DE102021121029A1

DE102021121029A1 - Dosiersystem zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102021121029A1
Application number: DE102021121029.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bunkus; Stephan Kraus
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem (40) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels (86) in eine Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10). Das Dosiersystem (40) umfasst einen Reduktionsmitteltank (42) zur Bevorratung des Reduktionsmittels (86), eine Reduktionsmittelförderpumpe (44) zur Förderung des Reduktionsmittels (86) aus dem Reduktionsmitteltank (42) zu einem Dosierelement (48) und eine Reduktionsmittelleitung (46). Die Reduktionsmittelleitung (46) verbindet einen Auslass (50) des Reduktionsmittelstanks (42) mit dem Dosierelement (48), um eine Versorgung des Dosierelements (48) mit Reduktionsmittel zu gewährleisten. Es ist vorgesehen, dass in Förderrichtung des Reduktionsmittels (86) stromabwärts des Auslasses (50) und stromaufwärts des Dosierelements (48) ein Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) angeordnet istDie Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels (86) mit einem solchen Dosiersystem (40) sowie einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Abgasanlage (20), an welcher ein solches Dosiersystem (40) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, an welcher ein solches Dosiersystem angeordnet ist.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, welche mit dem heißen Abgasstrom des Verbrennungsmotors vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
Bei tiefen Außentemperaturen, insbesondere bei Temperatur unterhalb von -7 °C, insbesondere von unter -10 °C, kann die Harnstoff-Wasser-Lösung in Abhängigkeit des Harnstoffgehalts der Harnstoff-Wasser-Lösung gefrieren. Um eine Eindosierung des Reduktionsmittels zu ermöglichen, sind elektrische Heizelemente bekannt, welche zumindest einen Teil des Vorratsbehälters, in welchem die Harnstoff-Wasser-Lösung bevorratet ist, aufheizen, um zumindest eine Teilmenge der Harnstoff-Wasser-Lösung zu verflüssigen und diese in die Abgasanlage eindosieren zu können.
Aus der US 2013 / 0 061 949 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt, welches ein Harnstoffdosiersystem zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung in einen Abgaskanal der Abgasanlage des Verbrennungsmotors umfasst. Dabei ist ein Vorratsbehälter für die Harnstofflösung vom Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors umströmt und kann mittels der Abwärme aufgeheizt werden.
Aus der DE 10 2014 001 879 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Abgasstrang bekannt, wobei in dem Abgasstrang wenigstens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und wenigstens ein Harnstoff-Wasser-Lösungs-Tank angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass der Harnstoff-Wasser-Lösungs-Tank motornah angeordnet ist und insbesondere durch die Abwärme des Verbrennungsmotors direkt oder indirekt über einen Kühlmittelkreislauf beheizbar ist.
Die DE 10 2018 105 129 A1 offenbart einen elektrischen Motor, bei dem neben einer Antriebsleistung eines elektrischen Motors auch eine Heizleistung des elektrischen Motors genutzt werden kann. Z. B. kann bei der Förderung einer Harnstoff-Wasser-Lösung (z. B. Adblue), die zur Abgasbehandlung eingesetzt wird, ein Beheizen der Harnstoff-Wasser-Lösung gewünscht sein. Der zum Antrieb einer Pumpe eingesetzte elektrische Motor generiert auch Wärme, die z. B. zum Auftauen der Harnstoff-Wasser-Lösung eingesetzt werden kann.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass durch die bekannten Heizlösungen zum Beheizen des Vorratsbehälters zur Bevorratung der Harnstoff-Wasser-Lösung einen hohen Energieaufwand und vergleichsweise viel Zeit benötigen und somit in der Kaltstartphase nicht unmittelbar zur Emissionsminderung beitragen können.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, möglichst zeitnah nach einem Kaltstart auch bei niedrigen Außentemperaturen eine flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung bereitstellen und diese zur Emissionsminderung in die Abgasanlage eindosieren zu können.
Die Aufgabe wird durch ein Dosiersystem zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, umfassend einen Reduktionsmitteltank zur Bevorratung des Reduktionsmittels, eine Reduktionsmittelförderpumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Reduktionsmitteltank zu einem Dosierelement und eine Reduktionsmittelleitung, welche einen Auslass des Reduktionsmittelstanks mit dem Dosierelement verbindet, gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in Förderrichtung des Reduktionsmittels stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts des Dosierelements ein Reduktionsmittelzwischenspeicher angeordnet ist.
Das vorgeschlagene Dosiersystem ermöglicht es, eine kleine Menge an Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, welche in dem Reduktionsmittelzwischentank bevorratet ist, mittels Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Konvektion aufzutauen. Somit kann zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auch bei niedrigen Außentemperaturen eine Einspritzung von Reduktionsmittel erfolgen, um so die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase effizient verringern zu können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Dosiersystems möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelzwischenspeicher ein Speichervolumen von mindestens 20 cm³, vorzugsweise von mindestens 50 cm³, aufweist. Das Speichervolumen des Reduktionsmittelzwischentanks sollte hinreichend groß sein, um den Zeitraum zu überbrücken, bis das Reduktionsmittels in dem Reduktionsmitteltank des Dosiersystems aufgetaut ist und die Versorgung des Dosierelements mit dem Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank möglich ist. Dabei hat sich in Abhängigkeit der Heizleistung einer Tankheizung des Reduktionsmitteltanks ein Reduktionsmittelvolumen von mindestens 20 cm³ als vorteilhaft herausgestellt.
In einer bevorzugtem Ausgestaltung des Reduktionsmittelzwischenspeichers ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelzwischenspeicher ein maximales Speichervolumen von 500 cm³, vorzugsweise von maximal 300 cm³, besonders bevorzugt von maximal 200 cm³ aufweist. Um ein schnelles Auftauen des Reduktionsmittels im Reduktionsmittelzwischenspeicher zu ermöglichen, sollte dieser Reduktionsmittelzwischenspeicher eine maximale Größe nicht überschreiten, um Vorteile gegenüber dem Reduktionsmitteltank bezüglich des Aufheizverhaltens aufzuweisen. Dabei hat sich herausgestellt, dass ab einem Speichervolumen von 500 cm³ das Auftauen des Reduktionsmittels so langsam erfolgt, dass nur noch geringe Vorteile gegenüber dem Reduktionsmitteltank vorhanden sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Dosiersystems ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelzwischenspeicher als Druckspeicher ausgeführt ist, wobei der Druckspeicher eine Druckquelle aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das im Druckspeicher bevorratete Reduktionsmittel zum Dosierelement zu fördern. Durch einen Druckspeicher kann auf ein zusätzliches Förderelement verzichtet werden, um das Reduktionsmittel nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zum Dosierelement zu fördern. Zudem wird der Gefrierpunkt des Reduktionsmittels bei einer Speicherung unter Druck abgesenkt, sodass das Reduktionsmittel erst bei tieferen Temperaturen gefriert.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Druckspeicher als Gasdruckspeicher ausgeführt ist, wobei der Gasdruckspeicher einen Gasdruckraum und einen Flüssigkeitsspeicher zur Aufnahme des Reduktionsmittels umfasst, welche durch eine Membran voneinander getrennt sind. Durch einen Gasdruckspeicher mit einem Gasdruckraum, einer Membran und einem Flüssigkeitsspeicher kann auf konstruktive, einfache und kostengünstige Art ein Druckspeicher ausgebildet werden, welcher eine Zwischenspeicherung des Reduktionsmittels erlaubt. Durch die Trennung des Gasdruckraums vom Flüssigkeitsspeicher durch eine Membran kann sich die Flüssigkeit beim Gefrieren zudem ausdehnen, ohne den Druckspeicher zu beschädigen.
Alternativ kann am Reduktionsmittelzwischenspeicher auch ein zusätzliches Förderelement, insbesondere eine Pumpe, angeordnet sein, um das im Reduktionsmittelzwischenspeicher bevorratete Reduktionsmittel zum Dosierelement zu fördern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Dosiersystems ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelbehälter als flexibler Behälter mit einer in Abhängigkeit von dem im Reduktionsmittelzwischenspeicher gespeicherten Reduktionsmittelvolumen veränderbaren Struktur ausgeführt ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Behälter des Reduktionsmittelzwischenspeichers bei einer Befüllung und einem anschließenden Einfrieren des Reduktionsmittels keinen Schaden nimmt. Ferner kann sichergestellt werden, dass das Reduktionsmittel aus dem Behälter gesaugt werden kann, ohne dass ein Förderelement zur Förderung des Reduktionsmittels Luft ansaugt.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der flexible Behälter aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt ist und/oder eine Formgedächtnisstruktur aufweist. Durch ein Formgedächtnismaterial oder eine Formgedächtnisstruktur wird sichergestellt, dass der Behälter nach einer Verformung bei einer entsprechenden Entlastung des Dosiersystems wieder in seine Ausgangsform zurückkehrt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelzwischenspeicher über eine Verbindungsleitung mit der Reduktionsmittelleitung verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung an einer Verzweigung stromabwärts der Reduktionsmittelförderpumpe und stromaufwärts des Dosierelements in die Reduktionsmittelleitung mündet. Durch die Verzweigung weist der Reduktionsmittelzwischenspeicher nur eine Anschlussöffnung auf, wodurch die Abdichtung des Reduktionsmittelzwischenspeichers erleichtert wird. Zudem wird bei der Konstruktion des Abgasnachbehandlungssystem ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewonnen, da durch die Verbindungsleitung eine Anordnung des Reduktionsmittelzwischenspeichers nahe einem heißen Bauteil vereinfacht wird.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Dosiersystem, welches folgende Schritte umfasst:

- Start des Verbrennungsmotors,
- Aufheizen der Abgasanlage und zumindest indirektes Auftauen des Reduktionsmittels im Reduktionsmittelzwischenspeichers und in der Reduktionsmittelleitung zwischen dem Reduktionsmittelzwischenspeicher und dem Dosierelement
- Betreiben des Dosiersystems in einem ersten Betriebszustand, wobei eine Eindosierung des im Reduktionsmittelzwischenspeicher bevorrateten Reduktionsmittels in die Abgasanlage des Verbrennungsmotors erfolgt und parallel das Reduktionsmittel im Reduktionsmitteltank aufgeheizt wird, und
- Betreiben des Dosiersystems in einem zweiten Betriebszustand, wobei eine Eindosierung des im Reduktionsmitteltank bevorrateten Reduktionsmittels in die Abgasanlage erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine kleine Menge an Reduktionsmittel unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors bereitzustellen und somit den Zeitraum zu überbrücken, bis das Reduktionsmittel im Reduktionsmitteltank soweit aufgetaut ist, dass eine kontinuierliche Versorgung des Dosierelements aus dem Reduktionsmitteltank gewährleistet ist. Somit können die Zeit vom Kaltstart bis zur Betriebsbereitschaft des Dosiersystems verkürzt und die Stickoxidemissionen verringert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelzwischenspeicher nach dem Auftauen des Reduktionsmittels im Reduktionsmitteltank und in der Reduktionsmittelförderpumpe mit Reduktionsmittel befüllt wird.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Reduktionsmittelzwischenspeicher bei einem Neustart des Verbrennungsmotors hinreichend mit Reduktionsmittel befüllt ist und in einer Kaltstartphase die Versorgung des Dosierelements mit flüssigem Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmittelzwischenspeicher erfolgen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelzwischenspeicher bei einem Abschaltwunsch des Verbrennungsmotors mit Reduktionsmittel befüllt wird. Bei einem Abschaltwunsch wird in der Regel das Reduktionsmittel aus dem Dosierelement zurück in den Reduktionsmitteltank gefördert, um eine Beschädigung des Dosierelements durch gefrierendes Reduktionsmittel zu verhindern. Alternativ kann der Reduktionsmittelzwischenspeicher auch jederzeit nach dem Auftauen des Reduktionsmittels im Reduktionsmitteltank wieder mit Reduktionsmittel befüllt werden, um bei einem nachfolgenden Kaltstart hinreichend mit Reduktionsmittel befüllt zu sein.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei ein Auslass des Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei sind in der Abgasanlage mindestens ein Oxidationskatalysator und eine dem Oxidationskatalysator in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors nachfolgende Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Der Verbrennungsmotor umfasst ferner ein Dosiersystem zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, umfassend einen Reduktionsmitteltank zur Bevorratung des Reduktionsmittels, eine Reduktionsmittelförderpumpe zur Förderung des Reduktionsmittels aus dem Reduktionsmitteltank zu einem Dosierelement und eine Reduktionsmittelleitung, welche einen Auslass des Reduktionsmittelstanks mit dem Dosierelement verbindet. Dabei ist vorgesehen, dass in Förderrichtung des Reduktionsmittels stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts des Dosierelements ein Reduktionsmittelzwischenspeicher angeordnet ist. Der Reduktionsmittelzwischenspeicher ist durch ein sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schnell erwärmendes Bauteil des Verbrennungsmotors oder der Abgasanlage zumindest mittelbar beheizt.
Ein solcher Verbrennungsmotor ermöglich bei einem Kaltstart bei kalten Umgebungstemperaturen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von -5 °C, eine deutliche Verringerung der Stickoxidemissionen, da das Dosiersystem unmittelbar nach einem Kaltstart einsatzbereit ist und mit Erreichen der Light-Off-Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion ein hinreichende Menge an Reduktionsmittel bereitstellen kann, bis eine Versorgung des Dosierelements durch das im Reduktionsmitteltank bevorratete und aufgetaute Reduktionsmittel erfolgen kann.
Bevorzugt ist dabei, wenn das sich nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors schnell erwärmende Bauteil ein Motorblock oder Zylinderkopf des Verbrennungsmotors, ein Abgaskrümmer, eine Turbine eines Abgasturboladers, eine Abgasnachbehandlungskomponente oder ein Starter-Generator, insbesondere ein Riemen-Starter-Generator, ist. Die aufgeführten Bauteile erwärmen sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors vergleichsweise schnell, sodass die Wärme dieser Bauteile durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Konvektion auf den Reduktionsmittelzwischenspeicher übertragen werden kann. Somit kann das im Reduktionsmittelzwischenspeicher eingelagerte Reduktionsmittel vergleichsweise schnell aufgetaut und dem Dosierelement zugeführt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass an der Abgasanlage ein elektrisches Heizelement oder ein Abgasbrenner zum Aufheizen mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist, wobei die durch das elektrische Heizelement oder den Abgasbrenner in die Abgasanlage eingebrachte Wärme zumindest mittelbar auf den Reduktionsmittelzwischenspeicher übertragen wird, um das im Reduktionsmittelzwischenspeicher bevorratete Reduktionsmittel zu verflüssigen oder die Viskosität des Reduktionsmittels zu verringern. Durch ein elektrisches Heizelement für eine Abgasnachbehandlungskomponente oder durch einen Abgasbrenner wird eine hohe Energiemenge in die Abgasanlage eingetragen, um die Abgasnachbehandlungskomponente möglichst zeitnah nach einem Kaltstart auf ihre jeweilige Betriebstemperatur aufzuheizen. Wird diese Wärme zumindest mittelbar auf den Reduktionsmittelzwischenspeicher übertragen, so kann dieser durch das elektrische Heizelement oder den Abgasbrenner beheizt werden und ein schnelles Auftauen des Reduktionsmittels sichergestellt werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Dosiersystem zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Dosiersystem zur Eindosierung von Reduktionsmittel;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Dosiersystem zur Eindosierung von Reduktionsmittel in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Dosiersystem zur Einbringung von wässriger Harnstofflösung für eine selektive, katalytische Reduktion in eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors;
5 ein Phasendiagramm einer wässrigen Harnstofflösung mit 32,5% Harnstoffanteil; und
6 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, wobei ein erfindungsgemäßes Dosiersystem vorgesehen ist, um Reduktionsmittel in die Abgasanlage einzubringen.

1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Dosiersystems 40 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 86 in eine Abgasanlage 20 eines Verbrennungsmotors. Das Dosiersystem 40 umfasst einen Reduktionsmitteltank 42 zur Bevorratung des Reduktionsmittels 86, eine Reduktionsmittelförderpumpe 44 zur Förderung des Reduktionsmittels 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 zu einem Dosierelement 48 und eine Reduktionsmittelleitung 46, welche einen Auslass 50 des Reduktionsmittelstanks 42 mit dem Dosierelement 48 verbindet. In Förderrichtung des Reduktionsmittels 86 ist stromabwärts des Auslasses 50 des Reduktionsmitteltanks 42 und stromaufwärts des Dosierelements 48 ein Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 angeordnet. Dabei ist der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 in unmittelbarer Nähe des Dosierelements 48 angeordnet. Die Reduktionsmittelförderpumpe 44 ist vorzugsweise als elektrisch angetriebene Pumpe ausgeführt und im Reduktionsmitteltank 42 angeordnet, sodass die Abwärme der Reduktionsmittelförderpumpe 44 dazu genutzt werden kann, das Reduktionsmittel 86 im Reduktionsmitteltank 42 zu erwärmen. Durch die Reduktionsmittelförderpumpe 44 wird das Reduktionsmittel 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 oder dem Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 zum Dosierelement 48 gefördert, um mittels des Dosierelements 48 in die Abgasanlage 20 eindosiert werden zu können.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24, stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 ein Oxidationskatalysator 28 und stromaufwärts des Oxidationskatalysator 28 zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind. Die Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist vorzugsweise als Partikelfilter 34 mit SCR-Beschichtung ausgeführt. Alternativ kann die Abgasnachbehandlungskomponente 30 auch als SCR-Katalysator 32 ausgeführt sein. Das Dosierelement 48 ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Dosierelements 48 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein Abgasmischer 38 angeordnet, um das Reduktionsmittel 86 vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponente 30 mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors zu vermischen. Stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist am Abgaskanal 22 eine Verzweigung 36 ausgebildet, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 72 einer Niederdruckabgasrückführung 70 aus dem Abgaskanal 22 der Abgasanlage abzweigt.
2 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Dosiersystems 40 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 86 in eine Abgasanlage 20 eines Verbrennungsmotors. Das Dosiersystem 40 umfasst einen Reduktionsmitteltank 42 zur Bevorratung des Reduktionsmittels 86, eine Reduktionsmittelförderpumpe 44 zur Förderung des Reduktionsmittels 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 zu einem Dosierelement 48 und eine Reduktionsmittelleitung 46, welche einen Auslass 50 des Reduktionsmittelstanks 42 mit dem Dosierelement 48 verbindet. In Förderrichtung des Reduktionsmittels 86 ist stromabwärts des Auslasses 50 des Reduktionsmitteltanks 42 und stromaufwärts des Dosierelements 48 ein Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 angeordnet. Dabei ist der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 stromabwärts des Auslasses 50 und stromaufwärts der Reduktionsmittelförderpumpe 44 in der Reduktionsmittelleitung 46 angeordnet. Der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen flexiblen Behälter 66 mit einer Formgedächtnisstruktur 68 auf. Dabei ist der Reduktionsmittelzwischenspeicher in einer Art und Weise ausgeführt, dass er sich bei einer Entnahme des Reduktionsmittels 86 durch die Reduktionsmittelförderpumpe 44 und gleichzeitig eingefrorener Reduktionsmittelleitung 46 stromaufwärts des Reduktionsmittelzwischenspeichers 52 derart verformt, dass der Behälter nachgibt und sich das vom Behälter umschlossene Volumen reduziert. Sobald die Reduktionsmittelleitung 46 vollständig aufgetaut ist, dehnt sich der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 wieder auf seine Ursprungsform aus und füllt sich mit Reduktionsmittel 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42. Die Reduktionsmittelförderpumpe 44 ist stromabwärts des Reduktionsmittelzwischenspeichers 52 und stromaufwärts des Dosierelements 48 angeordnet. Durch die Reduktionsmittelförderpumpe 44 wird das Reduktionsmittel 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 oder dem Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 zum Dosierelement 48 gefördert, um mittels des Dosierelements 48 in die Abgasanlage 20 eindosiert werden zu können.
3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Dosiersystems 40 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 86 in eine Abgasanlage 20 eines Verbrennungsmotors. Das Dosiersystem 40 umfasst einen Reduktionsmitteltank 42 zur Bevorratung des Reduktionsmittels 86, eine Reduktionsmittelförderpumpe 44 zur Förderung des Reduktionsmittels 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 zu einem Dosierelement 48 und eine Reduktionsmittelleitung 46, welche einen Auslass 50 des Reduktionsmittelstanks 42 mit dem Dosierelement 48 verbindet. In Förderrichtung des Reduktionsmittels 86 ist stromabwärts des Auslasses 50 des Reduktionsmitteltanks 42 und stromaufwärts des Dosierelements 48 ein Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 angeordnet. Dabei weist die Reduktionsmittelleitung 46 eine Verzweigung 54 auf, an welcher eine Verbindungsleitung 56, welche den Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 mit der Reduktionsmittelleitung 46 verbindet, in die Reduktionsmittelleitung 46 mündet. Der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 ist in dieser Ausführungsform vorzugsweise als Druckspeicher 58 ausgeführt, welcher mittels einer Druckquelle 88 mit einem Druck beaufschlagt, welcher höher als der Druck in der Reduktionsmittelleitung 46 ist. Alternativ zu einem Druckspeicher kann auch ein weiteres Förderelement, insbesondere eine weitere Pumpe vorgesehen sein, welche das im Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 bevorratete Reduktionsmittel zum Dosierelement 48 fördert. Die Reduktionsmittelförderpumpe 44 ist vorzugsweise als elektrisch angetriebene Pumpe ausgeführt und im Reduktionsmitteltank 42 angeordnet, sodass die Abwärme der Reduktionsmittelförderpumpe 44 dazu genutzt werden kann, das Reduktionsmittel 86 im Reduktionsmitteltank 42 zu erwärmen. Durch die Reduktionsmittelförderpumpe 44 wird das Reduktionsmittel 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 zum Dosierelement 48 gefördert, um mittels des Dosierelements 48 in die Abgasanlage 20 eindosiert werden zu können.
4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Dosiersystems 40 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 86 in eine Abgasanlage 20 eines Verbrennungsmotors. Das Dosiersystem 40 umfasst einen Reduktionsmitteltank 42 zur Bevorratung des Reduktionsmittels 86, eine Reduktionsmittelförderpumpe 44 zur Förderung des Reduktionsmittels 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 zu einem Dosierelement 48 und eine Reduktionsmittelleitung 46, welche einen Auslass 50 des Reduktionsmittelstanks 42 mit dem Dosierelement 48 verbindet. In Förderrichtung des Reduktionsmittels 86 ist stromabwärts des Auslasses 50 des Reduktionsmitteltanks 42 und stromaufwärts des Dosierelements 48 ein Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 angeordnet. Dabei weist die Reduktionsmittelleitung 46 eine Verzweigung 54 auf, an welcher eine Verbindungsleitung 56, welche den Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 mit der Reduktionsmittelleitung 46 verbindet, in die Reduktionsmittelleitung 46 mündet. Der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 ist in dieser Ausführungsform als Gasdruckspeicher 60 ausgeführt, welcher einen Gasdruckraum 98 und einen Flüssigkeitsspeicher 64 zur Aufnahme des Reduktionsmittels 86 umfasst, welche durch eine Membran 62 voneinander getrennt sind.
Die Reduktionsmittelförderpumpe 44 ist vorzugsweise als elektrisch angetriebene Pumpe ausgeführt und im Reduktionsmitteltank 42 angeordnet, sodass die Abwärme der Reduktionsmittelförderpumpe 44 dazu genutzt werden kann, das Reduktionsmittel 86 im Reduktionsmitteltank 42 zu erwärmen. Durch die Reduktionsmittelförderpumpe 44 wird das Reduktionsmittel 86 aus dem Reduktionsmitteltank 42 zum Dosierelement 48 gefördert, um mittels des Dosierelements 48 in die Abgasanlage 20 eindosiert werden zu können.
Der Gasdrucktank 60 wird im Normalbetrieb, also wenn das im Reduktionsmitteltank 42 bevorratete Reduktionsmittel 86 aufgetaut ist, mit Reduktionsmittel 86 befüllt, bis der Gasdruck im Gasdruckraum 98 dem Förderdruck der Reduktionsmittelförderpumpe 44 entspricht. Dabei muss der Flüssigkeitsspeicher 64 des Gasdruckspeichers 60 hinreichend groß dimensioniert werden, um eine definierte Mindestmenge an Reduktionsmittel 86 mit einem für die Dosierung hinreichenden Druck zu bevorraten.
In 5 ist ein Phasendiagramm einer wässrigen Harnstofflösung mit 32,5% Harnstoffanteil dargestellt. Dabei entspricht Phase I einem Bereich, in dem die Harnstofflösung in Form von Eis und Kristallen vorliegt. Phase II ist der Bereich, in dem die Harnstofflösung in Form von Eis und flüssiger Lösung vorliegt. Phase III ist der Bereich, in dem die Harnstofflösung vollständig als flüssige Lösung vorliegt. Phase IV ist der Bereich, in dem die Harnstofflösung in Form von flüssiger Lösung und Kristallen vorliegt. Ferner sind in dem Phasendiagramm die Soliduslinie S, die Liquiduslinie L, sowie das Eutektikum E eingezeichnet. Ferner ist durch die Punkte 1 und 2 dargestellt, wie sich die Lage des Eutektikums und der vier Phasen I - IV bei einer Erhöhung des Harnstoffgehalts von 32,5% (Punkt 1) auf 38% (Punkt 2) verändert.
In 6 ist ein Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Brennräumen 12 dargestellt, wobei an jedem Brennraum 12 ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung von Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 16 auf, mit welchem der Verbrennungsmotor 10 mit einem nicht dargestellten Luftversorgungssystem verbindbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 18 auf, mit welchem der Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20 verbindbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Motorblock und einen Zylinderkopf 82 auf. Der Verbrennungsmotor 10 ist über einen Riemen 76 mit einem Riemen-Starter-Generator 74 verbunden. Ferner ist der Verbrennungsmotors 10 mit einem Getriebe 78 verbunden. Zur Kraftstoffversorgung der Kraftstoffinjektoren 14 sind eine Kraftstoffhochdruckpumpe und ein Kraftstoffhochdruckspeicher 84 vorgesehen, welcher durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 116 mit Kraftstoff versorgt wird.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskrümmer 80, welcher die Abgase mehrerer Brennräume 12 einem gemeinsamen Abgaskanal 22 zuführt. In dem Abgaskanal 22 sind stromabwärts des Abgaskrümmers 80 eine Turbine 24 eines Abgasturbolader 26, stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 ein Oxidationskatalysator 28 und stromaufwärts des Oxidationskatalysator 28 zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Die Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist vorzugsweise als Partikelfilter 34 mit SCR-Beschichtung ausgeführt. Alternativ kann die Abgasnachbehandlungskomponente 30 auch als SCR-Katalysator 32 ausgeführt sein. Das Dosierelement 48 ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Dosierelements 48 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein Abgasmischer 38 angeordnet, um das Reduktionsmittel 86 vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponente 30 mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors zu vermischen. Stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist am Abgaskanal 22 eine Verzweigung 36 ausgebildet, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 72 einer Niederdruckabgasrückführung 70 aus dem Abgaskanal 22 der Abgasanlage abzweigt.
Ferner kann an der Abgasanlage ein elektrisches Heizelement 100 und/oder ein Abgasbrenner 102 angeordnet sein, mit welchem zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30 unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 beheizbar ist. Der Abgasbrenner 102 weist eine Brennkammer 108 auf, in welcher ein Kraftstoff verbrannt wird. Die Brennkammer 108 kann mittels einer Kraftstoffzufuhr 104 und einer Luftzufuhr 106 mit einem brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch befüllt werden. Ferner ist an der Brennkammer 108 ein Zündelement 112 angeordnet, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu entzünden. Die Brennkammer 108 ist über eine Abgasleitung 114 mit einer Einleitstelle 104 stromaufwärts der zu beheizenden Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30 verbunden.
Der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 ist an einer sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 schnell erwärmenden Komponente des Verbrennungsmotors 10 oder einer sich schnell erwärmenden Komponente der Abgasanlage 20 angeordnet. Insbesondere kann der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 in unmittelbarer Nähe des Riemen-Starter-Generators 74, des Kraftstoffhochdruckspeichers 84, der Kraftstoffhochdruckpumpe 116 oder einer Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30 angeordnet sein. Alternativ kann der Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 auch in unmittelbarer Nähe des Abgaskrümmers 80, des Motorblocks, des Zylinderkopfes 82 oder der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 angeordnet sein und auf geeignete Art und Weise mittels Wärmestrahlung, Wärmeleitung und/oder Konvektion beheizt werden. Ferner kann eine Beheizung des Reduktionsmittelzwischenspeichers dadurch erfolgen, dass eine Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30 durch das elektrische Heizelement 100 oder den Abgasbrenner 102 beheizt werden und diese Wärme zusätzlich zum Auftauen des Reduktionsmittels 86 im Reduktionsmittelzwischenspeicher 52 genutzt wird.
Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 90 in Wirkverbindung, welches eine Speichereinheit 94 und eine Recheneinheit 92 umfasst. In der Speichereinheit 94 ist ein Programmcode 96 abgelegt, welcher ein Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels 86 in die Abgasanlage 20 des Verbrennungsmotors 10 mit einem solchen Dosiersystem 40 ausführt, wenn der Programmcode 96 durch die Recheneinheit 92 des Steuergeräts 90 ausgeführt wird.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Einlass
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasturbolader
26: Turbine
28: Oxidationskatalysator
30: Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion
32: SCR-Katalysator
34: Partikelfilter mit SCR-Beschichtung
36: Verzweigung
38: Abgasmischer
40: Dosiersystem
42: Reduktionsmitteltank
44: Reduktionsmittelförderpumpe
46: Reduktionsmittelleitung
48: Dosierelement
50: Auslass
52: Reduktionsmittelzwischenspeicher
54: Verzweigung
56: Verbindungsleitung
58: Druckspeicher
60: Gasdruckspeicher
62: Membran
64: Flüssigkeitsspeicher
66: flexibler Behälter
68: Formgedächtnisstruktur
70: Niederdruckabgasrückführung
72: Abgasrückführungsleitung
74: Riemen-Starter-Generator
76: Riemen
78: Getriebe
80: Abgaskrümmer
82: Zylinderkopf
84: Kraftstoffhochdruckspeicher
86: Reduktionsmittel
88: Druckquelle
90: Steuergerät
92: Recheneinheit
94: Speichereinheit
96: maschinenlesbarer Programmcode
98: Gasdruckraum
100: elektrisches Heizelement
102: Abgasbrenner
104: Kraftstoffzufuhr
106: Luftzufuhr
108: Brennkammer
110: Einleitstelle
112: Zündelement
114: Abgasleitung
116: Kraftstoffhochdruckpumpe
I: Zone I, Eis und Kristalle
II: Zone II, Eis und Lösung
III: Zone III, Lösung
IV: Zone IV, Lösung und Kristalle
E: Eutektikum
H: Harnstoffgehalt [%]
L: Liquiduslinie
S: Soliduslinie
T: Temperatur [°C]

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

US 20130061949 A1 [0004]
DE 102014001879 A1 [0005]
DE 102018105129 A1 [0006]

Claims

Dosiersystem (40) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels (86) in eine Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend einen Reduktionsmitteltank (42) zur Bevorratung des Reduktionsmittels (86), eine Reduktionsmittelförderpumpe (44) zur Förderung des Reduktionsmittels (86) aus dem Reduktionsmitteltank (42) zu einem Dosierelement (48) und eine Reduktionsmittelleitung (46), welche einen Auslass (50) des Reduktionsmittelstanks (42) mit dem Dosierelement (48) verbindet, gekennzeichnet durch ein Reduktionsmittelzwischenspeicher (52), das in Förderrichtung des Reduktionsmittels (86) stromabwärts des Auslasses (50) und stromaufwärts des Dosierelements (48) angeordnet ist.
Dosiersystem (40) nach Anspruch 1, wobei der Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) ein Speichervolumen von mindestens 20 cm³ aufweist.
Dosiersystem (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) als Druckspeicher (58) ausgeführt ist, wobei der Druckspeicher (58) eine Druckquelle (88) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das im Druckspeicher bevorratete Reduktionsmittel (86) zum Dosierelement (48) zu fördern.
Dosiersystem (40) nach Anspruch 3, wobei der Druckspeicher (58) als Gasdruckspeicher (60) ausgeführt ist, wobei der Gasdruckspeicher (60) einen Gasdruckraum (98) und einen Flüssigkeitsspeicher (64) zur Aufnahme des Reduktionsmittels (86) umfasst, welche durch eine Membran (62) voneinander getrennt sind.
Dosiersystem (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) als flexibler Behälter (66) mit einer in Abhängigkeit von dem im Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) gespeicherten Reduktionsmittelvolumen veränderbaren Struktur ausgeführt ist.
Dosiersystem (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) über eine Verbindungsleitung (56) mit der Reduktionsmittelleitung (46) verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (56) an einer Verzweigung (54) stromabwärts der Reduktionsmittelförderpumpe (44) und stromaufwärts des Dosierelements (48) in die Reduktionsmittelleitung (46) mündet.
Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels (86) in die Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend folgende Schritte: - Start des Verbrennungsmotors (10), - Aufheizen der Abgasanlage (20) und zumindest mittelbares Auftauen des Reduktionsmittels (86) in dem Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) sowie der Reduktionsmittelleitung (46) zwischen dem Reduktionsmittelzwis8chenspeicher (52) und dem Dosierelement (48), - Betreiben des Dosiersystems (40) in einem ersten Betriebszustand, wobei eine Eindosierung des im Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) bevorrateten Reduktionsmittels (86) in die Abgasanlage (20) des Verbrennungsmotors (10) erfolgt und parallel das Reduktionsmittel (86) im Reduktionsmitteltank (42) aufgeheizt wird, und - Betreiben des Dosiersystems (40) in einem zweiten Betriebszustand, wobei eine Eindosierung des im Reduktionsmitteltank (42) bevorrateten Reduktionsmittels (86) in die Abgasanlage (20) erfolgt.
Verfahren zur Dosierung eines Reduktionsmittels (86) nach Anspruch 7, wobei der Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) nach dem Auftauen des Reduktionsmittels (86) im Reduktionsmitteltank (42) und in der Reduktionsmittelförderpumpe (44) mit Reduktionsmittel (86) befüllt wird oder der Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) bei einem Abschaltwunsch des Verbrennungsmotors (10) mit Reduktionsmittel (86) befüllt wird.
Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei ein Auslass (18) des Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) mindestens ein Oxidationskatalysator (28) und eine dem Oxidationskatalysator (28) in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) nachfolgende Abgasnachbehandlungskomponente (30) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind, sowie mit einem Dosiersystem (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) durch ein sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (10) schnell erwärmendes Bauteil des Verbrennungsmotors (10) oder der Abgasanlage (20) zumindest mittelbar beheizt ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 9, wobei an der Abgasanlage (20) ein elektrisches Heizelement (100) oder ein Abgasbrenner (102) zum Aufheizen mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente (28, 30) angeordnet ist, wobei die durch das elektrische Heizelement (100) oder den Abgasbrenner (102) in die Abgasanlage (20) eingebrachte Wärme zumindest mittelbar auf den Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) übertragen wird, um das im Reduktionsmittelzwischenspeicher (52) bevorratete Reduktionsmittel (86) zu verflüssigen oder die Viskosität des Reduktionsmittels (86) zu verringern.