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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls,
welches zusammen mit einem SCR-Steuergerät Teil einer SCR-Einrichtung
zur Zuführung eines Reduktionsmittels zu einem Abgas zur
selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas
ist, wobei dem SCR-Pumpenmodul ein Pumpenmotor zum Antrieb einer
Pumpe, eine Motorsteuerelektronik zur Steuerung des Pumpenmotors
und ein ohmsches Widerstandsheizelement zur elektrischen Beheizung des
SCR-Pumpenmoduls zugeordnet sind und wobei das SCR-Steuergerät über
eine Steuerleitung mit der Motorsteuerelektronik verbunden ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Beheizung eines SCR-Pumpenmoduls,
welches zusammen mit einem SCR-Steuergerät eine SCR-Einrichtung
zur Zuführung eines Reduktionsmittels zu einem Abgas zur
selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas
bildet, wobei dem SCR-Pumpenmodul ein Pumpenmotor zum Antrieb einer
Pumpe, eine Motorsteuerelektronik zur Steuerung des Pumpenmotors
und ein ohmsches Widerstandsheizelement zur elektrischen Beheizung des
SCR-Pumpenmoduls zugeordnet sind und wobei die Steuerung der Motorsteuerelektronik
durch das SCR-Steuergerät über eine Steuerleitung
erfolgt.
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Im
Zusammenhang mit künftigen gesetzlichen Vorgaben bezüglich
der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine entsprechende
Abgasnachbehandlung erforderlich. Die selektive katalytische Reduktion
(SCR) kann zur Verringerung der NOx-Emission (Entstickung) von Verbrennungsmotoren,
insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend
magerem, d. h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei
wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktions mittels
zugegeben. Dies kann beispielsweise in Form von Ammoniak sein, welches
direkt gasförmig zudosiert wird oder auch aus einer Vorläufersubstanz in
Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung
(HWL) gewonnen wird.
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In
der
DE 10139142 A1 ist
ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben,
bei dem zur Verringerung der NOx-Emission ein SCR-Katalysator eingesetzt
ist, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem Reagenzmittel
Ammoniak zu Stickstoff reduziert. Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts
vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus einer
Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator
setzt den in der HWL enthaltenen Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid
um. In einem zweiten Schritt reduziert das Ammoniak die Stickoxide
zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Der genaue
Ablauf ist in der Fachliteratur hinreichend beschrieben worden (vgl.
WEISSWELLER
in CIT (72), Seite 441–449, 2000). Die HWL wird
in einem Reagenzmitteltank bereitgestellt.
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Neben
dem Einsatz bei Brennkraftmaschinen wird die Entstickung von Abgasen
durch eine selektive katalytische Reaktion auch bei außenmotorischen
Anwendungen, beispielsweise in Industrieabgasen oder in Abgasen
von Verbrennungsanlagen, eingesetzt.
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Nachteilig
bei dem Einsatz einer Harnstoff-Wasser-Lösung zur Gewinnung
des benötigten Ammoniaks ist, dass die Harnstoff-Wasser-Lösung bei
niedrigen Temperaturen gefriert. So zeigt eine für Kraftfahrzeuge üblicherweise
verwendete 32%ige Harnstoff-Wasser-Lösung mit dem Markennamen AdBlue
einen Gefrierpunkt von –11°C.
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Daher
müssen SCR-Pumpenmodule, welche zur Dosierung der flüssigen
HWL in das Abgas vorgesehen sind, beheizt sein. Die verwendete Heizung
muss eine möglichst hohe Heizleistung aufweisen, um auch
bei Temperaturen bis zu –40°C die im SCR-Pumpenmodul
gefrorene HWL innerhalb möglichst kurzer Zeit auftauen
und anschließend dauerhaft eine minimale Temperatur von
ungefähr –8°C in dem SCR-Pumpenmodul
gewährleisten zu können. Dabei muss die Heizung
eigensicher sein, das heißt, sie darf nicht durch Überhitzung
sich selbst oder andere Komponenten des SCR-Pumpenmoduls beschädigen
oder zerstören. Diese Eigensicherheit muss auch dann gewährleistet
sein, wenn die Heizung außerhalb der Betriebsspezifikation
verwendet wird, beispielsweise verursacht durch einen Fehler in der
Ansteuerung.
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Heute
werden überwiegend elektrische Heizungen zur Beheizung
von SCR-Pumpenmodulen verwendet. Als Heizelemente werden PTC-Elemente oder
ohmsche Widerstandsheizelemente eingesetzt.
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PTC-Elemente
zeigen gegenüber ohmschen Widerstandsheizelementen den
Vorteil einer sich selbst regelnden Temperatur und gewährleisten
so, dass das SCR-Pumpenmodul nicht überhitzt werden kann.
Nachteilig bei PTC-Elementen ist, dass keine gezielte Regelung möglich
ist, dass sich die Heizleistung selbstständig nach einer
bestimmten Einschaltdauer reduziert und dass ein hoher Spitzen-Einschaltstrom
auftritt. Dabei führt die Reduzierung der Heizleistung
zu einer verlängerten Aufheizdauer. Weiterhin sind die
hohen Bauteilkosten sowie die hohen Toleranzen der Heizleistung
von bis zu +/– 30% nachteilig.
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Im
Vergleich dazu sind ohmsche Widerstandsheizelemente deutlich kostengünstiger.
Sie zeigen eine geringe Toleranz bezüglich der Heizleistung
und weisen keinen Spitzen-Einschaltstrom auf, sondern einen gleichbleibenden
Strom bei gleichbleibender Heizleistung über die gesamte
Einschaltdauer. Weiterhin können ohmsche Widerstandsheizelemente
geometrisch klein ausgelegt werden und sie können in ihrer
Bauform an die Einbaubedingungen in dem SCR-Pumpenmodul angepasst
werden.
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Nachteilig
bei ohmschen Widerstandsheizelementen ist, dass keine Selbstregelung
der Temperatur erfolgt, dass die ohmschen Widerstandsheizelemente
also von sich aus nicht eigensicher sind. Es muss eine zusätzliche
Temperaturüberwachung mit einer entsprechenden Regelung
in Form einer elektronischen Schaltung sowie zusätzlichen
Bauteilen vorgesehen werden, um eine Überhitzung des Widerstandsheizelements
und der zu beheizenden Komponenten zu verhindern.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen,
welche ein schnelles Auftauen und Aufheizen der Harnstoff-Wasser-Lösung
in einem SCR-Pumpenmodul bei gleichzeitig eigensicherem Betrieb
und geringen Bauteilkosten ermöglichen.
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Vorteile der Erfindung
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass das Widerstandsheizelement thermisch mit einem Temperatursensor
gekoppelt ist, dass der Temperatursensor mit der Motorsteuerelektronik
verbunden ist, dass eine Übertragung der Temperaturinformation
des Temperatursensors von der Motorsteuerelektronik an das SCR-Steuergerät über
die Steuerleitung vorgesehen ist und dass in dem SCR-Steuergerät
eine Pumpenmodul-Heizungssteuerung zur Regelung oder Steuerung des
Widerstandsheizelements vorgesehen ist.
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Die
Vorrichtung ermöglicht so die Beheizung des SCR-Pumpenmoduls über
ein ohmsches Widerstandsheizelement mit den gegenüber einer
Beheizung mit einem PTC-Element genannten Vorteilen der geringen
Bauteilkosten, der anpassbaren und kleinen Bauformen, den geringen
Toleranzen bezüglich der Heizleistung sowie der gleichbleibenden Heizleistung über
die gesamte Einschaltdauer. Über den thermisch gekoppelten
Temperatursensor kann die Temperatur des Widerstandsheizelements
erfasst und überwacht werden, was die geforderte Eigensicherheit
mit Bezug auf eine mögliche Überhitzung des SCR-Pumpenmoduls
beziehungsweise daran anschließender Bauteile ermöglicht.
Da die Temperaturinformation des Temperatursensors der zur Ansteuerung
des Pumpenmotors ohnehin vorzusehenden Motorsteuerelektronik zugeführt
ist, kann dort mit geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand die
Erfassung des Temperatursignals erfolgen und es muss dazu keine
gesonderte Elektronik vorgesehen werden. Die Steuerung des Widerstandsheizelements
erfolgt über die Pumpenmodul-Heizungssteuerung. Da diese
in dem SCR-Steuergerät umgesetzt ist, wird auch hierzu
keine gesonderte Elektronik benötigt. Zur Übertragung
der Temperaturinformation von der Motorsteuerelektronik zu dem SCR-Steuergerät
wird die in bekannten Systemen ebenfalls schon vorhandene SCR-Steuerleitung
verwendet, so dass keine Kosten für eine zusätzliche
Verkabelung zwischen dem Temperatursensor und dem SCR-Steuergerät
anfallen.
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Durch
die zusätzliche Verwendung von ohnehin für den
Betrieb einer SCR-Einrichtung vorgesehenen und benötigten
Komponenten für die Temperaturüberwachung des
Widerstandsheizelements wird ein kostengünstiger Aufbau
bei gleichzeitig hoher Eigensicherheit der Heizung des SCR-Pumpenmoduls
ermöglicht.
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Die
Steuerung oder Regelung des Widerstandsheizelements erfolgt in Abhängigkeit
von der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur durch die
Pumpenmodul- Heizungssteuerung in dem SCR-Steuergerät. Dazu
kann es vorgesehen sein, dass zur Steuerung des Widerstandsheizelements die
Pumpenmodul-Heizungssteuerung in dem SCR-Steuergerät über
eine Stromzuführung elektrisch mit dem Widerstandsheizelement
verbunden ist.
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Eine
einfache und kostengünstige Umsetzung der Steuerfunktion
des Widerstandsheizelements in dem SCR-Steuergerät kann
dadurch erreicht werden, dass die Pumpenmodul-Heizungssteuerung
als Hardware oder Software in dem SCR-Steuergerät ausgeführt
ist.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass über einen mit dem Widerstandsheizelement thermisch
gekoppelten Temperatursensor die Temperatur des Widerstandsheizelements
erfasst und der Motorsteuerelektronik zugeführt wird, dass
die Temperaturinformation über die Steuerleitung von der
Motorsteuerelektronik zu dem SCR-Steuergerät übertragen
wird und dass auf Basis der Temperaturinformation von einer in dem
SCR-Steuergerät enthaltene Pumpenmodul-Heizungssteuerung
das Widerstandsheizelement gesteuert oder geregelt wird.
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Zur
Durchführung des Verfahrens können für den
Betrieb einer SCR-Einrichtung ohnehin vorhandene Bauelemente wie
die Motorsteuerelektronik oder das SCR-Steuergerät verwendet
werden. Die Erweiterung der Funktion der Motorsteuerelektronik zur
Erfassung des Temperatursignals sowie des SCR-Steuergerätes
um die Funktion der Pumpenmodul-Heizungssteuerung ist als Hard-
und/oder Softwarelösung ohne großen Aufwand möglich.
Dadurch und dass zur Übertragung der Temperaturfunktion von
der Motorsteuerelektronik zu dem SCR-Steuergerät die ohnehin
vorhandene Steuerleitung verwendet wird, ist die Umsetzung des Verfahrens
sehr kostengünstig möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine SCR-Einrichtung mit einem SCR-Steuergerät und
einem SCR-Pumpenmodul.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine SCR-Einrichtung 10 mit
einem SCR-Steuergerät 20 und einem SCR-Pumpenmodul 30.
Dabei steht SCR als Abkürzung für selektive katalytische Reaktion,
einem System zum Abbau von Stickoxiden in Abgasen durch Eindosierung
einer flüssigen Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL)
in den Abgasstrang. In der dargestellten Ausführungsform
dient die SCR-Einrichtung 10 der Zuführung der
Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.
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Dem
SCR-Steuergerät 20 ist ein SCR-Steuerungsprogramm 21 zugeordnet,
in dem eine Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 beinhaltet
ist.
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Das
SCR-Pumpenmodul 30 enthält eine Motorsteuerelektronik 31 zur
Ansteuerung eines Pumpenmotors 32. Dem SCR-Pumpenmodul 30 ist
weiterhin ein ohmsches Widerstandsheizelement 34 zugeordnet,
an welchem thermisch gekoppelt ein Temperatursensor 33 angebracht
ist. Der Temperatursensor 33 ist mit der Motorsteuerelektronik 31 verbunden.
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Die
Motorsteuerelektronik 31 ist über eine Steuerleitung 11 mit
dem SCR-Steuergerät 20 und dort mit der Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 verbunden.
Die Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 ist wiederum über
eine Stromzuführung 12 an das Widerstandsheizelement 34 des
SCR-Pumpenmoduls 30 angeschlossen.
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Das
SCR-Steuergerät 20 steuert über die Steuerleitung 11 und
die Motorsteuerelektronik 31 den Pumpenmotor 32 und
legt so die dem Abgasstrang zugeführte Menge an HWL fest.
Dazu ist in dem SCR-Steuergerät 20 das entsprechende SCR-Steuerungsprogramm 21 hinterlegt.
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Die
heute als Reduktionsmittel verwendete, 32%ige Harnstoff-Wasser-Lösung
hat einen Gefrierpunkt von ca. –11°C. Um die Funktion
der SCR-Einrichtung 10 auch bei niedrigen Temperaturen
sicherzustellen, muss daher das SCR-Pumpenmodul 30 beheizt
werden, um gefrorene HWL schnellstmöglich wieder aufzutauen
beziehungsweise im Betrieb die Temperatur des SCR-Pumpenmoduls 30 über
dem Gefrierpunkt der HWL zu halten. Dazu dient das in dem SCR-Pumpenmodul 30 eingesetzte
ohmsche Widerstandsheiz element 34, welches über
die Stromzuführung 12 von der Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 angesteuert
wird.
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Ohmsche
Widerstandsheizelemente 34 bieten für die Beheizung
von SCR-Pumpenmodulen 30 zum Beispiel gegenüber
der Verwendung von PTC-Heizelementen eine Reihe von Vorteilen. Sie sind
kostengünstig, können in kleinen und angepassten
Bauformen gefertigt werden, zeigen sehr geringe Toleranzen bezüglich
der Heizleistung und weisen keinen Spitzen-Einschaltstrom auf, sondern
zeichnen sich durch einen gleichbleibenden Strom und somit eine
gleichbleibende Heizleistung über die gesamte Einschaltdauer
aus. Nachteilig ist, dass ohmsche Widerstandsheizelemente 34 keine
Selbstregelung der Temperatur zeigen. Daher ist eine zusätzliche
Temperaturüberwachung mit einer entsprechenden Regelung
in Form einer elektronischen Schaltung und zusätzlichen
Bauteilen notwendig, um eine Überhitzung des Widerstandsheizelements 34 beziehungsweise
der zu beheizenden Komponenten zu verhindern.
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In
der erfindungsgemäßen Ausführung kann auf
diese zusätzlichen elektronischen Schaltungen und Bauteile
weitestgehend verzichtet werden. Der Temperatursensor 33 ist
thermisch mit dem Widerstandsheizelement 34 gekoppelt und
kann so dessen Temperatur genau bestimmen. Das Temperatursignal
wird der in einem SCR-Pumpenmodul 30 ohnehin vorhandenen
Motorsteuerelektronik 31 zugeführt und von dieser
ausgewertet. Die Information über die Temperatur des Widerstandsheizelements 34 wird über
die ebenfalls vorhandene Steuerleitung 11 an das SCR-Steuergerät 20 geleitet.
In dem SCR-Steuergerät 20 ist eine zusätzliche
Funktion in Form der Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 integriert.
Diese ist bevorzugt als Softwarelösung mit einem Minimum
an zusätzlichen Hardwarekomponenten realisiert, so dass
auch hier keine relevanten Bauteilkosten entstehen. Die Pumpenmodul-Heizungssteuerung 22 steuert
oder regelt auf Basis des Temperatursignals den dem Widerstandsheizelement 34 über die
Stromzuführung 12 zugeführten elektrischen Strom.
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Das
ohmsche Widerstandsheizelement 34 kann ohne Gefährdung
von anderen Komponenten auf eine hohe Heizleistung ausgelegt werden,
wodurch das Widerstandsheizelement 31 in der Lage ist,
eine sehr große Wärmemenge innerhalb sehr kurzer
Zeit in das SCR-Pumpenmodul 30 einzubringen, da die Heizleistung
bei Erreichen einer entsprechend festgelegten Maximaltemperatur
gezielt abgeregelt oder abgeschaltet werden kann.
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Der
Aufbau ermöglicht es auch, mehrere in dem SCR-Pumpenmodul 30 vorgesehene
Widerstandsheizelemente 34 entweder auf Basis eines gemeinsamen
Temperatursignals oder auf Basis von mehreren Temperatursignalen
von den einzelnen Widerstandsheizelementen 34 zugeordneten
Temperatursensoren 33 zu regeln.
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Im
Vergleich zu bekannten Systemen zur Beheizung von SCR-Pumpenmodulen 30 mit
Widerstandsheizelementen 34 entfällt die Hardware
sowie Bauteile zur Heizungssteuerung beziehungsweise zur Heizungsregelung.
Weiterhin entfällt die Verkabelung zwischen dem Temperatursensor 33 und
dem SCR-Steuergerät 20.
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Gegenüber
Systemen mit PTC-Heizelementen ergeben sich die Vorteile der wesentlich
geringeren Kosten und der direkten und gezielten Steuerung oder
Regelung der Heizleistung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - WEISSWELLER
in CIT (72), Seite 441–449, 2000 [0004]