DE102019210897A1

DE102019210897A1 - Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102019210897A1
Application number: DE102019210897.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Gloeckle; Markus Buerglin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-01-28
Also published as: WO2021013425A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (2) für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem ein flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel führenden und/oder aufnehmenden Element (1), und mit zumindest einem Schutzmittel, das dazu ausgebildet ist, ein Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels gezielt in einem begrenzten Gefrierstartbereich (6) an oder in dem Element (1) beginnen zu lassen. Es ist vorgesehen, dass das Schutzmittel in dem Gefrierstartbereich (6) zumindest einen auf molekularer Ebene wirkenden Kristallisationskeim aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem ein flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel führenden und/oder aufnehmenden Element, und mit zumindest einem Schutzmittel, das dazu ausgebildet ist, ein Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels in einem begrenzten Gefrierstartbereich an dem Element gezielt beginnen zu lassen.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 223 028 A1 ist beispielsweise ein Abgasnachbehandlungssystem für Brennkraftmaschinen bekannt, welches ein in der Regel flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel dazu verwendet, Emissionen im Abgas zu reduzieren. Häufig wird als Abgasnachbehandlungsmittel dabei eine wässrige Harnstofflösung eingesetzt, die mit dem Abgas der Brennkraftmaschine in einem Katalysator emissionsreduzierend reagiert. Weil bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des Abgasnachbehandlungsmittels dieses gefriert und dadurch sein Volumen vergrößert, muss sichergestellt werden, dass diese Volumenvergrößerung von den das Abgasnachbehandlungsmedium führenden oder aufnehmenden Elementen aufgenommen werden kann. Es ist ein Gefrierschutz notwendig, der ein Ausdehnen des Abgasnachbehandlungsmittels erlaubt, ohne dass das Abgasnachbehandlungsmittel davon Schaden nimmt. Damit diese Funktion wirksam ist, ist jedoch sicherzustellen, dass der das zusätzliche Volumen aufnehmende Bereich des Elements, der sich häufig durch eine Elastizität oder Flexibilität auszeichnet, erst zu Ende des Gefriervorgangs beziehungsweise als letzter Bereich des Elements gefriert. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 212 579 A1 ist es dazu beispielsweise bekannt, gezielt einen Gefrierstartbereich an oder in dem Element als Schutzmittel vorzusehen. Dazu wird in der genannten Druckschrift die Wärmeleitung des Abgasnachbehandlungsmittels in die Umgebung an unterschiedlichen Stellen des Elements unterschiedlich gestaltet, sodass bei einem Absinken der Umgebungstemperatur in einem definierten Gefrierstartbereich die Gefriertemperatur des Abgasnachbehandlungsmittels zuerst unterschritten wird, während in anderen Bereichen des Elements die Gefriertemperatur noch nicht unterschritten ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem hat den Vorteil, dass eine verbesserte Startbedingung für das Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels in oder an dem Element geboten wird, die kostengünstig und bauraumsparend realisierbar ist, ohne dabei die sonstigen Eigenschaften des Elements nachteilig zu beeinträchtigen. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass das Schutzmittel an einer dem Abgasmedium zugewandten Oberfläche des Elements in dem Gefrierstartbereich zumindest einen auf molekularer Ebene wirkenden Kristallisationskeim aufweist. Der Kristallisationsvorgang vollzieht sich auf molekularer Ebene. Moleküle fügen sich in ein definiertes, festes Gitter ein. Dadurch, dass der Kristallisationskeim in dem Gefrierstartbereich auf molekularer Ebene wirkt, ist er strukturbildend für das bei dem Gefrieren entstehende Gitter des Abgasnachbehandlungsmittels. Er ruft eine Konzentrationserhöhung bezüglich der kristallisierenden Spezies hervor. Die Bindungen zwischen den sich im Gitter anordnenden Molekülen bleiben dadurch stabil, auch wenn durch die Ausbildung dieser Bindungen Schmelzwärme frei wird. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Abgasnachbehandlungssystems ist es daher gewährleistet, dass das Abgasnachbehandlungsmittel an der gewünschten Stelle im Gefrierstartbereich zuerst gefriert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind in dem Gefrierstartbereich eine Vielzahl von Kristallisationskeimen vorhanden. Mit zunehmender Anzahl von Kristallisationskeimen wächst die Wahrscheinlichkeit, dass in dem Gefrierstartbereich das Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels beginnt.
Besonders bevorzugt ist die dem Medium zugordnete Oberfläche des Elements in Bereichen außerhalb des Gefrierstartbereichs mit einer inerten Oberflächenstruktur versehen ist. Durch die inerte Struktur wird erreicht, dass in den Bereichen außerhalb des Gefrierstartbereichs ein Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels an dem Element verzögert wird, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass das Abgasnachbehandlungsmittel in dem Gefrierstartbereich zuerst gefriert, weiter erhöht wird.
Vorzugsweise ist der Kristallisationskeim durch eine Aluminiumoxid-Beschichtung oder eine Wasserstoffbrücken-bildende Beschichtung gebildet. Diese Beschichtungen führen zu polaren Wechselwirkungen mit dem Abgasnachbehandlungsmittel, insbesondere wenn dieses Harnstoff enthält, und gewährleisten somit ein frühzeitiges Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels im Bereich des Gefrierstartbereichs.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der als Kristallisationskeim durch eine Hydroxid oder eine Säuregruppe und/oder durch Zeolithe, insbesondere mit sauren Zentren, gebildet wird. Diese ermöglichen eine starke Wechselwirkung zum gelösten Harnstoff des Abgasnachbehandlungsmittels und bewirken dadurch eine Aufkonzentration direkt an der Oberfläche des Elements, was die Ausbildung eines Gefrierkeims in dem Abgasnachbehandlungsmittel erleichtert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Kristallisationskeim durch eine Oberfläche oder Oberflächenbeschichtung mit partiellen Strukturelementen von Harnstoff ausgebildet. Dadurch erhält die Oberflächenbeschichtung einen organischen Anteil. Die Verwendung von Harnstoff beziehungsweise einer Beschichtung, die Strukturelemente des Harnstoffs aufweist, wie beispielsweise das Element R1NR2-CO-NH2, wird das Bilden des Gefrierkeims verbessert.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die inerte Oberfläche durch eine Goldbeschichtung oder eine siliziumbasierte Glasbeschichtung, insbesondere auf Edelstahl, gebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist somit das Element bevorzugt zumindest im Bereich der mit dem Abgasnachbehandlungsmittel zusammenwirkenden Oberfläche aus Edelstahl gefertigt und weist dort eine Goldbeschichtung oder siliziumbasierte Glasbeschichtung auf. Diese Beschichtungen verzögern vorteilhafterweise das Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels an dem Element.
Bevorzugt ist das Element als Tankbehälter für eine Tankvorrichtung ausgebildet. Insbesondere ist der Tankbehälter als Abgasnachbehandlungsmitteltank ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Element als Leitelement, insbesondere als Rohrleitung, ausgebildet, und dient so der Führung und Leitung des Abgasnachbehandlungsmittels.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Element bevorzugt einen Injektor, eine Pumpe oder ein betätigbares Ventil bildet oder mitbildet. So bildet das Element insbesondere ein ein Hydraulikmedium beziehungsweise ein flüssiges Medium leitendes Element eines Injektors, einer Pumpe oder eines betätigbaren Ventils aus.
Besonders bevorzugt weist das Abgasnachbehandlungsmittel mehrere gleiche oder unterschiedliche Elemente auf, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige

Figur ein Element eines Abgasnachbehandlungssystems in einer vereinfachten Schnittdarstellung.

Die einzige Figur zeigt in einer Längsschnittdarstellung ein vorteilhaftes Element 1 eines Abgasnachbehandlungssystems 2 für ein hier nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Das Element 1 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Führen beziehungsweise Leiten eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels, das eine wässrige Harnstofflösung aufweist, ausgebildet. Dazu ist das Element 1 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Rohrleitungselement 3 gefertigt. Das Element 1 weist dazu eine ringförmige, beispielsweise kreisringförmige Mantelwand 4 auf, die einen Innenraum 5 zum Durchführen des Abgasnachbehandlungsmittels bildet. Die dem Innenraum zugewandte Oberfläche 4 des Elements 1 weist einen Gefrierstartbereich 6 auf, der begrenzt ist, sodass ein weiterer Bereich der Oberfläche 4 sich von dem Gefrierstartbereich 6 unterscheidet und insbesondere eine inerte Oberfläche 7 aufweist. Der Gefrierstartbereich 6 zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Vielzahl von auf molekularer Ebene wirkenden Kristallisationskeimen aufweist.
Dazu weist das Element 1 in dem Gefrierstartbereich 6 beispielsweise eine Aluminiumoxidbeschichtung oder eine Wasserstoffbrücken-bildende Beschichtung auf. Dies gewährleistet, dass im Gefrierstartbereich eine Wechselwirkung mit dem in dem Abgasnachbehandlungsmittel gelösten Harnstoff eintritt, welche das Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels beschleunigt. Als Wasserstoffbrücken-bildende Oberfläche können beispielsweise Hydroxid oder Säuregruppen vorhanden sein. Auch Zeolithe mit sauren Zentren, die auf der dem Abgasnachbehandlungsmittel zugewandten Oberfläche vorhanden sind, ermöglichen eine starke Wechselwirkung zu dem gelösten Harnstoff und bewirken dadurch eine Aufkonzentration direkt an der Oberfläche, was die Ausbildung eines Gefrierkeims erleichtert.
Auch ist es denkbar, in der Figur jedoch nicht dargestellt, die Oberfläche mit einer organischen Beschichtung in dem begrenzten Gefrierstartbereich zu versehen, die bereits partielle Strukturelemente des Harnstoffs aufweist, wie beispielsweise das Element R1NR2-CO-NH2, wobei R1 ein organischer Rest, wie beispielsweise ein Harz, ein NR2 ein Wasserstoffatom oder ein weiterer organischer Rest, wie beispielsweise eine CH3-Gruppe ist.
In dem übrigen Kontaktbereich zu dem Abgasnachbehandlungsmittel weist das Element 1 als inerte Oberflächenstruktur 7 bevorzugt eine goldbeschichtete Oberfläche oder eine insbesondere funktionalisierte, siliziumbasierte Glasbeschichtung auf Edelstahl auf, durch welche das Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels an dem Element 1 verzögert wird.
Dadurch, dass in dem Gefrierstartbereich 6 das Gefrieren beschleunigt und in dem übrigen Bereich verzögert wird, ergibt sich, dass das Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels bei Unterschreiten der Gefriertemperatur gezielt in dem Gefrierstartbereich beginnt und sich in eine gewünschte Richtung, wie in der Figur durch einen Pfeil 8 gezeigt, fortsetzt. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Gefrierreihenfolge in dem Abgasnachbehandlungssystem gewährleistet ist, durch welche insbesondere die Gefrierfestigkeit des Gesamtsystems in vorteilhafter Weise gewährleistet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist als Element 1 ein Element zum Aufbewahren und Lagern des Abgasnachbehandlungsmittels, wie beispielsweise ein Tankbehälter, vorhanden. Das Abgasnachbehandlungssystem 2 weist insbesondere mehrere Elemente 1 auf, die gleich oder unterschiedlich ausgebildet sind, wobei eines oder mehrere der Elemente 1 den beschriebenen Gefrierstartbereich 6 und zumindest eines oder mehrere der Elemente 1 den beschriebenen Gefrierverzögerungsbereich mit einer inerten Oberfläche 7 aufweisen. Auch kann vorgesehen sein, dass das Element als Bestandteil eines Injektors, einer Pumpe oder eines betätigbaren Ventils beziehungsweise Schaltventils eines hydraulischen Systems ausgebildet ist. So ist es beispielsweise als Bestandteil eines Injektors zum Dosieren eines Abgasnachbehandlungsmittels in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine ausgebildet, oder als eine Rohrleitung, die zu dem Injektor führt, oder als Bestandteil einer Pumpe, welche das Abgasnachbehandlungsmittel zu dem Injektor beispielsweise durch die Rohrleitung hindurch fördert.
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

DE 102012223028 A1 [0002]
DE 102015212579 A1 [0002]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (2) für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem ein flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel führenden und/oder aufnehmenden Element (1), und mit zumindest einem Schutzmittel, das dazu ausgebildet ist, ein Gefrieren des Abgasnachbehandlungsmittels gezielt in einem begrenzten Gefrierstartbereich (6) an oder in dem Element (1) beginnen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmittel in dem Gefrierstartbereich (6) zumindest einen auf molekularer Ebene wirkenden Kristallisationskeim aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gefrierstartbereich (6) eine Vielzahl von Kristallisationskeimen vorhanden sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Medium zugeordnete Oberfläche des Elements (1) in einem Bereich außerhalb des Gefrierstartbereichs (6) mit einer inerten Oberfläche (7) versehen sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationskeim durch eine Aluminiumoxid-Beschichtung oder eine Wasserstoff-Brücken-bildende Beschichtung gebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kristallisationskeim durch eine Hydroxid- oder Säuregruppe oder durch Zeolithe gebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationskeim durch eine Oberfläche oder Oberflächenbeschichtung mit partiellen Strukturelementen von Harnstoff ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inerte Oberfläche (7) durch eine Goldbeschichtung oder eine Silizium-basierte Glasbeschichtung gebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) als Tankbehälter ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) als Leitelement, insbesondere als Rohrleitung (3), ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (1) einen Injektor, eine Pumpe oder ein betätigbares Ventil bildet oder mitbildet.