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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung
für Verbrennungsmotoren,
die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, und insbesondere
auf eine solche Emissionssteuerungsvorrichtung, die mit einem SCR-System
(SCR: selektive katalytische Reduktion) verwendet werden kann, das
so gestaltet ist, dass es unter Verwendung eines Reduktionsmittels wie
einer wässrigen
Harnstofflösung
eine Abgasreinigungsreaktion einleitet.
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2. Stand der Technik
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In
letzter Zeit sind mit Harnstoff arbeitende SCR-Systeme entwickelt
worden, die als Abgasemissionssteuerungs vorrichtungen für Kraftfahrzeuge
arbeiten, um NOx-Emissionen
(NOx: Stickoxide) in Abgasen von insbesondere Dieselmotoren zu reduzieren.
Einige dieser Systeme sind bereits kommerzialisiert worden.
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Typische
mit Harnstoff arbeitende SCR-Systeme enthalten im Allgemeinen einen
SCR-Katalysator, ein Harnstofflösungseinspritzventil
und einen Harnstofflösungstank.
Der SCR-Katalysator
ist in einem vom Motor ausgehenden Auspuffrohr installiert. Das
Harnstofflösungseinspritzventil
befindet sich stromaufwärts
vom SCR-Katalysator, um wässrigen Harnstoff
(d. h. eine wässrige
Harnstofflösung)
als Reduktionsmittel in das Auspuffrohr einzuspritzen oder einzusprühen. In
dem Harnstofflösungstank
ist eine Pumpe installiert, die so arbeitet, dass sie dem Harnstofflösungseinspritzventil
die wässrige
Harnstofflösung über ein
Harnstofflösungsversorgungsrohr
zuführt.
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Wenn
die wässrige
Harnstofflösung
in das Auspuffrohr eingesprüht
wird, wird sie vom Abgas zum SCR-Katalysator getragen, so dass das
Abgas durch die auf dem SCR-Katalysator
stattfindende NOx-Reduktion gereinigt wird. Bei der Reduktion von NOx-Emissionen
wird die wässrige
Harnstofflösung durch
die thermische Energie des Abgases hydrolysiert, um Ammoniak (NH3) zu erzeugen, das wiederum den durch den
SCR-Katalysator selektiv adsorbierten NOx-Emissionen beigegeben wird, so dass die
NOx-Emissionen mit dem Ammoniak auf der Oberfläche des SCR-Katalysators reagieren
und in unschädliche
Produkte umgewandelt werden.
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Die
wässrige
Harnstofflösung
gefriert gewöhnlich
bei einer geringen Temperatur (z. B. –11°C) innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs
des mit Harnstoff arbeitenden SCR-Systems, so dass es schwierig ist, sie
als Reduktionsmittel zu verwenden. Um dieses Problem zu vermeiden,
schlägt
die
JP-A 2006-125331 ein
Kühlmittelkreislaufsystem
vor, das mit einem Kühlmittelkreislaufrohr
und einem in dem Kühlmittelkreislaufrohr
installierten Absperrventil ausgestattet ist und so arbeitet, dass
es das Absperrventil bei der Inbetriebnahme des Motors öffnet, um dem
Harnstofflösungstank
zum Auftauen der wässrigen
Harnstofflösung
ein Teil des Motorkühlmittels
zuzuführen,
damit die Verwendung der wässrigen
Harnstofflösung
zum Reduzieren der NOx-Emissionen ermöglicht wird.
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Allerdings
tritt das obige System erst nach dem Gefrieren der wässrigen
Harnstofflösung
in Funktion, arbeitet aber nicht so, dass das Gefrieren der wässrigen
Harnstofflösung
selbst vermieden wird. Wenn die wässrige Harnstofflösung gefriert, führt dies
gewöhnlich
dazu, dass ihr Volumen um 7% zunimmt, was zu einer physikalischen
Beschädigung oder
zu einem Bruch des Harnstofflösungsversorgungsrohrs
führen
kann.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands
der Technik zu vermeiden.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung
für Motoren
zu sorgen, die so gestaltet ist, dass sie Abgas durch Beigabe eines
Reduktionsmittels reinigt und ein Reduktionsmitteleinspritzventil
oder einen Reduktionsmittelversorgungsmechanismus vor einer physikalischen
Beschädigung
schützt,
die gewöhnlich
bei geringen Temperaturen auftritt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung
für einen
Motor wie einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor vorgesehen, mit: (a) einem
Abgas katalysator, der in einem von einem Motor ausgehenden Auspuffrohr
installiert ist; (b) einem Reduktionsmittelversorgungsmechanismus;
(c) einem Reduktionsmitteleinspritzelement, das in einem Abschnitt
des Auspuffrohrs stromaufwärts
vom Abgaskatalysator installiert ist und mit dem Reduktionsmittelversorgungsmechanismus
verbunden ist; und (d) einer Steuerung, die so arbeitet, dass sie
das Reduktionsmitteleinspritzelement öffnet, um das Reduktionsmittel,
das vom Reduktionsmittelversorgungsmechanismus in Form einer Flüssigkeit
zugeführt
wird, in das Auspuffrohr einzuspritzen, um in dem Abgaskatalysator
eine vorgegebene Abgasreinigungsreaktion einzuleiten. Die Steuerung überwacht
nach einem Halt des Motors eine Gefrierzustandsänderung, die eine Änderung von
einer flüssigen
zu einer festen Phase des Reduktionsmittels ist, das in einem Reduktionsmittelversorgungskreis
verbleibt, der den Reduktionsmittelversorgungsmechanismus und das
Reduktionsmitteleinspritzelement einschließt, und öffnet das Reduktionsmitteleinspritzelement
beruhend auf der überwachten
Gefrierzustandsänderung,
um das im Reduktionsmittelversorgungskreis verbliebene Reduktionsmittel
in das Auspuffrohr abzuleiten.
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Gewöhnlich ist
der Reduktionsmittelversorgungskreis nach dem Halt des Motors wie
auch während
des Betriebs des Motors mit dem Reduktionsmittel gefüllt. Das
in dem Reduktionsmittelversorgungskreis verbliebene Reduktionsmittel
kann bei kalten Witterungen gefrieren, was zu einer Zunahme seines
Volumens führt,
wodurch eine physikalische Beschädigung
des Reduktionsmittelversorgungsmechanismus oder des Reduktionsmitteleinspritzelements
herbeigeführt
wird. Um dieses Problem zu vermeiden, ist die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung
so gestaltet, dass sie das Reduktionsmitteleinspritzelement nach
dem Halt des Motors öffnet,
um das Reduktionsmittel in das Auspuffrohr freizugeben. Dies schützt den
Reduktionsmittelversorgungsmechanismus und das Reduktionsmitteleinspritzelement
vor der physikalischen Beschädigung,
so dass die Stabilität
beim Reinigen des Abgases sichergestellt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann die Steuerung nach dem Halt des Motors als die
Gefrierzustandsänderung
einen Gefrierübergang überwachen,
der ein Übergang
zum Gefrieren des in dem Reduktionsmittelversorgungskreis verbliebenen
Reduktionsmittels ist. Wenn festgestellt wird, dass sich das Reduktionsmittel
im Gefrierübergang
befindet, öffnet
die Steuerung das Reduktionsmitteleinspritzelement, um das Reduktionsmittel
in das Auspuffrohr abzuleiten.
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Die
Abgasemissionssteuerungsvorrichtung kann außerdem einen Temperatursensor
enthalten, der so arbeitet, dass er die Temperatur des im Reduktionsmittelversorgungskreis
verbliebenen Reduktionsmittels misst. Die Steuerung prüft die vom
Temperatursensor gemessene Temperatur des Reduktionsmittels, um
festzustellen, ob sich das Reduktionsmittel im Gefrierübergang
befindet oder nicht.
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Die
Abgasemissionssteuerungsvorrichtung kann außerdem einen Drucksensor enthalten,
der so arbeitet, dass er einen Druck des im Reduktionsmittelversorgungskreis
verbliebenen Reduktionsmittels misst. Die Steuerung kann alternativ
den vom Druckmesser gemessenen Druck des Reduktionsmittels prüfen, um
festzustellen, ob sich das Reduktionsmittel im Gefrierübergang
befindet oder nicht.
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Wenn
festgestellt wird, dass das im Reduktionsmittelversorgungskreis
verbliebene Reduktionsmittel in den Gefrierübergang gefallen ist, kann
die Steuerung das Reduktionsmitteleinspritzelement mehrmals in Folge öffnen.
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Der
von der Steuerung überwachte
Gefrierübergang
kann ein Übergang
von flüssig
zu fest sein, der einen Zustand der flüssigen Phase des Reduktionsmittels,
unmittelbar bevor das Reduktionsmittel zu gefrieren beginnt, und
einen Zustand der festen Phase, unmittelbar nachdem das Reduktionsmittel gefroren
ist, einschließt.
Wenn festgestellt wird, dass sich das im Reduktionsmittelversorgungskreis
verbliebene Reduktionsmittel gegenwärtig im Phasenübergang
von flüssig
zu fest befindet, öffnet
die Steuerung das Reduktionsmitteleinspritzelement.
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Nach
dem Halt des Motors kann die Steuerung zu einem vorgegebenen Zeitintervall
feststellen, ob sich das Reduktionsmittel im Gefrierübergang
befindet oder nicht. Nachdem das Reduktionsmitteleinspritzelement
geöffnet
wurde, um das im Reduktionsmittelversorgungskreis verbliebene Reduktionsmittel abzuleiten,
wird die Steuerung daran gehindert festzustellen, ob sich das Reduktionsmittel
im Gefrierübergang
befindet oder nicht.
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Die
Steuerung kann beim Halt des Motors die Außenlufttemperatur prüfen, um
einen erwarteten Zeitpunkt zu berechnen, wann die Temperatur des
im Reduktionsmittelversorgungskreis verbliebenen Reduktionsmittels
unter ein Bezugsniveau absinken wird, das beruhend auf einem Gefrierpunkt
des Reduktionsmittels gewählt
ist. Wenn der erwartete Zeitpunkt erreicht ist, beginnt die Steuerung
festzustellen, ob sich das Reduktionsmittel im Gefrierübergang befindet
oder nicht.
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Bei
oder unmittelbar nach dem Halt des Motors berechnet die Steuerung
einen erwarteten Zeitpunkt, wann das im Reduktionsmittelversorgungskreis
verbliebene Reduktionsmittel in einen Gefrierübergang fallen wird, der ein
als die Gefrierzustandsänderung
definierter Übergang
zu einem Gefrieren des Reduktionsmittels ist. Wenn der erwartete
Zeitpunkt erreicht ist, öffnet
die Steuerung das Reduktionsmitteleinspritzelement, um das im Reduktionsmittelversorgungskreis
verbliebene Reduktionsmittel in das Auspuffrohr abzuleiten.
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Die
Steuerung kann bei oder unmittelbar nach dem Halt des Motors die
Außenlufttemperatur prüfen, um
den erwarteten Zeitpunkt zu berechnen, wann das im Reduktionsmittelversorgungskreis
verbliebene Reduktionsmittel in dem Gefrierübergang fallen wird. Wenn der
erwartete Zeitpunkt erreicht ist, öffnet die Steuerung mehrmals
das Reduktionsmitteleinspritzelement.
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Unmittelbar
nach dem Halt des Motors kann die Steuerung außerdem das Reduktionsmitteleinspritzelement
ungeachtet der Gefrierzustandsänderung
in dem im Reduktionsmittelversorgungskreis verbliebenen Reduktionsmittel öffnen, wodurch
ein starker Anstieg beim Druck des Reduktionsmittelversorgungskreises
vermieden wird, der gewöhnlich
unmittelbar nach dem Halt des Motors auftritt.
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Das
Reduktionsmittel kann eine wässrige Harnstofflösung sein,
die Ammoniak erzeugt, um als die vorgegebene Abgasreinigungsreaktion
eine Reduktion von NOx-Emissionen einzuleiten, die in dem durch
das Auspuffrohr strömenden
Abgas enthalten sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung lässt
sich besser anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der
beigefügten
Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung verstehen, die jedoch nicht als Beschränkung der
Erfindung auf die bestimmten Ausführungsbeispiele verstanden
werden sollten, sondern nur der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
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Die
Zeichnungen zeigen Folgendes:
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1 ist
eine schematische Ansicht, die ein mit Harnstoff arbeitendes SCR-System
(SCR: selektive katalytische Reduktion) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Ablaufdiagramm eines Programms, das von dem mit Harnstoff arbeitenden SCR-System
von 1 auszuführen
ist, um nach einem Halt eines Motors eine in dem System verbliebene
wässrige
Harnstofflösung
in ein Auspuffrohr des Motors freizugeben;
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3 ist
eine grafische Darstellung, die einen Zusammenhang zwischen der
Temperatur und dem Druck einer wässrigen
Harnstofflösung
zeigt; und
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4 ist
eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen der Temperatur einer
wässrigen Harnstofflösung, dem
Druck der wässrigen
Harnstofflösung
und einem An/Aus-Betrieb eines Harnstofflösungseinspritzventils in dem
mit Harnstoff arbeitenden SCR-System von 1 zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Zeichnungen ist insbesondere in 1 ein mit
Harnstoff arbeitendes SCR-System (SCR: selektive katalytische Reduktion)
gemäß der Erfindung
gezeigt, das als eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung aufgebaut
ist, die NOx-Emissionen, die in einem Abgas von einem (nicht gezeigten) Kraftfahrzeug-Dieselmotor
enthalten sind, unter Verwendung eines selektiv reduzierenden Katalysators in
unschädliche
Produkte umwandelt.
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Das
mit Harnstoff arbeitende SCR-System enthält eine ECU (elektronische
Steuerungseinheit) 30, einen DPF (Dieselpartikelfilter) 12,
einen SCR-Katalysator (SCR: selektive katalytische Reduktion) 13,
ein Harnstofflösungseinspritzventil 15 und
einen Abgassensor 16.
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Der
DPF 12 und der SCR-Katalysator 13 befinden sich
in einem vom Dieselmotor ausgehenden Auspuffrohr 11. Das
Harnstofflösungseinspritzventil 15 ist
in einem Abschnitt des Auspuffrohrs 11 zwischen dem DPF 12 und
dem SCR-Katalysator 13 installiert.
Das Harnstofflösungseinspritzventil 15 wird im
Betrieb durch die ECU 30 so gesteuert, dass es als Reduktionsmittel
eine wässrige
Harnstofflösung in
das Auspuffrohr 11 einspritzt oder einsprüht. Das Auspuffrohr 11 besteht,
wie deutlich aus der Zeichnung hervorgeht, aus einer Vielzahl von
miteinander verbundenen Teilabschnitten.
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Der
Abgassensor 16 ist in dem Auspuffrohr 11 stromabwärts vom
SCR-Katalysator 13 installiert. In dem Abgassensor 16 ist
ein NOx-Sensor, der so arbeitet, dass er die Menge oder Konzentration
an NOx im Abgas misst, die den Grad darstellt, mit dem die NOx-Emissionen
durch den SCR-Katalysator 13 in
unschädliche
Produkte gereinigt oder umgewandelt worden sind, und ein Temperatursensor,
der so arbeitet, dass er die Temperatur des durch das Auspuffrohr 11 strömenden Abgases
misst, installiert. Stromabwärts
vom Auspuffrohr 11 kann eine Ammoniakentfernungsvorrichtung
(z. B. ein Oxidationskatalysator), der so arbeitet, dass er eine überschüssige Menge
an NH3 aus dem Abgas entfernt, und/oder
ein Ammoniaksensor, der so arbeitet, dass er die Menge an NH3 im Abgas misst, angeordnet sein.
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Der
DPF 12 ist ein kontinuierlich regenerativer Partikelfilter,
der so gestaltet ist, dass er im Abgas enthaltene Partikel einfängt. Der
DPF 12 trägt
in sich einen Oxidationskatalysator auf Platinbasis und hat die
Funktion, SOF (einen löslichen
organischen Anteil), HC (Kohlenwasserstoffe) und CO (Kohlenmonoxid),
die Bestandteile der Partikel sind, zu sammeln. Die in dem DPF 12 eingefangenen
Partikel werden durch eine typischerweise nach einer Haupteinspritzung
von Kraftstoff in den Dieselmotor erfolgende Nacheinspritzung von
Kraftstoff abgebrannt, wodurch eine kontinuierliche Verwendung des
DPF 12 ermöglicht
wird.
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Der
SCR-Katalysator 13 arbeitet so, dass er eine NOx-Reduktion vorantreibt,
indem er also zum Beispiel die unten stehenden Reduktionen einleitet. 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (1) 6HO2 + 8NH2 → 7N2 + 12H2O (2) NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 2H2O (3)
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Das
Ammoniak (NH3), das in den obigen Reduktionsformeln
als Reduktionsmittel für
die NOx-Reduktion verwendet wird, wird durch das Harnstofflösungseinspritzventil 15 zugeführt, das
sich stromaufwärts
vom SCR-Katalysator 13 befindet.
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Das
Harnstofflösungseinspritzventil 15 hat einen
bekannten Aufbau, der typischen Kraftstoffeinspritzelementen entspricht.
Genauer gesagt wird das Harnstofflösungseinspritzventil 15 durch
ein elektromagnetisches Ventil realisiert, das ein magnetbetätigtes Stellglied,
einen Harnstofflösungsweg
und eine Nadel enthält,
die gezielt ein Sprühloch 15a öffnet und
schließt.
Wenn das magnetbetätigte
Stellglied im Ansprechen auf den Eingang eines Ansteuerungssignals
von der ECU 30 mit Energie beaufschlagt wird, wird es für eine magnetische
Anziehung sorgen, die die Nadel zum Öffnen des Sprühlochs 15a bewegt, wodurch
die wässrige
Harnstofflösung
in das Auspuffrohr 11 eingespritzt wird.
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Das
Harnstofflösungseinspritzventil 15 wird von
dem Harnstofflösungstank 21 aus über ein
unten besprochenes Harnstofflösungsversorgungssystem mit
der wässrigen
Harnstofflösung
versorgt.
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Der
Harnstofflösungstank 21 besteht
aus einem hermetisch geschlossenen Behälter mit einer Füllkappe
und speichert in sich die wässrige
Harnstofflösung
in einer vorgewählten
Konzentration. Der Harnstofflösungstank 21 kann
mit einer Heizung ausgestattet sein oder mit einem thermischen Isolationsmaterial
wie einer adiabatischen Lage bedeckt sein, um das Gefrieren der
wässrigen
Harnstofflösung
zu vermeiden.
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Der
Harnstofflösungstank 21 weist
außerdem
eine Pumpe 22 auf, die innerhalb der wässrigen Harnstofflösung gehalten
wird. Die Pumpe 22 wird durch eine elektrisch angetriebene
Pumpe realisiert, die im Ansprechen auf ein Ansteuerungssignal von der
ECU 30 betätigt
wird. Der Harnstofflösungstank 21 ist
mit dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 über ein
Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 verbunden.
Bei Betätigung
pumpt und fördert
die Pumpe 22 die wässrige
Harnstofflösung über das
Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 zum
Harnstofflösungseinspritzventil 15.
Die Pumpe 22 kann alternativ in dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 außerhalb der
wässrigen
Harnstofflösung
im Harnstofflösungstank 21 angeordnet
sein.
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In
dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 sind
ein Harnstofflösungsfilter 24 und
ein Druckregelventil 25 installiert. Der Harnstofflösungsfilter 24 arbeitet
so, dass er aus der von der Pumpe 22 zugeführten wässrigen
Harnstofflösung
Fremdstoffe entfernt. Das Druckregelventil 25 arbeitet
so, dass es den Druck der wässrigen
Harnstofflösung,
aus der die Fremdstoffe gefiltert worden sind, regelt. Wenn eine überschüssige Menge
der wässrigen
Harnstofflösung
erzeugt wird, wird sie über
ein Rücklaufrohr 26 zum
Harnstofflösungstank 21 zurückgegeben. Das
Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 hat
in sich einen Drucksensor 27 und einen Temperatursensor 28 installiert.
Der Drucksensor 27 arbeitet so, dass er den Druck der wässrigen
Harnstofflösung
innerhalb des Harnstofflösungsversorgungsrohrs 23 misst.
Der Temperatursensor 28 arbeitet so, dass er die Temperatur
der wässrigen
Harnstofflösung
in dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 misst.
Der Harnstofflösungstank 21,
die Pumpe 22 und das Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 bilden
das Harnstofflösungsversorgungssystem.
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Die
ECU 30 ist mit einem typischen Mikrocomputer ausgestattet
und arbeitet so, dass sie den Betrieb des Harnstofflösungseinspritzventils 15 und anderer
Stellglieder steuert, um Abgasemissionssteuerungsaufgaben auszuführen.
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Genauer
gesagt steuert die ECU 30 die Einschaltdauer des Harnstofflösungseinspritzventils 15 und
den Betrieb der Pumpe 22, um die wässrige Harnstofflösung zu
einem gewählten
Zeitpunkt mit einer gewählten
Menge in das Auspuffrohr 11 einzusprühen. Die ECU 30 nimmt
die momentanen Ausgangssignale von dem Abgassensor 16,
dem Drucksensor 27, dem Temperatursensor 28, einem
Kühlmitteltemperatursensor 31 und
einem Außenlufttemperatursensor 32 auf.
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Während des
Betriebs des Motors arbeitet das mit Harnstoff arbeitende SCR-System
so, dass es die Pumpe 22 betätigt, um die wässrige Harnstofflösung aus
dem Harnstofflösungstank 21 über das Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 zum
Harnstofflösungseinspritzventil 15 zu
fördern
und sie in das Auspuffrohr 11 einzuspritzen. Beim Eintritt
in das Auspuffrohr 11 strömt die wässrige Harnstofflösung zusammen
mit dem Abgas zum SCR-Katalysator 13, um gemäß der unten
stehenden Gleichung die Reduktion von NOx auf dem SCR-Katalysator 13 einzuleiten,
wodurch das Abgas gereinigt wird. (NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2 (4)
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Und
zwar wird die wässrige
Harnstofflösung durch
die thermische Energie des Abgases hydrolysiert, so dass Ammoniak
(NH3) erzeugt wird, das wiederum den durch
den SCR-Katalysator selektiv adsorbierten NOx-Emissionen beigegeben
wird, so dass die NOx-Emissionen auf dem SCR-Katalysator gemäß den oben besprochenen Gleichungen
(1) bis (3) mit dem Ammoniak reagieren und in unschädliche Produkte
umgewandelt werden.
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Die
wässrige
Harnstofflösung,
die in dem mit Harnstoff arbeitenden SCR-Systemen als Reduktionsmittel
verwendet wird, gefriert gewöhnlich
bei einer niedrigen Temperatur von –11°C, was zu einer 7% Zunahme ihres
Volumens führt.
Nach einem Halt des Motors verbleibt die wässrige Harnstofflösung gewöhnlich in
dem Harnstoffversorgungssystem (d. h. in dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 und
dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 23).
Wenn diese zurückgebliebene
wässrige
Harnstofflösung
gefriert, so dass ihr Volumen zunimmt, kann sie eine Beschädigung des
Harnstofflösungseinspritzventils 15 oder des
Harnstofflösungsversorgungsrohrs 23 herbeiführen. Um
dieses Problem abzumildern ist das mit Harnstoff arbeitende SCR-System
dieses Ausführungsbeispiels
so gestaltet, dass es den gefrorenen Zustand der wässrigen
Harnstofflösung
nach dem Halt des Motors überwacht
und das Harnstofflösungseinspritzventil 15 zeitweise öffnet, wenn
erwartet wird, dass das Volumen der wässrigen Harnstofflösung zunimmt,
um die in dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 und
dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 verbliebene
wässrige
Harnstofflösung in
das Auspuffrohr 11 freizugeben, wodurch die physikalische
Beschädigung
des Harnstofflösungsversorgungssystems
vermieden wird, die durch das Gefrieren der wässrigen Harnstofflösung entsteht.
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2 ist
ein Ablaufdiagramm mit einer Abfolge logischer Schritte oder ein
Programm, das von der ECU 30 ausgeführt wird, um die nach dem Halt
des Motors im Harnstofflösungsversorgungssystem
verbliebene wässrige
Harnstofflösung
abzuleiten.
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In
der ECU 30 ist eine Haltezeituhr installiert, die die Zeit
zählt,
die seit dem Halt des Motors verstrichen ist, und jedes Mal das
Programm von 2 auslöst, wenn eine gewählte Zeitdauer
(z. B. von zehn bis mehreren zehn Minuten) nach dem Halt des Motors
abgelaufen ist.
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Nach
dem Start des Programms geht die Routine zu Schritt 11,
in dem festgestellt wird, ob der Motor gegenwärtig anhält oder nicht. Falls die Antwort
JA erhalten wird, dann geht die Routine zu Schritt 12,
in dem festgestellt wird, ob ein Harnstofflösungsfreigabeerfordernis erfüllt ist
oder nicht, um zu entscheiden, ob die Möglichkeit besteht, dass die in
dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 oder
dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 30 verbliebene wässrige Harnstofflösung gefriert
oder nicht. Zum Beispiel überwacht
und speichert die ECU 30 beim Halt des Motors die von dem Außenlufttemperatursensor 32 gemessene
Außenlufttemperatur
und vergleicht sie mit einem vorgegebenen Bezugswert (z. B. 0°C). Wenn
die Außenlufttemperatur
kleiner als oder gleich hoch wie der Bezugswert ist, stellt die ECU 30 fest,
dass eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die wässrige Harnstofflösung gefriert
und dass das Harnstofflösungsfreigabeerfordernis
erfüllt ist.
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Wenn
im Schritt 12 die Antwort JA erhalten wird, dann geht die
Routine zu Schritt 13, in dem festgestellt wird, ob die
Freigabe der in dem Harnstofflösungsversorgungssystem
verbliebenen wässrigen Harnstofflösung bereits
beendet ist oder nicht. Zum Beispiel überprüft die ECU 30 ein
Harnstofflösungsfreigabeflag
und entscheidet, dass die Freigabe der wässrigen Harnstofflösung bereits
beendet ist, wenn das Harnstofflösungsfreigabeflag
gesetzt ist. Falls in einem der Schritte 11 bis 13 die
Antwort NEIN erhalten wird, dann endet die Routine.
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Falls
die Antwort JA erhalten wird, dann fährt die Routine mit Schritt 14 fort,
in dem die Temperatur der in dem Harnstofflösungsversorgungssystem verbliebenen
wässrigen
Harnstofflösung
durch Prüfen eines
Ausgangssignals des im Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 installierten
Temperatursensors 28 festgestellt wird. Diese Feststellung
kann alternativ mit Hilfe eines Ausgangssignals eines (nicht gezeigten)
im Harnstofflösungseinspritzventil 15 installierten
Temperatursensors, des im Auspuffrohr 11 installierten
Abgassensors 16, des Kühlmitteltemperatursensors 31 oder
des Außenlufttemperatursensors 32 oder
auf eine andere bekannte Weise erfolgen.
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Die
Routine fährt
mit Schritt 15 fort, in dem beruhend auf der im Schritt 14 festgestellten
Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
festgestellt wird, ob das Harnstofflösungs einspritzventil 15 geöffnet werden
sollte oder nicht. Und zwar analysiert die ECU 30 die Temperatur
der wässrigen
Harnstofflösung,
um festzustellen, ob sich die in dem Harnstofflösungsversorgungssystem verbliebene
wässrige Harnstofflösung gegenwärtig im Übergang
zu ihrem Gefrieren (was eine flüssige
Phase unmittelbar vor dem Gefrieren der wässrigen Harnstofflösung bis
zu einer festen Phase unmittelbar nach dem Gefrieren der wässrigen
Harnstofflösung
einschließt)
befindet oder nicht. Wenn die im Schritt 14 festgestellte
Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
höher als
ein Gefrierbereich ist, stellt die ECU 30 fest, dass sich
die wässrige
Harnstofflösung
nicht im Übergang
zum Gefrieren befindet, und muss das Harnstofflösungseinspritzventil 15 nicht
geöffnet
werden. Wenn die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung dagegen innerhalb
des Gefrierbereichs liegt, stellt die ECU 30 fest, dass
sich die wässrige
Harnstofflösung
gegenwärtig
im Übergang
zum Gefrieren befindet, und ist das Harnstofflösungseinspritzventil 15 zu öffnen. Im ersten
Fall fährt
die Routine mit Schritt 18 fort. Im zweiten Fall fährt die
Routine mit Schritt 16 fort. Der Gefrierbereich kann um
den Gefrierpunkt (–11°C) der wässrigen
Harnstofflösung
herum gewählt
werden und ist in diesem Ausführungsbeispiel
auf –11°C ± 5°C festgelegt.
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Im
Schritt 16 wird das Harnstofflösungseinspritzventil 15 für eine gewählte Zeitdauer
geöffnet. Die
Routine fährt
mit Schritt 17 fort und wartet für eine gewählte Zeitdauer. Die Routine
kehrt dann zu Schritt 14 zurück und stellt erneut die Temperatur
der wässrigen
Harnstofflösung
fest. Wenn die Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
nicht in den Gefrierbereich gefallen ist oder unter den Gefrierbereich
gesunken ist, wird im Schritt 15 die Antwort NEIN erhalten.
Die Routine fährt
dann mit Schritt 18 fort, in dem festgestellt wird, ob
das Harnstofflösungseinspritzventil 15 bereits
geöffnet
worden ist, um nach dem letzten Einschalten der ECU 30 die
zurückgebliebene wässrige Harnstofflösung in
das Auspuffrohr 11 freizugeben, oder nicht. Falls festgestellt
wird, dass die Freigabe der wässrigen
Harnstofflösung
abgeschlossen ist, fährt
die Routine mit Schritt 19 fort, in dem das Harnstofflösungsfreigabeflag
gesetzt wird. Das Harnstofflösungsfreigabeflag
wird kontinuierlich in einem Backup-RAM gehalten, um bei einer anschließenden Inbetriebnahme
des Motors (d. h. einem anschließenden Einschalten des Zündschalters)
gelöscht
zu werden.
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Sobald
das Harnstofflösungsfreigabeflag
gesetzt ist, wird im Schritt 13 die Antwort NEIN erhalten, um
die ECU 30 daran zu hindern, die Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
festzustellen und das Harnstofflösungseinspritzventil 15 zu öffnen, wodurch
ein unnötiger
Betrieb der ECU 30 nach einem anschließenden Start von ihr ausgeschlossen
wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 werden
nun die Änderungen
der Temperatur und des Drucks der wässrigen Harnstofflösung nach
dem Halt des Motors beschrieben. 3 stellt
den Fall dar, dass die oben beschriebene Freigabe der wässrigen Harnstofflösung nicht
erfolgt. 4 stellt den Fall dar, dass
die Freigabe der wässrigen
Harnstofflösung
erfolgt. Die in den 3 und 4 dargestellten Änderungen
der Temperatur und des Drucks der wässrigen Harnstofflösung werden
beispielhaft unter der Annahme gezeigt, dass die Außenluft
nach einem Halt eines Motors, der in einem Fahrzeug eingebaut ist,
das bei kalter Witterung verwendet wird, auf eine äußerst geringe
Temperatur (von z. B. ungefähr –15°C) absinkt
und die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung im
Fall der 3 und 4 mit der gleichen
Geschwindigkeit abnimmt.
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In 3 sinkt
die Temperatur der in dem Harnstofflösungsversorgungssystem (z.
B. in dem Harnstofflösungseinspritzventil 15)
verbliebenen wässrigen
Harnstofflösung
nach dem Halt des Motors abhängig
von der Außenlufttemperatur
ab. Die wässrige
Harnstofflösung
erreicht den Gefrierpunkt (–11°C) zu einem
Zeitpunkt t1 und bleibt bis zum Zeitpunkt t2, so wie sie ist. Vor
dem Zeitpunkt t1 befindet sich die wässrige Harnstofflösung in
der flüssigen Phase.
Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 befindet sich die wässrige Harnstofflösung im
Gefrierübergang,
so dass der Druck der wässrigen
Harnstofflösung
unter einer Volumenzunahme ansteigt. Nachdem die wässrige Harnstofflösung vollständig gefroren
ist, so dass sie sich in der festen Phase befindet, beginnt ihre
Temperatur erneut abzusinken.
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Der
Anstieg des Drucks (d. h. des Volumens) der wässrigen Harnstofflösung beim
Gefrierübergang von
der flüssigen
Phase zur festen Phase kann zu einer physikalischen Beschädigung des
Harnstofflösungseinspritzventils 15 oder
des Harnstofflösungsversorgungsrohrs 23 führen.
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Um
die obige Beschädigung
auszuschließen, öffnet die
ECU 30, wie in 4 zu erkennen ist, zwischen
den Zeitpunkten t11 und t14 (d. h. bei einem Phasenübergang
der wässrigen
Harnstofflösung),
wo die Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
innerhalb des Gefrierbereichs von –11°C ± 5°C liegt, mehrmals das Harnstofflösungseinspritzventil 15,
wodurch der Druck der wässrigen
Harnstofflösung
in dem Harnstofflösungsversorgungssystem gesenkt
wird. Das Intervall zwischen den Zeitpunkten t12 und t13 entspricht
der Dauer, während
der die Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
beim Gefrierpunkt gehalten wird (entspricht den Zeitpunkten t1 bis
t2 in 3). In 4 wird die Änderung des Drucks der wässrigen
Harnstofflösung
bei Freigabe in das Auspuffrohr 11 durch eine durchgezogene
Linie angegeben, während
sie bei nicht erfolgender Freigabe in das Auspuffrohr 11 durch
eine Strich-Punkt-Linie angegeben wird.
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Und
zwar stellt die ECU 30 zum Zeitpunkt t1 fest, dass die
Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
in den Gefrierbereich gefallen ist, und öffnet dann für eine vorgegebene
Zeitdauer das Harnstofflösungseinspritzventil 15.
Dies führt
dazu, dass die in dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 und
dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 verbliebene wässrige Harnstofflösung vom
Sprühloch 15a des Harnstofflösungseinspritzventils 15 in
das Auspuffrohr 11 eingespritzt wird, so dass sich der
Druck der wässrigen
Harnstofflösung
auf das Atmosphärenniveau
verringert. Nach dem Zeitpunkt t1 öffnet die ECU 30 das
Harnstofflösungseinspritzventil 15 zu
einem gewählten
Zeitintervall TA (periodische Ausführung einer Abfolge der Schritte 14 bis 17 in 2)
für eine
kurze Zeitdauer, um den Druck der wässrigen Harnstofflösung auf
das Atmosphärenniveau
abzusenken. Dies führt
dazu, dass die Volumenzunahme der wässrigen Harnstofflösung, die
durch ihr Gefrieren entsteht, aus dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 freigegeben
wird, wodurch die Beschädigung
des Harnstofflösungseinspritzventils 15 und
des Harnstofflösungsversorgungsrohrs 23 vermieden
wird.
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Während der
Pause des Motors wird die ECU 30 zu einem vorgegebenen
Zeitintervall eingeschaltet und überwacht
die Temperatur der zurückgebliebenen
wässrigen
Harnstofflösung.
Daher wird das Harnstofflösungseinspritzventil 15 nicht
immer unmittelbar dann geöffnet,
wenn die Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung
in den Gefrierbereich fällt. Wenn
die Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung beim Einschalten
der ECU 30 innerhalb des Gefrierbereichs liegt, öffnet die
ECU 30 das Harnstofflösungseinspritzventil 15.
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Das
mit Harnstoff arbeitende SCR-System dieses Ausführungsbeispiels bietet die
folgenden Vorteile.
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Nachdem
der Motor angehalten hat, stellt die ECU 30 fest, ob sich
die zurückgebliebene
wässrige Harnstofflösung im
Gefrierübergang
befindet oder nicht. Falls diese Feststellung positiv ist, öffnet die ECU 30 für eine kurze
Zeitdauer das Harnstofflösungseinspritzventil 15,
wodurch die Beschädigung des
Harnstofflösungseinspritzventils 15 oder
des Harnstofflösungsversorgungsrohrs 24 minimiert
wird, die durch eine Volumenzunahme der zurückgebliebenen wässrigen
Harnstofflösung
entsteht. Dies stellt die Stabilität beim Einsprühen der
wässrigen
Harnstofflösung
in das Auspuffrohr 11 sicher, so dass das Abgas ungeachtet
der Außenlufttemperatur
gereinigt wird.
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Die
ECU 30 ist so gestaltet, dass sie das Harnstofflösungseinspritzventil 15 nach
dem Halt des Motors während
des Gefrierübergangs
mehrmals periodisch öffnet,
wodurch das Ableiten der zurückgebliebenen
wässrigen
Harnstofflösung
ermöglicht wird,
während
die zurückgebliebene
wässrige
Harnstofflösung
gefriert. Dies führt
dazu, dass eine Volumenzunahme der wässrigen Harnstofflösung, die durch
ihr Gefrieren entsteht, von dem Harnstofflösungsversorgungssystem freigegeben
wird.
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Die
ECU 30 ist so gestaltet, das sie das Harnstofflösungseinspritzventil 15 öffnet, wenn
die Temperatur der zurückgebliebenen
wässrigen
Harnstofflösung
in den Gefrierbereich von –11°C ± 5°C (d. h.
einen Phasenübergangstemperaturbereich
von flüssig
zu fest) gefallen ist. Und zwar arbeitet die ECU 30 so,
dass sie das Harnstofflösungs einspritzventil 15,
von dann, wenn sich die wässrige
Harnstofflösung
unmittelbar vor ihrem Gefrieren in der flüssigen Phase befindet, bis
dann, wenn sich die zurückgebliebene
wässrige
Harnstofflösung
unmittelbar nach ihrem Gefrieren in der festen Phase befindet, öffnet, wodurch
die Freigabe einer Volumenzunahme der wässrigen Harnstofflösung, die
durch ihr Gefrieren entsteht, gewährleistet wird. Gewöhnlich ist
es schwierig, korrekt die Tatsache zu erkennen, dass sich die wässrige Harnstofflösung im
Gefrierzustand befindet, doch arbeitet die ECU 30 so, dass
sie auch dann, wenn es einen kleinen Fehler beim Erkennen des Gefrierübergangs
gibt, wie gewünscht
eine Volumenzunahme der zurückgebliebenen
wässrigen Harnstofflösung ableitet.
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Nach
Beendigung der Freigabe der wässrigen
Harnstofflösung
aus dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 wird
die ECU 30 daran gehindert, erneut die Temperatur der wässrigen
Harnstofflösung festzustellen
und das Harnstofflösungseinspritzventil 15 zu öffnen, wodurch
ein unnötiger
Betrieb der ECU 30 nach einem anschließenden Start von ihr ausgeschlossen
wird und während
der Pause des Motors die von einer im Fahrzeug befindlichen Batterie
verbrauchte elektrische Energie eingespart wird.
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Das
mit Harnstoff arbeitende SCR-System kann wie unten besprochen abgewandelt
werden.
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Die
ECU 30 kann alternativ so gestaltet sein, dass sie nach
dem Halt des Motors den Druck der zurückgebliebenen wässrigen
Harnstofflösung überprüft, um festzustellen,
ob sich die wässrige
Harnstofflösung
gegenwärtig
im Gefrierübergang
befindet oder nicht. Die Volumenzunahme der wässrigen Harnstofflösung wird
während
des Gefrierübergangs gewöhnlich zu
einer Druckänderung
von ihr führen. Die Feststellung,
ob sich die wässrige
Harnstofflösung
im Gefrierübergang
befindet oder nicht, kann somit erfolgen, indem unter Verwendung
eines Ausgangssignals des in dem Harnstofflösungsversorgungsrohr 23 installierten
Drucksensors 27 eine Druckänderung der wässrigen
Harnstofflösung
gemessen wird.
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Die
ECU 30 kann auch so gestaltet sein, dass sie beim Halt
des Motors die Außenlufttemperatur überwacht
und einen erwarteten Zeitpunkt berechnet, wann die Temperatur der
zurückgebliebenen
wässrigen
Harnstofflösung
unter ein Bezugsniveau (z. B. den Gefrierpunkt der wässrigen
Harnstofflösung
plus 10°C)
fällt,
um festzustellen, ob sich die wässrige
Harnstofflösung
im Gefrierübergang
befindet oder nicht, wenn der erwartete Zeitpunkt erreicht ist.
Die ECU 30 analysiert zum Beispiel die Außenlufttemperatur
oder die Motorkühlmitteltemperatur
(d. h. den Aufwärmzustand
des Motors) und schätzt, dass
die Temperatur der zurückgebliebenen
wässrigen
Harnstofflösung
vier oder fünf
Stunden nach dem Halt des Motors unter das Bezugsniveau absinken wird.
Wenn dieser Zeitpunkt erreicht ist, wird die ECU 30 erneut
eingeschaltet. Die ECU 30 stellt die Temperatur der zurückgebliebenen
wässrigen
Harnstofflösung
fest und öffnet
das Harnstofflösungseinspritzventil 15.
Mit anderen Worten wird die ECU 30 nur zu einem Zeitpunkt
betätigt,
wenn erwartet wird, dass die zurückgebliebene
wässrige
Harnstofflösung
den Zeitpunkt des Gefrierübergangs
bald erreicht, was zu einer Einsparung an elektrischer Energie in
der ECU 30 führt.
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Die
ECU 30 kann auch so gestaltet sein, dass sie bei oder unmittelbar
nach dem Halt des Motors beruhend auf der Außenluft- oder Motorkühlmitteltemperatur,
die beim Halt des Motors gemessen wird, eine erwartete Zeitdauer
berechnet, wann die zurückgebliebene
wässrige
Harnstoff lösung
den Zeitpunkt des Gefrierübergangs
erreichen wird. Wenn der erwartete Zeitpunkt erreicht ist, wird
die ECU 30 eingeschaltet und öffnet das Harnstofflösungseinspritzventil 15,
um die wässrige
Harnstofflösung
freizugeben, ohne die Temperatur der zurückgebliebenen wässrigen
Harnstofflösung
zu überwachen.
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Unmittelbar
nach dem Halt des Motors bleibt der Druck der wässrigen Harnstofflösung gewöhnlich in
dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 und
wird höher
als der Atmosphärendruck.
Dies führt
dazu, dass der Druck in dem Harnstofflösungseinspritzventil 15 auf
ein äußerst hohes
Niveau ansteigt, was zu einer hohen Wahrscheinlichkeit eines Bruchs
des Harnstofflösungseinspritzventils 15 führt. Um
dieses Problem abzumildern, kann die ECU 30 so gestaltet sein,
dass sie das Harnstofflösungseinspritzventil 15 unmittelbar
nach dem Halt des Motors ungeachtet dessen, ob sich die zurückgebliebene
Harnstofflösung
im Gefrierübergang
befindet oder nicht, öffnet, um
den Druck darin freizugeben.
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Wenn
festgestellt wird, dass sich die zurückgebliebene wässrige Harnstofflösung im
Gefrierübergang
befindet, öffnet
die ECU 30 mehrmals zu einem regelmäßigen Intervall das Harnstofflösungseinspritzventil 15,
doch kann sie auch so gestaltet sein, dass sie das Intervall, zu
dem das Harnstofflösungseinspritzventil 15 geöffnet werden
soll, ändert
oder allmählich
verkürzt.
Die ECU 30 kann alternativ so gestaltet sein, dass sie
das Harnstofflösungseinspritzventil 15 nach
dem Halt des Motors nur einmal öffnet.
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Die
ECU 30 kann auch so gestaltet sein, dass sie nach dem Halt
des Motors ausgeschaltet bleibt, damit das Harnstofflösungseinspritzventil 15 nicht
geöffnet
wird, wenn die Außenlufttemperatur höher als
oder gleich hoch wie ein ausgewählter
Wert (z. B. 0°C)
ist oder wenn Sommer ist.
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Das
Harnstofflösungseinspritzventil 15 kann so
aufgebaut sein, dass es einer Luftunterstützungsbauart entspricht. Zum
Beispiel kann dem Kraftstofflösungseinspritzventil 15 in
dem Kraftstofflösungsversorgungssystem
die Luft zugeführt
werden, die durch einen im Fahrzeug installierten Luftverdichter verdichtet
worden ist, um die wässrige
Harnstofflösung
zu zerstäuben
und in das Auspuffrohr 11 einzuspritzen. Schwerlaster sind
typischer Weise mit einer Luftquelle zum Einstellen des Bremsdrucks
ausgestattet. Dieser Luftdruck kann zur Betätigung des Harnstofflösungseinspritzventils 15 verwendet
werden.
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Das
mit Harnstoff arbeitende SCR-System kann auch bei anderen Motoren
als Dieselmotoren, etwa bei Benzinmotoren (d. h. Funkenzündungsmotoren),
verwendet werden. Das mit Harnstoff arbeitende SCR-System kann auch
so gestaltet sein, dass es ein anderes Reduktionsmittel als Harnstoff
verwendet.
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Die
Erfindung ist zwar anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen offenbart
worden, um das Verständnis
zu erleichtern, doch versteht sich, dass die Erfindung auf verschiedene
Weise ausgeführt werden
kann, ohne vom Erfindungsprinzip abzuweichen. Die Erfindung sollte
daher so verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsbeispiele und
Abwandlungen der gezeigten Ausführungsbeispiele
einschließt,
in die sie ausgeführt
werden kann, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindungsprinzip
abzuweichen.
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Eine
Abgasemissionssteuerungsvorrichtung für einen Motor ist mit einem
Reduktionsmitteleinspritzelement ausgestattet, dass so arbeitet,
dass es ein Reduktionsmittel wie eine wässrige Harnstofflösung in
ein Auspuffrohr des Motors einspritzt, um eine vorgegebene Abgasreinigungsreaktion
in einem im Auspuffrohr installierten Abgaskatalysator herbeizuführen. Die
Vorrichtung überwacht
nach einem Halt des Motors einen Gefrierübergang des in der Vorrichtung
verbliebenen Reduktionsmittels und öffnet das Reduktionsmitteleinspritzelement,
um das Reduktionsmittel in das Auspuffrohr abzuleiten, wodurch eine
physikalische Beschädigung
des Reduktionsmitteleinspritzelements usw. vermieden wird, die durch
das Gefrieren des Reduktionsmittels entsteht.