DE4432577A1 - Einrichtung zur Einbringung einer Flüssigkeit in ein Strömungsmedium - Google Patents
Einrichtung zur Einbringung einer Flüssigkeit in ein StrömungsmediumInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Einbrin
gung einer Flüssigkeit in ein Strömungsmedium mit einem Vor
ratsbehälter für die Flüssigkeit und einer daran angeschlos
senen Flüssigkeitszuführungsleitung, die in einer Austritts
öffnung für die Flüssigkeit endet.
Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors
enthaltenen Schadstoffe, im besonderen der Stickoxide, hat
sich für Verbrennungsmotoren, die mit einem Luftüberschuß be
trieben werden, wie z. B. Diesel- und Magermotoren, das Sy
stem des geregelten Dieselkatalysators (GDK) als bisher vor
teilhafteste Technik erwiesen. Diese im wesentlichen auf dem
Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) beru
hende Technik ist mittlerweile aus zahlreichen Veröffentli
chungen und Patentanmeldungen, z. B. aus den deutschen Pa
tentanmeldungen P 43 09 891.6, P 43 10 926.8 und
P 43 15 278.3, bekannt.
Beim SCR-Verfahren werden die Stickoxide zusammen mit Ammoni
ak an einem selektiven Katalysator kontaktiert und kataly
tisch zu umweltunbedenklichem Stickstoff und Wasser umge
setzt. Es ist weiter bekannt, daß bei dem GDK-System Ammoniak
aufgrund der mit dem Ammoniakeinsatz verbundenen Gefahren,
wie z. B. seine Giftigkeit und die durch Ammoniak hervorgeru
fene Geruchsbelästigung, nicht im Fahrzeug mitgeführt werden
darf. Das zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide erfor
derliche Reduktionsmittel wird anstelle des Ammoniaks in Form
einer wäßrigen Harnstofflösung im Fahrzeug mitgeführt. Aus
dieser wäßrigen Harnstofflösung kann der Ammoniak durch Hy
drolyse der Harnstofflösung in der augenblicklich gerade zur
Umsetzung der Stickoxide benötigten Menge erzeugt werden.
Es ist ein Vorteil der in wäßrigen Lösungen vorliegenden am
moniakfreisetzenden Substanzen, wie z. B. Harnstoff, daß die
Bevorratung, die Handhabung, die Förder- und Dosierbarkeit
technisch besonders einfach zu lösen sind. Ein gravierender
Nachteil dieser wäßrigen Lösungen besteht darin, daß in Ab
hängigkeit von der Konzentration der gelösten Substanz die
Gefahr des Einfrierens bei bestimmten Temperaturen besteht.
Eine einfache Zugabe eines Frostschutzmittels scheitert
daran, daß für derartige wäßrige Lösungen kein Frostschutz
mittel bekannt ist, das bei wirtschaftlicher Dosierung eine
nennenswerte Absenkung des Gefrierpunktes der wäßrigen Lösung
bewirkt. Zudem besteht bei der Verwendung eines zusätzlichen
Stoffes, wie z. B. eines Frostschutzmittels, im allgemeinen
die Gefahr, daß im Zusammenhang mit der Anwendung eines Re
duktionsmittels in Abgasreinigungsanlagen unerwünschte Neben
produkte entstehen, die zusammen mit dem Abgas emittiert wer
den. Aus diesem Grunde können Frostschutzmittel in einem sol
chen Verfahren zur Abgasreinigung nicht eingesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung des Einfrierens der
wäßrigen Lösung und zur Vermeidung von Frostschäden ist
grundsätzlich die Beheizung der reduktionsmittelführenden
Teile der Abgasreinigungsanlage. Bei mobilen Anwendungen,
speziell in Nutzfahrzeugen (LKW), Lokomotiven und Schiffen -
soweit diese nicht mit eigener Energieversorgung versehen
sind -, steht jedoch die dazu notwendige elektrische Energie,
insbesondere während längerer Stillstandszeiten, nicht zur
Verfügung. So müßte beispielsweise bei einem LKW ein Volumen
von etwa 100 l wäßriger Harnstofflösung vor dem Einfrieren
geschützt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Frostschäden
an Teilen einer Abgasreinigungsanlage für den mobilen Einsatz
in Fahrzeugen während der Stillstandszeiten zu vermeiden und
den Betrieb einer solchen Anlage bei Temperaturen unterhalb
des Gefrierpunktes der verwendeten Reduktionsmittellösung zu
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Einrichtung zur Einbringung einer Flüssigkeit in ein Strö
mungsmedium mit einem thermisch isolierten Vorratsbehälter
für die Flüssigkeit und einer daran angeschlossenen Flüssig
keitszuführungsleitung, die in einer Austrittsöffnung für die
Flüssigkeit endet, vorgesehen ist, wobei in der Flüssigkeits
zuführungsleitung ein Rückspül-Ventil vorgesehen ist, das mit
einem unter Druck stehenden Gas beaufschlagbar ist.
Auf diese Weise ist es möglich, zu jedem beliebigen Zeitpunkt
die in der Flüssigkeitszuführungsleitung vorhandene Flüssig
keit mittels des unter Druck stehenden Gases in den Vorrats
behälter zurückzuspülen und/oder durch die Austrittsöffnung
für die Flüssigkeit herauszuspülen. Insbesondere Nutzfahrzeu
ge verfügen über ein Druckluftsystem, welches an das Rück
spül-Ventil angeschlossen werden kann. Auf diese Weise ist es
möglich, beispielsweise unmittelbar nach dem Abstellen des
Fahrzeuges, das Rückspülen der Flüssigkeit, z. B. einer wäß
rigen Reduktionsmittellösung, mittels der im Fahrzeug vorhan
denen Druckluft durchzuführen. Aufgrund der thermischen Iso
lation des Vorratsbehälters ist es weitgehend gewährleistet,
daß die im Vorratsbehälter vorhandene Flüssigkeit und die in
den Vorratsbehälter zurückgespülte Flüssigkeit nicht einfrie
ren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Flüs
sigkeitszuführungsleitung und gegebenenfalls weitere in der
Flüssigkeitszuführungsleitung angeschlossene Komponenten, wie
z. B. ein Ventil, ein Filter, eine Pumpe, rückspülbar ausge
führt sein. Es ist auf diese Weise gewährleistet, daß in dem
gesamten Flüssigkeitsstrang zwischen Vorratsbehälter und Aus
trittsöffnung keine Flüssigkeit nach dem Rückspülen ver
bleibt.
Es ist vorteilhaft, wenn als Rückspül-Ventil ein Drei/Drei-
Wegeventil eingesetzt ist. Auf diese Weise kann die in der
Flüssigkeitszuführungsleitung befindliche Flüssigkeit in
beide Strömungsrichtung gespült werden. Zusätzlich kann bei
spielsweise beim Einbringen der Flüssigkeit in das Strömungs
medium eine Zerstäubung der Flüssigkeit an der Austrittsöff
nung mittels der Druckluft, die über das Rückspül-Ventil in
die Flüssigkeitszuführungsleitung eingeführt wird, erfolgen.
Um beispielsweise einen in der Leitung für das Strömungsmedi
um in Strömungsrichtung des Strömungsmediums nach der Aus
trittsöffnung angeordneten Katalysator nur gering mit der
Flüssigkeit bei dem Rückspülen zu belasten, ist es vorteil
haft, wenn der Weg der Flüssigkeitszuführungsleitung zwischen
dem Rückspül-Ventil und der Austrittsöffnung besonders kurz
ist im Bezug zur Gesamtlänge der Flüssigkeitszuführungslei
tung. Hierunter wird auch verstanden, daß das Rückspül-Ventil
unmittelbar an der Austrittsöffnung angeordnet ist und als
solches kein separates Stück Flüssigkeitszuführungsleitung
zwischen Austrittsöffnung und Rückspül-Ventil angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den
übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur
näher erläutert. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung
eine Einrichtung 2 zur Einbringung einer wäßrigen Harnstoff
lösung 4 in ein in einer Abgasleitung 42 geführt es stickoxid
haltiges Abgas 5 eines nicht weiter dargestellten Verbren
nungsmotors. Ein solcher Verbrennungsmotor kann beispielswei
se in einem Nutzfahrzeug, wie z. B. einem LKW, einer Lokomo
tive oder einem Schiff, eingebaut sein.
In der Figur erkennt man einen Vorratsbehälter 6 für die
Harnstofflösung 4, wobei der Vorratsbehälter 6 eine thermi
sche Isolierung 7, eine Entlüftungsvorrichtung 8 und einen
Wärmetauscher 10 aufweist. An den Vorratsbehälter 6 ist eine
Harnstoffzuführungsleitung 12 angeschlossen, die - der Reihe
nach - über einen weiteren separaten Vorratsbehälter 14, ei
nen Filter 16, eine Pumpe 18 und ein Rückspül-Ventil 20 in
einer als Austrittsöffnung 22 vorgesehenen Düse 24 endet.
Das Rückspül-Ventil 20 ist als Drei/Drei-Wegeventil ausge
führt. Im oberen Teil des Rückspül-Ventils 20 ist eine Druck
luftzuführungsleitung 26 angeschlossen, die von einem Druck
luftbehälter 28 ausgeht. Das Rückspül-Ventil 20 weist weiter
einen Steuereingang 30 auf, der in hier nicht weiter darge
stellter Weise an einen Bordcomputer für die Steuerung des
Verbrennungsmotors und der Pumpe 18 für die wäßrige Harn
stofflösung 4 angeschlossen ist. Mittels dieses Steuerein
gangs 30 wird die Funktion des als Drei/Drei-Wegeventils
ausgestalteten Rückspül-Ventils 20 festgelegt.
Das Rückspül-Ventil 20 hat drei steuerbare Funktionsweisen.
Die erste Funktion 32 sieht einen ungehinderten Durchlaß der
wäßrigen Harnstofflösung 4 vor. Die zweite Funktion 34 sieht
ein Absperren der Harnstoffzuführungsleitung 12 in Richtung
zum Vorratsbehälter 6 hin und ein Ausblasen der Harnstoffzu
führungsleitung 12 in Richtung zur Austrittsöffnung 22 hin
vor. Die dritte Funktion 36 verhält sich umgekehrt zur Funk
tion 34.
Bei der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors befindet sich
die Harnstofflösung 4 vollständig in den Vorratsbehältern 6
und 14. Bei einer Außentemperatur unter dem Gefrierpunkt der
wäßrigen Harnstofflösung 4 kann es insbesondere bei längeren
Standzeiten trotz der thermischen Isolierung 7 des Vorratsbe
hälters 6 zu einem Einfrieren der wäßrigen Harnstofflösung 4
kommen. In einem solchen Betriebsfall kann nun entweder nach
Anlassen des Verbrennungsmotors oder auch bereits vor dem An
lassen des Verbrennungsmotors mittels einer elektrischen Hei
zung 38, die einen Wärmetauscher 40 mit Wärme versorgt, ein
geringes Startvolumen 4′ an Harnstofflösung 4 in dem als Zwi
schenbehälter dienenden Vorratsbehälter 14 aufgetaut werden.
Diese aufgetaute Harnstofflösung 4 wird dann mittels der Pum
pe über das Filter 16 und das Rückspül-Ventil 20 (in Funktion
32) zur Austrittsöffnung 22 befördert. Dort wird die wäßrige
Harnstofflösung 4 feinverdüst in das Abgas 5, das in der Ab
gasleitung 42 des Verbrennungsmotors strömt, eingebracht. Da
mit die Harnstofflösung 4 auf dem Weg zur Austrittsöffnung 22
nicht in der Harnstoffzuführungsleitung 12 einfriert, kann
zusätzlich eine Heizung für die Harnstoffzuführungsleitung 12
vorgesehen sein, die durch die strichpunktierten Linien 44,
46 parallel zur Harnstoffzuführungsleitung 12 angedeutet ist.
Hierbei kann die Wärmeenergie elektrisch oder auch über das
Kühlmittel des Verbrennungsmotors herangeführt werden. So ist
es vorstellbar, daß die Harnstoffzuführungsleitung 12 wie ei
ne Koaxialleitung aufgebaut ist, in der in der zentralen Ader
die Harnstofflösung 4 strömt und in dem äußeren Mantel das
Kühlmittel.
Mit zunehmender Betriebsdauer des Verbrennungsmotors erwärmt
sich das Kühlmittel. Dieses kann beispielsweise in den Wärme
tauscher 10 strömen und auf diese Weise das Auftauen der
überwiegenden Harnstofflösungsmenge im Vorratsbehälter 6 be
wirken. Der Vorratsbehälter 6 weist zusätzlich einen Tempera
tursensor 47, beispielsweise ein Thermoelement, auf, mit des
sen Temperatursignal ein einstellbares Ventil 48 angesteuert
werden kann, das die Durchflußmenge des Kühlmittels im Wärme
tauscher 10 einstellt. Die von dem Wärmetauscher 10 auf die
Harnstofflösung 4 übertragene Wärmemenge wird also mittels
des einstellbaren Ventils 48 durch eine Einstellung der Kühl
mittelrate reguliert. Auf diese Weise ist eine Thermostati
sierung der im Vorratsbehälter 6 befindlichen Harnstofflösung
4 möglich. Durch diese Thermostatisierung wird als positiver
Nebeneffekt eine Steigerung der Dosiergenauigkeit von übli
cherweise volumetrisch arbeitenden Dosiereinrichtungen er
zielt. Weiter wird ein Überhitzen der Harnstofflösung 4 so
wohl im Vorratsbehälter 6 als auch im Vorratsbehälter 14 ver
mieden, was ansonsten bereits in den Vorratsbehältern 6 und
14 zu einer Hydrolyse der Harnstofflösung zu Ammoniak führen
würde. Diese Hydrolyse ist aber unerwünscht.
Während des Betriebes des Verbrennungsmotors wird der Druck
luftbehälter 28 mit Druckluft 29 aufgeladen. Der hier nicht
weiter beschriebene Bordcomputer steuert die pro Zeiteinheit
in das Abgas 6 eingebrachte Menge der Harnstofflösung 4 ent
sprechend der im Abgas 6 enthaltenen Stickoxidrate.
Im Anschluß an den Betrieb des Verbrennungsmotors ist es ins
besondere bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes
der wäßrigen Harnstofflösung 4 zur Vermeidung von Frostschä
den vorgesehen, die Harnstofflösung 4 aus den frostgefährde
ten Teilen der Einrichtung 2 zu entfernen. Diese Teile sind
insbesondere das Filter 16, die Pumpe 18, das Rückspül-Ventil
20, die Düse 24 sowie die gesamte Harnstoffzuführungsleitung
12. Hierzu wird nun zunächst die Funktion 34 und dann die
Funktion 36 des Rückspül-Ventils 20 ausgeübt. Es könnte eben
sogut auch umgekehrt verfahren werden.
Mittels der Funktion 34 wird die noch in der Harnstoffzufüh
rungsleitung 12 zwischen dem Rückspül-Ventil 20 und der Düse
24 in der Harnstoffzuführungsleitung 12 befindliche Harnstoff
lösung 4 in die Abgasleitung 42 ausgeblasen. Weil dieses Stück
Harnstoffzuführungsleitung 12 im Vergleich zur Gesamtlänge der
Harnstoffzuführungsleitung 12 besonders kurz ausgeführt ist,
wird auch nur eine geringe Menge Harnstofflösung 4 in die nun
nicht mehr vom Abgas 6 durchströmte Abgasleitung 42 eingelei
tet. Die ausgetragene Harnstofflösung 4 kann beispielsweise an
den heißen Wänden der Abgasleitung 42 verdampfen. Der bei der
Hydrolyse (Verdampfung) entstehende Ammoniak wird in dem der
Düse 24 in der Abgasleitung 42 nachgeschalteten und hier nicht
weiter dargestellten Katalysator adsorbiert.
Mittels der Funktion 36 des Rückspül-Ventils 20 wird daran
anschließend die gesamte übrige Harnstoffzuführungsleitung 12
sowie die darin angeordnete Pumpe 18 und das darin angeordne
te Filter 16 mit der Druckluft harnstofffrei gespült. Es ist
hier vorgesehen, daß die Größe des als Zwischenbehälter die
nenden Vorratsbehälters 14 so gewählt ist, daß das Volumen
zur Aufnahme der rückgespülten Harnstofflösung 4 inklusive
eines mit Luft gefüllten Dehnungsvolumens ausreicht. Diese
rückgespülte Harnstofflösung 4 wird dann bei erneuter Wieder
inbetriebnahme des Verbrennungsmotors als gegebenenfalls mit
nur geringer elektrische Heizleistung auftaubares Startvolu
men verwendet.
In nicht weiter dargestellter Weise kann an den Vorratsbehäl
ter 6 und gegebenenfalls auch an den Vorratsbehälter 14 eine
Entlüftungs-/Druckentlastungsleitung, die in die Abgasleitung
42 in Strömungsrichtung des Abgases 5 vor dem hier nicht wei
ter dargestellten Katalysator zur Stickoxidminderung mündet,
angeschlossen werden, wie dies beispielsweise auch aus der
EP 0 577 853 A1 bekannt ist.
Die vorstehend beschriebene Einrichtung 2 gewährleistet somit
jederzeit, daß unabhängig von den Außentemperatur während des
Betriebes des Verbrennungsmotors immer die zur katalytischen
Umsetzung der Stickoxide erforderliche Harnstoffmenge bereit
gestellt werden kann. Sie gewährleistet ebenso, daß die ge
samte Einrichtung 2 vor Frostschäden bei Außentemperaturen
unterhalb des Gefrierpunkts der Harnstofflösung 4 geschützt
ist.
Die in der Figur beschriebene Einrichtung kann ebensogut auch
in Anlagen der chemischen Industrie, in der Flüssigkeiten
durch Freileitungen geführt werden, verwendet werden.
Claims (9)
1. Einrichtung (2) zur Einbringung einer Flüssigkeit (4) in
ein Strömungsmedium (5) mit einem Vorratsbehälter (6) für die
Flüssigkeit (4) und einer daran angeschlossenen Flüssigkeits
zuführungsleitung (12), die in einer Austrittsöffnung (22)
für die Flüssigkeit (4) endet, wobei in der Flüssigkeitszu
führungsleitung (12) ein Rückspül-Ventil (20) vorgesehen ist,
das mit einem unter Druck stehenden Gas (29) beaufschlagbar
ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flüs
sigkeitszuführungsleitung (12) und gegebenenfalls weitere in
der Flüssigkeitszuführungsleitung (12) angeschlossene Kompo
nenten, wie z. B. ein Ventil, ein Filter (16), eine Pumpe
(18), rückspülbar ausgeführt sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rück
spül-Ventil (20) ein 3/3-Wegeventil ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Weg
der Flüssigkeitszuführungsleitung (12) zwischen dem Rückspül-
Ventil (20) und der Austrittsöffnung (22) besonders kurz ist
im Bezug zur Gesamtlänge der Flüssigkeitszuführungsleitung
(12).
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vor
ratsbehälter (6, 14) und die Flüssigkeitszuführungsleitung
(12) beheizbar sind.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aus
trittsöffnung (22) als Düse (24) ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flüs
sigkeit (4) eine wäßrige Harnstofflösung ist.
8. Einrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß Strömungs
medium (5) das Abgas eines Verbrennungsmotors ist.
9. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 8 in der Abgasreinigungsanlage eines Fahrzeugs mit einem
Verbrennungsmotor, insbesondere einem mit Luftüberschuß be
triebenen Verbrennungsmotor.
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