der Oberseite des Tanks oder im oberen Bereich einer Seitenwand des Tanks eingesteckt sein und den Tank abdichten. Auch in diesem Fall verfügt die Pumpe über einen Saugstutzen, der gegebenenfalls mit einer Verlängerung versehen, im geodätisch tiefsten Punkt des Tankes mündet, so dass der Ansaugstutzen der Pumpe respektive das offene Ende der dem Saugstutzen vorgeschalteten Rohrleitung oder Schlauchleitung auch bei einem niedrigen Füllstand von Reduktionsmittel bedeckt ist und eine Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank möglich ist.
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Vorteilhaft ist dabei, dass der Tank nach unten hin nicht undicht werden kann, wenn beispielsweise eine Dichtung zwischen Pumpenbaueinheit und Tanköffnung nicht korrekt montiert wurde.
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Wenn es die Gestaltung des Tanks aufgrund der vorgegebenen Einbausituation erfordert, kann der Tank jede beliebige von einer in etwa quaderförmigen Gestalt abweichende Form aufweisen, wie dies bei in Kraftfahrzeugen eingebauten Tanks üblich ist. In einem solchen Fall kann die Pumpenbaueinheit auch in einer von einer vertikalen oder horizontalen Lage abweichenden diagonalen Lage in den Tank eingesetzt werden und diesen abdichtend verschließen. Grundsätzlich ist die Lage der Pumpenbaueinheit in der montierten Position und ihre Anordnung im Tank, d. h. auch die Anordnung der Tanköffnung, in die die Pumpeneinheit eingesteckt wird, beliebig. Daher kann die Pumpenbaueinheit in ihrer Einbausituation vertikal, horizontal oder diagonal angeordnet sein.
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Tank und Pumpe als integrierte Baueinheit bilden somit eine kompakte Einheit, die vormontiert in das Kraftfahrzeug eingebaut werden kann. Dadurch, dass Tank und Pumpe eine kompakte Einheit bilden, wird der benötigte Bauraum innerhalb des Kraftfahrzeuges minimiert und optimal ausgenutzt.
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Da es sich bei dem Tank vorzugsweise um einen Kunststofftank handelt, kann dieser in seiner Geometrie dem vorhandenen Bauraum optimal angepasst werden. Bei dem Tank handelt es sich vorzugsweise um einen diffusionsdichten Kunststofftank.
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In die zur Montage der Pumpe vorgesehene Öffnung des Tanks wird die Pumpe als integrierte Baueinheit ähnlich einer Kartusche eingesetzt. Vorzugsweise ist die Baueinheit der Pumpe in ein Gewinde in der Öffnung des Tanks abdichtend eingeschraubt. Alternativ oder kumulativ kann die Baueinheit der Pumpe mittels eines Bajonettverschlusses dichtend in die Öffnung des Tanks eingesetzt sein.
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Die Baueinheit ist dabei vorzugsweise dergestalt ausgebildet, dass eine Bodenplatte die Pumpe und weitere Komponenten trägt, sodass die Bodenplatte einen etwa glattflächigen Tankverschluss bildet und die Komponenten der Pumpenbaueinheit im montierten Zustand innerhalb des Tanks liegen. Der Tank bildet dann quasi das Pumpengehäuse.
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Dabei ist vorzugsweise die Öffnung an der Unterseite des Tanks oder im unteren Bereich einer Seitenwand des Tanks angeordnet und die Pumpeneinheit bzw. eine Bodenplatte der Baueinheit dichtet den Tank nach unten ab.
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Alternativ oder kumulativ kann die Umrandung der Tanköffnung stufenförmig ausgebildet sein, so dass eine Bodenplatte der Pumpeneinheit in eine Stufe eingelegt wird und mittels Klammern, die am Tank angeordnet sind und die entsprechende Hinterschneidungen an der Bodenplatte hintergreifen, gegen den Tank verspannt wird und diesen abdichtend verschließt.
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An der Oberseite des Tanks ist vorzugsweise ein Nachfüllstutzen zur Einbringung der benötigten Reduktionsmittellösung in den Reduktionsmitteltank vorgesehen. Die Begriffe Reduktionsmittel bzw. Reduktionsmittellösung werden in diesem Sinne synonym verwendet und umfassen jedes geeignete Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion.
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Die Pumpe als integrierte Baueinheit kann dann von der Unterseite her in den Tank eingesetzt und montiert werden, ähnlich wie ein Ölfilter oder wie eine Kartusche, die eingesetzt und befestigt wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems weist das System einen Reduktionsmittelfilter und/oder eine Beheizungseinrichtung zur Beheizung des Reduktionsmittels und/oder einen Temperatursensor zur Erfassung der Reduktionsmitteltemperatur und/oder reine Leistungselektronik zur Ansteuerung der Pumpe und/oder eine Kommunikationsschnittstelle, insbesondere eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle, insbesondere eine CAN-Bus-Schnittstelle und/oder eine LIN-Bus-Schnittstelle, auf.
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Besonders bevorzugt weist die Pumpe als integrierte Baueinheit einen Reduktionsmittelfilter und/oder eine Beheizungseinrichtung zur Beheizung des Reduktionsmittels und/oder einen Temperatursensor zur Erfassung der Reduktionsmitteltemperatur und/oder die Leistungselektronik zur Ansteuerung der Pumpe und/oder einer eine Kommunikationsschnittstelle, insbesondere eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle, insbesondere eine CAN-Bus-Schnittstelle und/oder eine LIN-Bus-Schnittstelle, auf.
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Durch die Integration weiterer Komponenten in die integrierte Baueinheit mit der Pumpe ist eine besonders kompakte und vorteilhaft zu montierende Ausführungsform geschaffen. Mit dem Einsetzen einer solchen integrierten Baueinheit mit Pumpe und weiteren Komponenten in den Tank wird eine kompakte Baueinheit geschaffen, die vollständig vormontiert in das Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen eingebaut werden kann und an die sich dann lediglich die Förderleitung zur Förderung des Reduktionsmittels zur Einspritzeinheit anschließt. Diese Reduktionsmittelleitung ist vorzugsweise beheizt. Ebenso ist vorzugsweise eine Beheizungseinrichtung zur Beheizung des Reduktionsmittels vorgesehen. Die Reduktionsmittellösung gemäß DIN 70070 gefriert bei –11°C, so dass für besonders niedrige Außentemperaturen zumindest im Bereich des Ansaugstutzens der Pumpe eine Beheizungseinrichtung angeordnet ist, um eine Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank mittels der Pumpe auch bei niedrigen Außentemperaturen zu ermöglichen, um das Reduktionsmittel in dem Tank aufzutauen, wenn dieses eingefroren sein sollte.
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Durch die Anordnung einer Schnittstelle, insbesondere einer standardisierten Kommunikationsschnittstelle wie beispielsweise einer CAN-Bus-Schnittstelle und/oder einer LIN-Bus-Schnittstelle, ist es möglich, die Pumpeneinheit in das Steuersystem des Kraftfahrzeuges einzubinden. Ein solcher sogenannte CAN-Bus ist ein asynchrones, serielles Bussystem. Ein sogenannter LIN-Bus ist ein serielles Kommunikationssystem.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Pumpe als integrierte Baueinheit einen Sensor zur Erfassung einer Stoffeigenschaft des Reduktionsmittels auf, insbesondere zur Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder zur Erfassung der Schallgeschwindigkeit in dem Reduktionsmittel.
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Mittels eines derartigen Sensors ist eine permanente Erfassung und Überwachung der Reduktionsmittelqualität möglich, so dass etwaigen Manipulationen, beispielsweise des Befüllens des Tankes mit Wasser, wirksam vorgebeugt werden kann, um eine einwandfreie Funktion des Abgasnachbehandlungssystems zu gewährleisten. Es kann somit durch einen derartigen Reduktionsmittelqualitätssensor, mittels dessen eine Stoffeigenschaft des geförderten Reduktionsmittels erfasst wird, festgestellt werden, ob das korrekte Reduktionsmittel verwendet und zur Abgasnachbehandlung in den Abgastrakt eingespritzt wird.
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Als physikalische Größe zur Erfassung der Reduktionsmittelqualität kann die elektrische Leitfähigkeit des Reduktionsmittels und/oder die Schallgeschwindigkeit in dem Reduktionsmittel mittels des Sensors gemessen und einer Auswerteeinheit übergeben werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor zur Erfassung einer Stoffeigenschaft des Reduktionsmittels in dem Tank derart angeordnet, dass das Signal des Sensors gleichzeitig als Füllstandsanzeiger zur Feststellung der Unterschreitung einer Mindestfüllhöhe in dem Tank verwendet werden kann.
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Der Sensor zur Erfassung einer Stoffeigenschaft des Reduktionsmittels ist dementsprechend in dem Tank so positioniert, dass er gleichzeitig als Füllstandsanzeiger dient, so dass eine Anzeige aktiviert werden kann, wenn die Tankreserve erreicht ist. Der Sensor dient somit gleichzeitig als Füllstandssensor oder Füllstandsgeber für die Reserveanzeige.
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Vorzugsweise weist das System ein Steuergerät auf, mittels dessen die Pumpe in Abhängigkeit der von Sensoren erfassten Messwerte und/oder in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter des Verbrennungsmotors angesteuert wird, insbesondere über ein Bussystem angesteuert wird.
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Bei dieser Steuereinheit kann es sich auch um das zentrale Steuergerät des Kraftfahrzeuges handeln. In diesem Fall ist die Ansteuerung und Betriebsüberwachung des Abgasnachbehandlungssystems in das zentrale Steuergerät des Kraftfahrzeuges integriert und entsprechend implementiert.
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Vorzugsweise ist zwischen der Pumpeneinheit und dem Tank zumindest eine Dichtung, insbesondere eine O-Ringdichtung angeordnet.
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Durch Anordnung einer derartigen Dichtung ist eine zuverlässige Abdichtung des Tanks gewährleistet.
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Vorzugsweise weist das System eine Einspritzeinheit mit zumindest einer Düse auf, durch die das Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingespritzt und/oder im Abgasstrom zerstäubt wird. Zur Zerstäubung kann insbesondere Druckluft dienen, um ein gleichmäßiges fein verteiltes Aerosol auszubilden und eine optimale und gleichverteilte Tröpfchenbildung zu erzielen.
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Das Abgasnachbehandlungssystem weist vorzugsweise einen SCR-Katalysator auf, in dem das Reduktionsmittel in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors zur selektiven katalytischen Reduktion eingebracht wird, wobei vor und/oder hinter dem SCR-Katalysator ein Sensor zur Erfassung der Stickoxydkonzentration im Abgas angeordnet ist.
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Durch derartige NOx-Sensoren ist eine Online-Überwachung und Diagnose der selektiven katalytischen Reduktion in dem SCR-Katalysator, d. h. die Qualität der Abgasnachbehandlung möglich und es ist gleichzeitig eine Ansteuerung der Pumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Tank zur Einspritzeinheit in Abhängigkeit der mittels des oder der NOx-Sensoren festgestellten Werte möglich, um das Abgasnachbehandlungssystem bedarfsgerecht anzusteuern.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend erläutert. Es zeigt:
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Tanks mit einer eingesetzten Pumpenbaueinheit.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Tanks, 1 in dem die Reduktionsmittellösung 15 aufbewahrt wird. Bei dem Tank 1 handelt es sich vorzugsweise um einen diffusionsdichten Kunststofftank.
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Im unteren Bereich des Tanks 1 ist in eine Öffnung des Tanks 1 eingesetzt eine Pumpenbaueinheit 2, die als integrierte Baueinheit ausgeführt ist.
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Die integrierte Baueinheit 2 beinhaltet die Pumpe 3 sowie die Leistungselektronik 4 zur Ansteuerung der Pumpe und weiterer Komponenten, die nachfolgend erläutert werden.
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In der Baueinheit 2 ist ferner angeordnet ein Temperatursensor 5 wie beispielsweise ein NTC-Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Reduktionsmittellösung 15 in dem Tank 1. Der Temperatursensor 5 dient gleichzeitig der Heizungsregelung und zur Reduktionsmitteldichtekompensation über die Temperatur. Als Heizelement kann ein Widerstandselement zum Einsatz kommen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Heizelement 6 um einen MOSFET-Transistor, der ebenfalls über die Leistungselektronik 4 der integrierten Baueinheit 2 angesteuert wird.
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Die integrierte Baugruppe 2 verfügt über entsprechende Anschlüsse für den Füllstandssensor 8 sowie ferner für eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle wie beispielsweise ein CAN-Bussystem, eine Stromversorgung über das Bordnetz mit einem +12 Volt-Anschluss sowie einen sogenannten Groundanschluss (0 V).
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Die integrierte Baugruppe 2 ist in die im unteren Bereich des Tanks 1 angeordnete Öffnung des Tanks 1 eingesteckt und mittels O-Ringdichtungen 10 abgedichtet. Der Saugstutzen 11 ist so angeordnet, dass dieser im unteren Bereich des Tanks 1 liegt, so dass auch eine im Tank 1 befindliche Restmenge des Reduktionsmittels 15 über die Pumpe 3 durch den Saugstutzen 11 angesaugt werden kann. Dem Saugstutzen 11 an der Pumpe 3 ist ein Filter 7 vorgeschaltet, durch den das Reduktionsmittel 15 gefiltert wird.
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Zusätzlich zu dem als Heizelement dienenden MOSFET-Transistor 6 ist in den Tank eingebracht ein Heizelement 9, bei es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Aluminiumstab handelt, der zur Beheizung des Tankinhaltes 15 dient, um diesen bei extrem niedrigen Temperaturen aufzutauen, damit im unteren Bereich des Tanks 1 das Reduktionsmittel aufgetaut werden kann, um dieses über den Saugstutzen 11 mittels der Pumpe 3 durch den Filter 7 anzusaugen.
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In die Baugruppe 2 integriert ist der Druckstutzen 12 der Pumpe, an den sich eine beheizte Reduktionsmittelleitung anschließt und in eine Einspritzeinheit zur Einspritzung des Reduktionsmittels in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors mündet.
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Ferner ist in dem Tank 1 angeordnet ein Füllstandssensor 8, der ebenfalls mit der Leistungselektronik 4 verdrahtet ist, wie dies in der 1 angedeutet ist. Mittels des Sensors 8 erfolgt eine Füllstandskontrolle innerhalb des Tanks 1 insofern, als das über das in den Tank 1 eingefüllte Reduktionsmittel 15 der Stromkreis zwischen dem Füllstandssensor 8 und dem Aluminiumstab 9 und/oder dem Aluminiumrohr 11 geschlossen wird. Sobald dieser Stromkreis unterbrochen wird, ist der Reservebereich des Tanks 1 erreicht und es wird eine Reservelampe als Anzeige für den Fahrzeugführer eingeschaltet. Ein Nachfüllen von Reduktionsmittel 15 in den Tank 1 ist über den an der Oberseite des Tanks 1 angeordneten Nachfüllstutzen 13 möglich.
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Die gesamte Baugruppe 2 ist als integrierte Baugruppe in die im unteren Bereich des Tanks 1 angeordnete Öffnung eingesteckt und mittels der O-Ringdichtungen 10 abgedichtet. Zur vollständigen Montage der gesamten Anordnung ist lediglich die Baugruppe 2 in dem Tank 1 zu montieren und es sind die Steckverbindungen zur Leistungselektronik 4, die der Ansteuerung von Heizelement und Pumpe sowie der Überwachung des Füllstandssensors oder Füllstandsgebers 8 dienen, zu verbinden.
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Der Saugstutzen 11 der Pumpe 3 ist im unteren Bereich des Tanks 1 angeordnet, so dass auch dann, wenn der Bereich des Reservetanks erreicht, d. h. wenn der Füllstandssensor 8 von der Füllhöhe her unterschritten wird und nicht mehr anspricht, ein Weiterbetrieb des Abgasnachbehandlungssystems für eine gewisse Zeit möglich ist, bis der Tank 1 über den Nachfüllstutzen 13 wieder mit Reduktionsmittel 15 befüllt wird.
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Gleichzeitig wird die elektrische Leitfähigkeit des Reduktionsmittels 15 zwischen dem unteren Ende des Füllstandssensors 8 und dem Heizelement 9 überwacht durch eine Messung des elektrischen Widerstands zwischen dem Sensor 8 und dem Heizstab 9, um eine Qualitätskontrolle des in den Tank 1 eingefüllten Reduktionsmittels 15 durchzuführen. Hierdurch kann festgestellt werden, wenn beispielsweise Wasser anstelle eines Reduktionsmittels gemäß DIN 70070 eingefüllt wurde. Der Sensor 8 dient somit gleichzeitig der Qualitätsüberwachung des eingefüllten Reduktionsmittels 15 und der Füllstandskontrolle im Tank 1.
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Auf dem in den Tank eingesetzten Pumpengehäuse ist der Füllstandssensor 8 in einer alternativen Ausgestaltung mit mehreren Kontaktflächen über der Füllhöhe des Tanks 1 ausgebildet, um eine genauere und detaillierte Füllstandsanzeige mit mehreren Zwischenschritten zur exakteren Anzeige des verbliebenen Tankinhalts zu realisieren.
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In einer nicht dargestellten Alternative ist die integrierte Baugruppe als integrierte Baugruppe in eine im oberen Bereich des Tanks angeordnete Öffnung von oben eingesteckt und mittels O-Ringdichtungen abgedichtet. Der Tank weist dann im unteren Bereich eine durchgehende diffusionsdichte Kunststoffwanne auf. Etwaige Undichtigkeiten des Tanks bei fehlerhafter Montage der O-Ringdichtungen sind dadurch ausgeschlossen.
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In diesem Fall ist ein Heizelement in die Baugruppe integriert und wird somit ebenfalls von oben in den Tank eingeschoben, sodass auf den zusätzlichen Aluminiumheizstab verzichtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 70070 [0002]
- DIN 70070 [0002]
- DIN 70070 [0008]
- DIN 70070 [0025]
- DIN 70070 [0052]
