DE102021121029A1 - Metering system for metering a reducing agent into the exhaust system of a combustion engine - Google Patents
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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.The invention relates to a metering system (40) for metering a reducing agent (86) into an exhaust system (20) of an internal combustion engine (10). The metering system (40) comprises a reducing agent tank (42) for storing the reducing agent (86), a reducing agent feed pump (44) for feeding the reducing agent (86) from the reducing agent tank (42) to a metering element (48) and a reducing agent line (46). The reducing agent line (46) connects an outlet (50) of the reducing agent tank (42) to the metering element (48) in order to ensure that the metering element (48) is supplied with reducing agent. It is provided that a reducing agent intermediate store (52) is arranged in the conveying direction of the reducing agent (86) downstream of the outlet (50) and upstream of the metering element (48). The invention also relates to a method for metering a reducing agent (86) with such a metering system (40 ) and an internal combustion engine (10) with an exhaust system (20) on which such a metering system (40) is arranged.
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.The invention relates to a metering system for metering a reducing agent into the exhaust system of an internal combustion engine and an internal combustion engine with an exhaust system on which such a metering system is arranged.
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.The current exhaust gas legislation and one that will become increasingly strict in the future places high demands on engine raw emissions and the exhaust gas aftertreatment of combustion engines. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permitted nitrogen oxide emissions pose a challenge for the engine developers. In petrol engines, the exhaust gas cleaning takes place in the known way via a three-way catalytic converter and before the three-way catalytic converter - and further downstream catalysts. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines, which have an oxidation catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for separating soot particles and optionally further catalytic converters. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because handling pure ammonia is expensive, vehicles usually use a synthetic, aqueous urea solution, which is mixed with the hot exhaust gas stream from the internal combustion engine. This mixing heats up the aqueous urea solution, with the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution is generally made up of 32.5% urea and 67.5% water.
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.At low outside temperatures, in particular at a temperature below -7° C., in particular below -10° C., the urea-water solution can freeze depending on the urea content of the urea-water solution. In order to enable the reducing agent to be metered in, electric heating elements are known which heat at least part of the reservoir in which the urea-water solution is stored, in order to liquefy at least a portion of the urea-water solution and pass it into the exhaust system to be able to dose.
Aus der
Aus der
Die
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.A disadvantage of the known solutions, however, is that the known heating solutions for heating the reservoir for storing the urea-water solution require a lot of energy and a comparatively long time and therefore cannot contribute directly to reducing emissions in the cold start phase.
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.The object of the invention is now to be able to provide a liquid urea-water solution as soon as possible after a cold start, even at low outside temperatures, and to meter this into the exhaust system to reduce emissions.
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. The object is achieved by a metering system for metering a reducing agent, in particular an aqueous urea solution, into an exhaust system of an internal combustion engine, comprising a reducing agent tank for storing the reducing agent, a reducing agent feed pump for conveying the reducing agent from the reducing agent tank to a metering element, and a reducing agent line which has an outlet of the reducing agent tank connects to the dosing element, solved.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in Förderrichtung des Reduktionsmittels stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts des Dosierelements ein Reduktionsmittelzwischenspeicher angeordnet ist.According to the invention, a reducing agent buffer store is arranged downstream of the outlet and upstream of the dosing element in the conveying direction of the reducing agent.
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.The proposed dosing system makes it possible to thaw a small amount of reducing agent, in particular aqueous urea solution, which is stored in the intermediate reducing agent tank, by means of thermal conduction, thermal radiation or convection. In this way, a reducing agent can be injected promptly after a cold start of the internal combustion engine, even at low outside temperatures, in order to be able to efficiently reduce nitrogen oxide emissions in the cold start phase.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Dosiersystems möglich.The features listed in the dependent claims allow advantageous improvements and non-trivial further developments of the dosing system listed in the independent claim.
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 a preferred embodiment of the invention, it is provided that the reducing agent intermediate store has a storage volume of at least 20 cm 3 , preferably at least 50 cm 3 . The storage volume of the reducing agent intermediate tank should be large enough to bridge the period until the reducing agent in the reducing agent tank of the metering system has thawed and the metering element can be supplied with the reducing agent from the reducing agent tank. Depending on the heat output of a tank heater of the reducing agent tank, a reducing agent volume of at least 20 cm 3 has proven to be advantageous.
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.In a preferred embodiment of the intermediate reducing agent store, it is provided that the intermediate reducing agent store has a maximum storage volume of 500 cm 3 , preferably a maximum of 300 cm 3 , particularly preferably a maximum of 200 cm 3 . In order to enable rapid thawing of the reducing agent in the reducing agent buffer store, this reducing agent buffer store should not exceed a maximum size in order to have advantages over the reducing agent tank with regard to the heating behavior. It has been found that from a storage volume of 500 cm 3 the thawing of the reducing agent takes place so slowly that there are only minor advantages over the reducing agent tank.
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.According to an advantageous embodiment of the dosing system, it is provided that the reducing agent intermediate store is designed as a pressure store, the pressure store having a pressure source which is set up to deliver the reducing agent stored in the pressure store to the dosing element. A pressure accumulator makes it possible to dispense with an additional delivery element in order to deliver the reducing agent to the dosing element after a cold start of the internal combustion engine. In addition, the freezing point of the reducing agent is lowered when it is stored under pressure, so that the reducing agent only freezes at lower temperatures.
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.It is particularly preferred if the pressure reservoir is designed as a gas pressure reservoir, the gas pressure reservoir comprising a gas pressure chamber and a liquid reservoir for receiving the reducing agent, which are separated from one another by a membrane. By means of a gas pressure accumulator with a gas pressure space, a membrane and a liquid accumulator, a pressure accumulator can be formed in a constructive, simple and cost-effective manner, which allows the reducing agent to be temporarily stored. By separating the gas pressure chamber from the liquid accumulator by a membrane, the liquid can also expand when it freezes without damaging the pressure accumulator.
Alternativ kann am Reduktionsmittelzwischenspeicher auch ein zusätzliches Förderelement, insbesondere eine Pumpe, angeordnet sein, um das im Reduktionsmittelzwischenspeicher bevorratete Reduktionsmittel zum Dosierelement zu fördern.Alternatively, an additional conveying element, in particular a pump, can also be arranged on the reducing agent buffer store in order to convey the reducing agent stored in the reducing agent buffer store to the dosing element.
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.In an advantageous embodiment of the dosing system, it is provided that the reducing agent container is designed as a flexible container with a structure that can be changed as a function of the reducing agent volume stored in the reducing agent buffer store. It can thereby be ensured that the container of the reducing agent intermediate store is not damaged during filling and subsequent freezing of the reducing agent. Furthermore, it can be ensured that the reducing agent can be sucked out of the container without a conveying element sucking in air for conveying the reducing agent.
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.It is particularly preferred if the flexible container is made from a shape-memory material and/or has a shape-memory structure. A shape-memory material or a shape-memory structure ensures that the container returns to its original shape after deformation when the dosing system is correspondingly relieved.
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.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the reducing agent buffer store is connected to the reducing agent line via a connecting line, the connecting line opening into the reducing agent line at a branch downstream of the reducing agent feed pump and upstream of the dosing element. Due to the branching, the reducing agent buffer store has only one connection opening, as a result of which the sealing of the reducing agent buffer is facilitated. In addition, an additional degree of freedom is gained in the design of the exhaust gas aftertreatment system, since the connecting line simplifies the arrangement of the reducing agent buffer store near a hot component.
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.
- - starting the internal combustion engine,
- - Heating of the exhaust system and at least indirect thawing of the reducing agent in the reducing agent buffer store and in the reducing agent line between the reducing agent buffer store and the dosing element
- - Operating the dosing system in a first operating state, wherein the reducing agent stored in the reducing agent intermediate store is metered into the exhaust system of the internal combustion engine and the reducing agent in the reducing agent tank is heated in parallel, and
- - Operating the dosing system in a second operating state, wherein the reducing agent stored in the reducing agent tank is metered into the exhaust system.
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.The method according to the invention makes it possible to provide a small amount of reducing agent immediately after a cold start of the internal combustion engine and thus to bridge the period until the reducing agent in the reducing agent tank has thawed to such an extent that a continuous supply of the dosing element from the reducing agent tank is ensured. This means that the time from a cold start to when the dosing system is ready for operation can be shortened and nitrogen oxide emissions reduced.
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. In an advantageous embodiment of the method, it is provided that the reducing agent buffer store is filled with reducing agent after the reducing agent in the reducing agent tank and in the reducing agent feed pump has thawed.
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.It can thereby be ensured that the reducing agent buffer store is sufficiently filled with reducing agent when the internal combustion engine is restarted and that the dosing element can be supplied with liquid reducing agent from the reducing agent buffer store in a cold start phase.
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.In a further advantageous refinement of the method, it is provided that the reducing agent buffer store is filled with reducing agent when the internal combustion engine is requested to be switched off. When a switch-off request is made, the reducing agent is generally pumped out of the dosing element back into the reducing agent tank in order to prevent the dosing element from being damaged by freezing reducing agent. Alternatively, the reducing agent intermediate store can also be refilled with reducing agent at any time after the reducing agent in the reducing agent tank has thawed, in order to be sufficiently filled with reducing agent during a subsequent cold start.
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.A further partial aspect of the invention relates to an internal combustion engine with at least one combustion chamber, with an outlet of the internal combustion engine being connected to an exhaust system. At least one oxidation catalytic converter and one exhaust gas aftertreatment component downstream of the oxidation catalytic converter in the flow direction of an exhaust gas stream of the internal combustion engine are arranged in the exhaust system for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides. The internal combustion engine also includes a metering system for metering a reducing agent into an exhaust system of an internal combustion engine, comprising a reducing agent tank for storing the reducing agent, a reducing agent feed pump for conveying the reducing agent from the reducing agent tank to a metering element, and a reducing agent line, which connects an outlet of the reducing agent tank to the metering element. In this case, it is provided that a reducing agent buffer store is arranged downstream of the outlet and upstream of the dosing element in the conveying direction of the reducing agent. The reducing agent buffer store is at least indirectly heated by a component of the internal combustion engine or the exhaust system that heats up quickly after a cold start of the internal combustion engine.
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.Such an internal combustion engine enables a significant reduction in nitrogen oxide emissions during a cold start at cold ambient temperatures, in particular at temperatures below -5 °C, since the dosing system is ready for use immediately after a cold start and when the light-off temperature of the exhaust gas aftertreatment component is reached for selective, catalytic reduction can provide a sufficient quantity of reducing agent until the dosing element can be supplied by the reducing agent stored and thawed in the reducing agent tank.
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.It is preferred if the component that heats up quickly after a cold start of the internal combustion engine is an engine block or cylinder head of the Internal combustion engine, an exhaust manifold, a turbine of an exhaust gas turbocharger, an exhaust gas aftertreatment component or a starter generator, in particular a belt starter generator. The listed components heat up comparatively quickly after a cold start of the internal combustion engine, so that the heat from these components can be transferred to the reducing agent buffer store by thermal conduction, thermal radiation and/or convection. The reducing agent stored in the reducing agent buffer store can thus be thawed comparatively quickly and fed to the dosing element.
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.In an advantageous embodiment of the internal combustion engine, it is provided that an electric heating element or an exhaust gas burner for heating up at least one exhaust gas aftertreatment component is arranged on the exhaust system, with the heat introduced into the exhaust system by the electric heating element or the exhaust gas burner being transferred at least indirectly to the reducing agent buffer store in order to to liquefy the reducing agent stored in the reducing agent buffer store or to reduce the viscosity of the reducing agent. A large amount of energy is introduced into the exhaust system by an electric heating element for an exhaust gas aftertreatment component or by an exhaust gas burner in order to heat the exhaust gas aftertreatment component to its respective operating temperature as soon as possible after a cold start. If this heat is transferred at least indirectly to the reducing agent buffer store, then this can be heated by the electrical heating element or the exhaust gas burner and rapid thawing of the reducing agent can be ensured.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
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 Harnstofflösungmit 32,5% Harnstoffanteil; und -
6 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, wobei ein erfindungsgemäßes Dosiersystem vorgesehen ist, um Reduktionsmittel in die Abgasanlage einzubringen.
-
1 a first exemplary embodiment of a metering system according to the invention for metering a reducing agent into an exhaust system of an internal combustion engine; -
2 a second exemplary embodiment of a metering system according to the invention for metering in reducing agent; -
3 a further exemplary embodiment of a dosing system according to the invention for dosing reducing agent into the exhaust system of an internal combustion engine; -
4 a further exemplary embodiment of a dosing system according to the invention for introducing aqueous urea solution for a selective, catalytic reduction into an exhaust system of an internal combustion engine; -
5 a phase diagram of an aqueous urea solution with 32.5% urea content; and -
6 an internal combustion engine with an exhaust system, a dosing system according to the invention being provided in order to introduce reducing agents into the exhaust system.
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.The
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.The reducing
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 normal operation, ie when the reducing
In
In
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.The
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.Furthermore, an
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.The reducing
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.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 1616
- Einlassinlet
- 1818
- Auslass outlet
- 2020
- Abgasanlageexhaust system
- 2222
- Abgaskanalexhaust duct
- 2424
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- 2626
- Turbineturbine
- 2828
- Oxidationskatalysator oxidation catalyst
- 3030
- Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen ReduktionExhaust aftertreatment component for selective catalytic reduction
- 3232
- SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
- 3434
- Partikelfilter mit SCR-BeschichtungParticulate filter with SCR coating
- 3636
- Verzweigungbranch
- 3838
- Abgasmischer exhaust mixer
- 4040
- Dosiersystemdosing system
- 4242
- Reduktionsmitteltankreducing agent tank
- 4444
- Reduktionsmittelförderpumpereducing agent feed pump
- 4646
- Reduktionsmittelleitungreducing agent line
- 4848
- Dosierelement dosing element
- 5050
- Auslassoutlet
- 5252
- ReduktionsmittelzwischenspeicherReducing agent buffer
- 5454
- Verzweigungbranch
- 5656
- Verbindungsleitungconnection line
- 5858
- Druckspeicheraccumulator
- 6060
- Gasdruckspeichergas accumulator
- 6262
- Membranmembrane
- 6464
- Flüssigkeitsspeicherliquid storage
- 6666
- flexibler Behälterflexible container
- 6868
- Formgedächtnisstruktur shape memory structure
- 7070
- Niederdruckabgasrückführunglow-pressure exhaust gas recirculation
- 7272
- Abgasrückführungsleitungexhaust gas recirculation line
- 7474
- Riemen-Starter-GeneratorBelt starter generator
- 7676
- Riemenbelt
- 7878
- Getriebe transmission
- 8080
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 8282
- Zylinderkopfcylinder head
- 8484
- Kraftstoffhochdruckspeicherhigh-pressure fuel accumulator
- 8686
- Reduktionsmittelreducing agent
- 8888
- Druckquelle pressure source
- 9090
- Steuergerätcontrol unit
- 9292
- Recheneinheitunit of account
- 9494
- Speichereinheitstorage unit
- 9696
- maschinenlesbarer Programmcodemachine-readable program code
- 9898
- Gasdruckraum gas pressure room
- 100100
- elektrisches Heizelementelectric heating element
- 102102
- Abgasbrennerexhaust burner
- 104104
- Kraftstoffzufuhrfuel delivery
- 106106
- Luftzufuhrair supply
- 108108
- Brennkammer combustion chamber
- 110110
- Einleitstelledischarge point
- 112112
- Zündelementignition element
- 114114
- Abgasleitungexhaust pipe
- 116116
- Kraftstoffhochdruckpumpe high-pressure fuel pump
- II
- Zone I, Eis und KristalleZone I, Ice and Crystals
- IIII
- Zone II, Eis und LösungZone II, ice and solution
- IIIIII
- Zone III, LösungZone III, solution
- IVIV
- Zone IV, Lösung und Kristalle Zone IV, solution and crystals
- EE
- Eutektikumeutectic
- HH
- Harnstoffgehalt [%]Urea content [%]
- LL
- Liquiduslinieliquidus line
- SS
- Solidusliniesolidus line
- TT
- Temperatur [°C]Temperature [°C]
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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