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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Dosiermodul zum Einbringen eines Reduktionsmittels in eine abgasführende Abgasanlage mit einem Katalysator, wobei das Dosiermodul mit einem Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Dosiermoduls verschaltet ist und ein Durchflussregler in dem Kühlkreislauf angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Anordnung.
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Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Reinigung von Abgasen einer in einem Fahrzeug verbauten Brennkraftmaschine mittels selektiver katalytischer Reduktion von Stickoxiden in einem SCR-Katalysator. Als Reduktionsmittel wird üblicherweise eine Harnstoffwasserlösung verwendet. Diese Harnstoffwasserlösung wird beim Betrieb der Brennkraftmaschine aus einem Vorratsbehälter entnommen und mittels eines Dosiermoduls in die abgasführende Abgasanlage vor dem nachgeschalteten SCR-Katalysator eingeleitet.
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Stand der Technik
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Eine derartige Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine ist aus der
DE 10 2012 206 563 A1 bekannt. Die in diesem Dokument beschriebene Anordnung weist eine Abgasanlage mit einem SCR-Katalysator auf, wobei stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Dosiermodul zum Einführen eines Reduktionsmittels angeordnet ist. Dieses Dosiermodul ist zur Kühlung desselben an einen Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine, an der die Anordnung verbaut ist, angeschlossen. Dazu weist das Dosiermodul einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass auf, die über entsprechende Leitungen mit der Brennkraftmaschine beziehungsweise deren Kühlsystem verbunden sind. In die Rücklaufleitung von dem Dosiermodul zu der Brennkraftmaschine ist ein Durchflussregeler in Form eines Thermostates eingebaut, der den Durchfluss von Kühlmittel durch das Dosiermodul regelt. Die Regelung erfolgt derart, dass bei einem Start, insbesondere einem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Durchfluss von Kühlflüssigkeit durch das Dosiermodul gedrosselt oder abgesperrt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden anzugeben, die/das bei kompakter Bauweise bei allen Betriebszuständen der Anordnung zuverlässig arbeitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Durchflussregeler an dem Dosiermodul angeordnet ist. Die Anordnung des Durchflussregelers an dem Dosiermodul trägt zunächst einmal zu einer kompakten Ausgestaltung der gesamten Anordnung bei, indem kein eigenständiges Bauteil in eine entsprechende Verbindungsleitung eingebaut und entsprechend befestigt werden muss. Der Anbau des Durchflussregelers an den Dosiermodul lässt sich dabei bei optimaler Ausgestaltung ohne eine Bauraumvergrößerung bewerkstelligen. Dabei ist es darüber hinaus so, dass das Dosiermodul normalerweise an der Abgasanlage angeordnet und befestigt ist, so dass keine zusätzliche Befestigung für den an den Dosiermodul angebauten Durchflussregler notwendig ist. Dadurch, dass der Durchflussregler direkt an dem Dosiermodul angeordnet ist, kann darüber hinaus präzisiere Regelung des Kühlmittelflusses durch das Dosiermodul erfolgen, da beispielsweise eine in dem Dosiermodul aufgenommene Temperatur zur direkten Regelung des Durchflussreglers herangezogen werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Durchflussregler in einem Kühlmittelkreislaufauslass des Dosierventils angeordnet. Grundsätzlich kann der Durchflussregler auch in den Kühlmittelkreislaufeinlass oder auch direkt in den kühlmittelführenden Bereich des Dosiermoduls eingebaut sein, der Einbau in den Kühlmittelkreislaufauslass bietet aber den Vorteil, dass ein Überhitzen des Durchflussreglers ausgeschlossen ist, da der Durchflussregler für diesen Fall so ausgebildet ist, dass er dann von selbst öffnet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Durchflussregler eine zylinderförmige Nadelsitzführung auf und die Nadelsitzführung ist direkt in einem Kühlmittelkreislaufauslassanschluss eingesetzt. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da dadurch keine zusätzlichen Umbauten oder Anbauten an dem Dosiermodul notwendig sind, um den Durchflussregler anzubauen. Der Durchflussregler kann so ausgebildet sein, dass dieser in einen vorhandenen Kühlmittelkreislaufauslass eingesetzt wird oder aber der Kühlmittelkreislauslass wird insbesondere hinsichtlich seines Durchmessers so angepasst, dass ein vorhandener Durchflussregler in diesem eingebaut werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Öffnungsrichtung des Durchflussreglers in Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgerichtet. Diese Ausrichtung erhöht die Eigensicherung des Durchflussreglers, da dieser beispielsweise bei einer Überhitzung selbsttätig öffnend ausgebildet sein kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Durchflussregler ein Thermostatventil, das wiederum in weiterer Ausgestaltung ein Bimetallelement aufweist. Einerseits stehen entsprechende Thermostatventile in den verschiedensten Ausgestaltungen zur Verfügung und andererseits ist ein solches Thermostatventil zuverlässig selbstregelnd. Durch die zuvor angegebene Ausrichtung des Thermostatventils so, dass die Öffnungsrichtung in Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgerichtet ist, ist das Bimetallelement auf der Einflussseite in das Thermostatventil gegebenenfalls bis in den Innenraum des Dosiermoduls hineinragend angeordnet. Dadurch ist eine sehr präzise Erfassung der in den Dosiermodul herrschenden Temperatur sichergestellt. Darüber hinaus ist durch diese Ausgestaltung ein Überhitzen des Thermostatventils ausgeschlossen, da das Thermostatventil in diesem Fall ohne weitere Maßnahmen von selbst öffnet. Grundsätzlich ist das Thermostatventil so ausgelegt, dass dieses öffnet, wenn die Kühlmitteltemperatur einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet und schließt, wenn dieser Mindestwert unterschritten wird. Fließende Übergänge bei dem Öffnungsvorgang und Schließvorgang sind in der Form darstellbar, dass das Ventil innerhalb eines gewissen Temperaturbereichs mehr oder weniger drosselt. Auf diese Weise ist die ventilseitige Kühlmitteltemperatur im Betriebsbereich sehr zuverlässig und auch feinfühlig regelbar.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Dosiermodul ein elektrisch betätigtes Dosierventil auf und eine Ventileinrichtung des Dosierventils ist auf einer Austrittsseite für Reduktionsmittel an dem Dosiermodul angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht einerseits eine exakte Dosierung des Reduktionsmittels nahe der Einlassstelle in die Abgasanlage und andererseits durch die in Weiterbildung vorgesehene Kühlmittelleiteinrichtung eine zuverlässige Kühlung dieses thermisch belasteten Bereichs einschließlich der Ventileinrichtung.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Dosiermodul eine Kühlmittelleiteinrichtung auf, die den Kühlmittelstrom zu der Austrittsseite für das Reduktionsmittel leitet. Durch diese Ausgestaltung wird die zuvor angegebene Kühlung dieses thermisch belasteten Bereichs sichergestellt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlmittelleiteinrichtung eine Durchtrittsöffnung aufweisende Leitwand. Diese Leitwand ist innerhalb des Dosiermoduls zwischen einem Kühlmittelkreislaufeinlass und dem Kühlmittelkreislaufauslass angeordnet und die Durchtrittsöffnungen sind so angeordnet beziehungsweise ausgerichtet, dass eine intensive Kühlung der Ventileinrichtung bei geöffneten Thermostatventil erfolgt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer abgasführenden Abgasanlage und einer Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden des in einem in der Abgasanlage geführten Abgas nach einem der beschriebenen Ausgestaltungen ausgestaltet. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein leichtes Nutzfahrzeug sein. In diesem Segment werden verstärkt Anordnungen zur Reduktion von Stickoxiden eingesetzt, die mit einer beschriebenen Flüssigkeitskühlung ausgestattet sind. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Anordnung aber auch an Brennkraftmaschinen einsetzbar, die in beliebigen Fahrzeugen oder Maschinen verbaut sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der an dem Dosiermodul angeordnete Durchflussregler bei Unterschreitung einer Kühlmitteltemperatur von angenähert 120°C eine Drosselung oder Sperrung des Kühlmittelflusses durch den Durchflussregler einstellt. Diese Abstimmung beziehungsweise dieses Verfahren bewirkt, dass bei einem Start, insbesondere einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und folglich noch kalten Kühlmittel eine Durchströmung des Dosiermoduls mit Kühlmittel gedrosselt beziehungsweise abgesperrt ist. Dadurch wird ein Auskühlen der Ventileinrichtung im Startfall verhindert und ein Ventilklemmer der Ventileinrichtung kann durch eine elektrische Beheizung der Ventileinrichtung jederzeit gelöst werden. Dieser Ventilklemmer wird durch Kristalle, insbesondere Harnstoffkristalle des Dosiermittels, das bevorzugt eine Harnstoffwasserlösung ist, verursacht, wobei die Harnstoffkristalle durch eine elektrische Beheizung geschmolzen werden können. Für den Fall, dass unterhalb einer Kühlmitteltemperatur von 120°C eine Drosselung des Kühlmittelflusses eingestellt wird, erfolgt diese so, dass unterhalb einer Temperatur von 80°C eine Sperrung des Kühlmittelflusses durch den Durchflussregler eingestellt ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Einfrieren der Ventileinrichtung während des Betriebs verhindert werden. Dies kann insbesondere bei in Fahrzeugen verbauten Brennkraftmaschinen auftreten, die einen separaten Ladeluftkühlkreislauf aufweisen. Wird die Ventileinrichtung über diesen Kreislauf gekühlt, sind Temperaturen von weniger als –ca. 11°C möglich, unterhalb der das Dosiermittel in Form einer Harnstoffwasserlösung friert. Für diesen Fall schließt der Durchflussregeler unterhalb einer Temperatur von 0°C, bevorzugt unterhalb von –5°C. Diese Frostschutzfunktion kann auch durch eine entsprechende Ausgestaltung des Durchflussreglers mit der Funktion der Verhinderung einer Auskühlung im Startfall kombiniert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer an einer Brennkraftmaschine verbauten Abgasanlage mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Dosiermodul,
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2 eine Schnittdarstellung eines Dosiermoduls mit einem integrierten Durchflussregler und
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3 eine Detailansicht eines in einen Kühlmittelkreislaufauslass des Dosiermoduls eingebauten Durchflussreglers.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1, die beispielsweise eine vierzylindrige selbstzündende Brennkraftmaschine sein kann, der Kraftstoff mittels eines Common-Rail-Einspritzsystems zugeführt wird. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Abgassammelstutzen 2 auf, der das aus den Brennräumen der einzelnen Zylinder ausgelassene Abgas zusammenführt und in eine Abgasanlage 3 einleitet. Die Abgasanlage 3 weist eine mehrteilige Abgasleitung 4 auf, in die eine Komponente oder mehrere Komponenten zur Reduzierung der schädlichen Bestandteile des Abgases eingebaut sein kann beziehungsweise sein können. Diese Komponenten sind beispielsweise ein ausgangsseitig des Abgassammlers 2 angeordneter Katalysator 5, ein nachfolgender Russfilter 6 und ein ebenfalls nachfolgender Katalysator, der als SCR-Katalysator 7 ausgebildet ist. Ausgangsseitig des SCR-Katalysators 7 werden die damit gereinigten Abgase in die Umgebung abgeleitet.
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Der SCR-Katalysator 7 ist zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas ausgebildet. Zum Betrieb des SCR-Katalysators 7 ist in das dem SCR-Katalysator 7 zugeführte Abgas ein Reduktionsmittel zuzuführen. Die Zuführung des Reduktionsmittels erfolgt über ein Dosiermodul 8, das an die Abgasleitung 4 zwischen dem Russfilter 6 und dem SCR-Katalysator 7 angebaut ist. Für den Fall, dass kein Katalysator 5 und kein Russfilter 6 in der Abgasanlage 3 vorhanden sind, ist das Dosiermodul 8 zwischen dem Abgassammelstutzen 2 und dem SCR-Katalysator 7 die Abgasleitung 4 eingebaut. Dem Dosiermodul 8 wird über eine Dosiermittelleitung 9 ein Dosiermittel, das insbesondere eine Harnstoffwasserlösung ist, zugeführt. Das Dosiermittel wird in einen nicht dargestellten Dosiermitteltank bevorratet und über eine ebenfalls nicht dargestellte Dosiermittelpumpe in die Dosiermittelleitung gefördert. Das Dosiermodul 8 weist weiterhin eine elektrische Steuerleitung 10 auf, die beispielsweise mit einem Brennkraftmaschinensteuergerät verbunden ist und eine nachfolgend noch erläuterte Ventileinrichtung 11 (siehe 2) eines Dosierventils 12 des Dosiermoduls 8 steuert. Weiterhin weist das Dosiermodul 8 einen Kühlmittelkreislaufeinlass 13 und einen Kühlmittelkreislaufauslass 14 auf, die beide über entsprechende Leitungen 15a, 15b mit einer Kühlmittelführung in der Brennkraftmaschine 1 verbunden sind und einen Kühlmittelkreislauf 16 bilden.
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2 zeigt in einer Schnittdarstellung das Dosiermodul 8 mit den zuvor beschriebenen Anschlüssen. In den Kühlmittelkreislaufauslass 14 ist ein als Thermostatventil ausgebildeter Durchflussregler 17 eingebaut, der den Durchfluss von Kühlmittel, das insbesondere das Kühlwasser der Brennkraftmaschine ist, durch das Dosiermodul 8 regelt. Diese Regelung wird nachfolgend noch genauer erläutert. Das Dosiermodul 8 weist weiterhin das zuvor erwähnte mit der Dosiermittelleitung 9 verbundene Dosierventil 12 auf, das insbesondere die elektromagnetisch betätigte Ventileinrichtung 11 beinhaltet. Die Ventileinrichtung 11 weist eine Ventilkugel 18 auf, die eine auf der Austrittsseite und in die Abgasleitung 4 einmündende Auslassöffnung 19 beherrscht. Im geschlossenen Zustand des Dosierventils 12 ist die Auslassöffnung 19 von der Ventilkugel 18 verschlossen und umgekehrt in geöffneten Zustand strömt Dosiermittel von der Dosiermittelleitung 9 durch die Auslassöffnung 19 in die Abgasleitung 4. Bei einer Bestromung einer Spule 20 wird ein hohl ausgeführter Bolzen 21 gegen die Kraft einer Feder 22 von der Ausslassöffnung 19 wegbewegt, so dass die Ventilkugel 18 von der Auslassöffnung 19 wegbewegt wird und eine Strömungsverbindung zwischen der Dosiermittelleitung 9 und der Auslassöffnung 19 besteht.
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Zur Kühlung der Ventileinrichtung 11 des Dosierventils 12 wird das Dosiermodul 8 von Kühlmittel durchströmt, dass über den Kühlmittelkreislaufeinlass 13 in den Innenraum des Dosiermoduls 8 eingeleitet wird und über den Kühlmittelkreislaufauslass 14 wieder in den Kühlmittelkreislauf 16 abgeleitet wird. Zur Abtrennung insbesondere des elektrischen Teils des Dosierventils 12 ist eine Trennwand 23 in das Dosiermodul 8 angebaut, die im oberen Bereich an einem Dosiermodulgehäuse 24 und im Bereich der Ventileinrichtung 11 an dem Ventilgehäusekörper 25 dicht anliegt. Um eine gezielte Anströmung der Ventileinrichtung 11 im Bereich der Auslassseite des Dosiermittels zu gewährleisten, ist eine als Leitwand 26 ausgebildete Kühlmittelleiteinrichtung in das Dosiermodul 8 eingebaut, die mit dem Dosiermodulgehäuse 24 im Bereich zwischen dem Kühlmittelkreislaufeinlass 13 und den Kühlmittelkreislaufauslass 14 fest verbunden ist. Weiterhin ist die Leitwand 26 an dem Ventilgehäusekörper 25 im Bereich unterhalb der Anbindung der Trennwand 23 befestigt. Die Leitwand 26 weist Durchströmungsöffnungen 27 auf, die insbesondere im Bereich der Ventileinrichtung 11 angeordnet sind und so eine gezielte Kühlung der thermisch belasteten Bereiche der Ventileinrichtung 11 sicherstellen.
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3 zeigt in einer Detailansicht den als Thermostatventil ausgebildeten Durchflussregler 17, der in den Kühlmittelkreislaufauslass 14 eingebaut ist. Der als Thermostat ausgebildete Durchflussregler 17 weist eine zylinderförmige Nadelsitzführung 28 auf, die unverrückbar in den Kühlmittelkreislaufauslass 14 eingesetzt ist. Die Nadelsitzführung 28 weist einen oder mehrere Führungsstege 29 zur Führung einer einen Ventilteller 30 tragenden Ventilnadel 31 auf. Eine Sitzfläche 32 des Ventiltellers 30 wirkt im geschlossenen Zustand des Durchflussreglers 17 mit einem Ventilsitz 33 der Nadelsitzführung 28 zusammen. In dargestellten geöffneten Zustand ist die Sitzfläche 32 beabstandet von dem Ventilsitz 33 angeordnet und folglich ist eine Strömungsverbindung durch den Durchflussregler 17 freigegeben. Der als Thermostat ausgebildete Durchflussregler 17 weist weiterhin ein Bimetallelement 34 auf, das mit der Nadelsitzführung 28 verbunden ist und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Haltering 35 für die Ventilnadel 31 verbunden ist. Die Ventilnadel 31 ist in den Haltering 25 eingehangen und wird von einer Ventilfeder 36, die sich an den Führungssteg 29 und dem Ventilteller 30 abstützt in Richtung einer Öffnungsbewegung des Durchflussreglers 17 vorgespannt.
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Der Durchflussregler 17 ist bevorzugt so abgestimmt, dass bei einem Start, insbesondere einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und folglich noch kalten Kühlmittel eine Durchströmung des Dosiermoduls 8 mit Kühlmittel abgesperrt ist. Dies ist unterhalb eines Temperaturbereichs von 80°C bis 120°C der Fall. Dadurch wird ein Auskühlen der Ventileinrichtung 11 im Startfall verhindert und ein Ventilklemmer der Ventileinrichtung 11 kann durch eine in 2 nicht dargestellte elektrische Beheizung der Ventileinrichtung 11 jederzeit gelöst werden. Dieser Ventilklemmer wird durch Harnstoffkristalle verursacht, die durch die elektrische Beheizung geschmolzen werden können.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Einfrieren der Ventileinrichtung 11 während des Betriebs der brennkraftmaschine verhindert werden. Dies kann insbesondere bei in Fahrzeugen verbauten Brennkraftmaschinen auftreten, die einen separaten Ladeluftkühlkreislauf aufweisen. Wird die Ventileinrichtung 11 über diesen Kreislauf gekühlt, sind Temperaturen von weniger als ca. –11°C möglich, ab der die Harnstoffwasserlösung friert. Für diesen Fall ist der Durchflussregler 17 so eingestellt, dass dieser unterhalb einer Temperatur von 0°C, bevorzugt –5°C schließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206563 A1 [0003]
