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Die Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung, mittels welcher ein Reduktionsmittel einem Abgastrakt, insbesondere eines Fahrzeugs, zuführbar ist. Hierbei wird wenigstens ein Parameter ermittelt, welcher in Abhängigkeit von einem Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt veränderbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Dosiereinrichtung.
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Die
DE 10 2005 037 150 A1 beschreibt eine Dosiereinrichtung, mittels welcher ein Reduktionsmittel einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich beispielsweise um eine wässrige Harnstofflösung, mittels welcher durch selektive katalytische Reduktion (SCR, selective catalytic reduction) ein Umsetzen von Stickoxiden mit Ammoniak und damit einhergehend eine Verringerung des Ausstoßes an Stickoxiden erreichbar ist. Mittels einer Dosierpumpe der Dosiereinrichtung ist das Reduktionsmittel über eine Zuführleitung zu einer Einspritzdüse förderbar. Die Einspritzdüse weist ein federbelastetes Ventil auf, welches in eine Offenstellung überführt wird, sobald ein Druck des Reduktionsmittels stromaufwärts des Ventils größer ist als ein Druck der das Ventil belastenden Feder. Mittels eines in der Dosierpumpe angeordneten Drucksensors wird hierbei überwacht, dass der Druck stromaufwärts des Ventils bei geschlossenem Ventil stets größer ist als ein Siededruck des Reduktionsmittels. Durch das so bewerkstelligte Vermeiden eines Siedens des Reduktionsmittels soll eine Ausbildung von Ablagerungen in der Einspritzdüse vermieden werden.
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Aus der
US 2008 / 0 236 147 A1 und der
WO 2008 / 020 194 A1 sind jeweils Verfahren zum Betreiben einer Dosiereinrichtung, mittels welcher ein Reduktionsmittel einem Abgastrakt, insbesondere eines Fahrzeugs, zuführbar ist, bekannt. Es wird wenigstens ein Parameter ermittelt, welcher in Abhängigkeit von einem Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt veränderbar ist. Dabei wird das Ermitteln des wenigstens einen Parameters zum Feststellen eines Siedens des Reduktionsmittels herangezogen.
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Die
DE 10 2006 020 439 A1 und die
WO 2008/139 146 A2 offenbaren jeweils für sich betrachtet eine Dosiereinrichtung, mittels welcher ein Reduktionsmittel einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist.
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Als nachteilig bei einer derartig betriebenen Dosiereinrichtung ist der Umstand anzusehen, dass die Dosierpumpe das Reduktionsmittel dauerhaft mit einem vergleichsweise hohen Druck beaufschlagen muss, um ein Sieden des Reduktionsmittels zu vermeiden. Damit geht eine vergleichsweise hohe, dauernde mechanische Belastung von Komponenten der Dosiereinrichtung, insbesondere der Dosierpumpe, einher.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Dosiereinrichtung bereitzustellen, mittels welchem eine Belastung der Dosiereinrichtung verringerbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Dosiereinrichtung, mittels welcher ein Reduktionsmittel einem Abgastrakt, insbesondere eines Fahrzeugs, zuführbar ist, bei welchem wenigstens ein Parameter ermittelt wird, welcher in Abhängigkeit von einem Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt veränderbar ist, wird das Ermitteln des wenigstens einen Parameters zum Feststellen eines Siedens des Reduktionsmittels herangezogen. Dadurch kann beim Feststellen des Siedens und somit situationsabhängig auf das Sieden reagiert werden.
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Ein ständiges Vorhalten eines über dem Siededruck des Reduktionsmittels liegenden Drucks in der Zuführleitung ist somit vermeidbar, so dass eine Belastung der Dosiereinrichtung verringerbar ist. Ebenso kann dadurch auf ein periodisches oder in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur angesteuertes Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt verzichtet werden. Ein solches Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt vor einem eventuellen Sieden des Reduktionsmittels kann gegebenenfalls zu einem unerwünschten Austrag eines nicht umgesetzten Anteils des Reduktionsmittels aus dem Abgastrakt führen. Durch das Verzichten auf dieses vorsorgliche Zuführen des Reduktionsmittels ist daneben ein Verbrauch an Reduktionsmittel verringerbar.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Zuführeinrichtung zum Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt, welche direkt mit dem Abgastrakt in Kontakt ist einer sehr hohen Abgastemperatur und/oder - etwa aufgrund von Wärme freisetzenden Bauteilen in der Umgebung der Zuführeinrichtung - einer sehr hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Eine handelsübliche wässrige Reduktionsmittellösung, welche unter dem Markennamen AdBlue® vertrieben wird, siedet bei Umgebungsdruck ab ca. 100 °C und bei einem Druck von 5 bar bei ca. 150 °C. Durch das rechtzeitige Feststellen des Siedens können Gegenmaßnahmen ergriffen und so negative Auswirkungen des Siedens, insbesondere eine Schädigung von Komponenten der Dosiereinrichtung, vermieden werden. Bei einer Beschädigung insbesondere der Zuführeinrichtung der Dosiereinrichtung könnte es ansonsten zu einem kompletten Ausfall der Dosiereinrichtung kommen.
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Dabei kann ein Druck des Reduktionsmittels stromaufwärts eines Ventilelements ermittelt werden, mittels welchem das Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt steuerbar ist. Überschreitet nämlich das Reduktionsmittel stromaufwärts des Ventilelements seine Siedetemperatur, so entstehen in Folge einer Bildung von Gasblasen Druckstöße in Form von rasch wechselnden Veränderungen des Drucks mit vergleichsweise großer Amplitude. Diese Druckstöße sind mittels eines Drucksensors erfassbar. Auf diese Weise ist das Sieden besonders sicher und mit guter zeitlicher Auflösung feststellbar.
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Ergänzend oder alternativ kann eine Stickoxidkonzentration stromabwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung ermittelt werden. Mittels der, insbesondere als SCR-Katalysator ausgebildeten, Abgasnachbehandlungseinrichtung ist das Reduktionsmittel umsetzbar. Wird über die Zuführeinrichtung dem Abgastrakt das Reduktionsmittel gasförmig zugeführt, so liegt bei konstantem Volumenstrom nur noch ein Bruchteil des Massenstroms vor. Je nach Druck und Temperatur des gasförmigen Reduktionsmittels kann der Massenstrom lediglich ein Dreihundertstel des Massenstroms bei einem Fördern des flüssigen Reduktionsmittels betragen. Somit steht in dem Abgastrakt keine zum weitgehenden Umsetzen der Stickoxide ausreichende Masse des Reduktionsmittels mehr zur Verfügung. Mittels eines stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Stickoxidsensors ist dann ein rascher und starker Anstieg der Emission an Stickoxid erkennbar. Ein drastischer Rückgang der zugeführten Reduktionsmittelmasse infolge des Siedens des Reduktionsmittels ist mittels des Stickoxidsensors rasch und verlässlich erfassbar und kann zum Feststellen des Siedens des Reduktionsmittels herangezogen werden.
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Durch das Auswerten der Stickoxidkonzentration stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist daneben eine kurzzeitig erhöhtes Umsetzen des Reduktionsmittels im Anschluss an das Zuführen des flüssigen Reduktionsmittels in den Abgastrakt erkennen. Diese kurzzeitige Steigerung des Umsetzens des Reduktionsmittels kann also dahingehend ausgewertet werden, dass nicht siedendes, sondern flüssiges Reduktionsmittel dem Abgastrakt zugeführt wurde.
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Ergänzend oder alternativ kann während des Ermittelns des wenigstens einen Parameters das Ventilelement geöffnet werden, mittels welchem das Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt steuerbar ist. Liegt das Reduktionsmittel stromaufwärts des Ventilelements in flüssiger Form vor, so geht mit dem Öffnen des Ventils ein kurzzeitiger Druckabfall stromaufwärts des Ventilelements einher. Liegt das Reduktionsmittel stromaufwärts des Ventilelements gasförmig vor, so erfolgt kein solcher Druckabfall. Beispielsweise kann es zum Feststellen eines Siedens des Reduktionsmittels vorgesehen sein, das Ventilelement während einer Zeitspanne von 0,5 Sekunden zu öffnen. Wird gleichzeitig die Stickoxidkonzentration stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung ermittelt, so kann das Feststellen des Siedens des Reduktionsmittels auf Plausibilität hin überprüft werden.
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Zum Feststellen eines gegebenenfalls bevorstehenden Siedens des Reduktionsmittels kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der Druck des Reduktionsmittels stromaufwärts des Ventilelements zumindest zeitweise verringert werden. Ein solches gezieltes Verringern des Drucks des Reduktionsmittels über einen vorgebbaren, kurzen Zeitraum kann also zum Feststellen genutzt werden, ob eine Temperatur des Reduktionsmittels aktuell unmittelbar unterhalb der Siedetemperatur liegt.
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Beim Feststellen eines Siedens des Reduktionsmittels können eine Reihe von Gegenmaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann ein Druck des Reduktionsmittels stromaufwärts des Ventilelements zumindest zeitweise erhöht werden. Durch das Erhöhen des Drucks des Reduktionsmittels steigt dessen Siedetemperatur an und das Reduktionsmittel kann erneut in flüssiger Form dem Abgastrakt zugeführt werden.
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Ergänzend oder alternativ kann das Reduktionsmittel aus der Zuführeinrichtung rückgefördert werden. Durch Austauschen des bis über seine Siedetemperatur erwärmten Reduktionsmittels mit aus einem Vorratsbehältnis für das Reduktionsmittel gefördertem, flüssigen und kühleren Reduktionsmittel kann dann erneut flüssiges Reduktionsmittel dem Abgastrakt zugeführt werden.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, beim Feststellen eines Siedens des Reduktionsmittels ein Öffnen des Ventilelements zu unterbinden. Dadurch ist ein Schädigen des Ventilelements, etwa infolge von Kavitationen oder infolge einer mechanischen Beschädigung des Ventilsitzes, sicher vermeidbar.
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Es kann jedoch auch umgekehrt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, beim Feststellen eines Siedens des Reduktionsmittels ein Ventilelement zum Steuern des Zuführens des Reduktionsmittels in den Abgastrakt solange zu öffnen, bis ein Beenden des Siedens festgestellt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Reduktionsmittelsieden nicht oder nicht in der vorgesehenen Zeit auf andere Weise beendet werden kann. Durch längeres Öffnen des Ventilelements wird ein Reduktionsmittelaustritt, zunächst hauptsächlich dampfförmig, solange ermöglicht, bis das Reduktionsmittel wieder zumindest überwiegend in flüssiger Form an der Öffnung des Ventilelements ansteht.
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Die vorausgehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 ein erstes Diagramm zum Veranschaulichen eines Druck- und Temperaturverlaufs einer wässrigen Harnstofflösung, welche mittels einer Dosiereinrichtung einem Abgastrakt eines Fahrzeugs zuführbar ist; ein zweites Diagramm zum Veranschaulichen von mit dem Zuführen der wässrigen Harnstofflösung einhergehenden Stickoxidkonzentrationen im Abgastrakt; und ein drittes Diagramm zum Veranschaulichen einer Ansteuerung eines Ventils welches zum Zuführen der Harnstofflösung in den Abgastrakt zu öffnen ist;
- 2 Druck- und Temperaturverläufe beim Absenken bzw. Anheben eines Drucks der wässrigen Harnstofflösung; und
- 3 einen Druck- und Temperaturverlauf beim Unterbinden des Zuführens der wässrigen Harnstofflösung in den Abgastrakt.
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1 zeigt in einem ersten Diagrammm 10 eine Druckkurve 12 einer wässrigen Harnstofflösung. Die Druckkurve 12 veranschaulicht den Drucks der wässrigen Harnstofflösung als Funktion der Zeit. Die wässrige Harnstofflösung befindet sich hierbei in einer Dosiereinrichtung, mittels welcher die wässrige Harnstofflösung einem Abgastrakt eines Fahrzeugs zuführbar ist.
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In dem Diagramm 10 ist die Abszisse eine Zeitachse 14, während auf einer Ordinate 16 Druck und Temperatur aufgetragen sind. Eine Temperaturkurve 18 veranschaulicht den die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung als Funktion der Zeit. Zu einem ersten Zeitpunkt t1 überschreitet die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung eine Siedetemperatur 20. Mit Überschreiten der Siedetemperatur lässt die Druckkurve 12 während einer an den Zeitpunkt t1 anschließenden Zeitspanne 22 Druckstöße 24, also rasche Variationen des Drucks mit vergleichsweise großer Amplitude, erkennen. Das Auftreten dieser Druckstöße 24 stromaufwärts eines elektromagnetisch zu öffnenden Einspritzventils ermöglicht es festzustellen, dass die wässrige Harnstofflösung siedet. Der Druck der wässrigen Harnstofflösung wird vorliegend mittels eines Drucksensors erfasst.
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In einem zweiten Diagramm 26, welches eine dem ersten Diagramm 10 analoge Zeitachse 14 aufweist, ist auf einer Ordinate 28 eine Stickoxidkonzentration aufgetragen. Eine erste Stickoxidkurve 30 veranschaulicht hierbei den zeitlichen Verlauf der Stickoxidkonzentration stromaufwärts eines SCR-Katalysators, in welchem in Folge des Zuführens der wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom eine selektive katalytische Reduktion (SCR = selective catalytic reduction) erfolgt. Eine zweite Stickoxidkurve 32 welche den zeitlichen Verlauf der Stickoxidkonzentration stromabwärts des SCR-Katalysators veranschaulicht, verläuft folglich vor einem Erreichen des Zeitpunkts t1 deutlich unterhalb der ersten Stickoxidkurve 30.
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Ab dem Zeitpunkt t1, sobald also das Reduktionsmittel in der als Einspritzdüse ausgebildeten, mittels des Einspritzventils verschließbaren Zuführeinrichtung in der Gasphase vorliegt, zeigt die zweite Stickoxidkurve 32 einen raschen und starken Anstieg 34. In Folge dieses Anstiegs 34 der Stickoxidkonzentration liegen stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators im Wesentlichen gleiche Stickoxidkonzentrationen vor. Das Einbrechen des Stickoxidumsatzes in dem SCR-Katalysators ist dadurch bedingt, dass bei gasförmigem Vorliegen des Reduktionsmittels in der Dosiereinrichtung bei konstantem Volumenstrom nur noch ein Bruchteil, beispielsweise ein Dreihundertstel, des Massenstroms über die Einspritzdüse dem Abgasstrom zugeführt wird. Auch das Ermitteln der Stickoxidkonzentration stromabwärts des SCR-Katalysators kann somit ergänzend oder alternativ zum Ermitteln der Druckstöße zum Feststellen des Siedens der wässrigen Harnstofflösung herangezogen werden.
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In einem weiteren Diagramm 36, welches ebenfalls eine den Diagrammen 10, 26 analoge Zeitachse 14 aufweist, ist auf einer Ordinate 38 eine Öffnungsweite 32 des Einspritzventils aufgetragen. Zu einem innerhalb der Zeitspanne 22 gelegenen Zeitpunkt t2 erfolgt ein vollständiges Öffnen 40 des Einspritzventils über eine vergleichsweise lange Dauer, beispielsweise über eine Dauer von 0,5 Sekunden. Das Öffnen 40 des Einspritzventils erfolgt über einen, ein Ende der Zeitspanne 22 kennzeichnenden Zeitpunkt t3 hinaus bis zu einem Zeitpunkt t4. Zu dem Zeitpunkt t3 unterschreitet die Temperaturkurve 18 die Siedetemperatur 20, so dass die Harnstofflösung wieder in flüssiger Form in der Einspritzdüse vorliegt. Entsprechend zeigt sich in der Druckkurve 12 des Diagramms 10 ein Druckabfall 42.
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Gleichzeitig erfolgt ein Absinken 44 der stromabwärts des SCR-Katalysators gemessenen Stickoxidkonzentration. Die diese Stickoxidkonzentration veranschaulichende Stickoxidkurve 32 zeigt zum Zeitpunkt t4, zu welchem eine Öffnungsweite des Einspritzventils wieder auf ihren von Null verschiedenen Ausgangswert verringert wird, ein Minimum 46. Somit kann das Öffnen 40 des Einspritzventils dazu herangezogen werden, das Feststellen des Siedens der wässrigen Harnstofflösung infolge des Ermittelns der Stickoxidkonzentration und/oder der Druckstöße 24 zu plausibilisieren. Gleichzeitig kann dadurch ein begonnenes Sieden beendet, bzw. ein Unterschreiten der Siedetemperatur veranlasst werden, wobei die Öffnungsdauer des Einspritzventils ausreichend lang gewählt wird. Falls durch ein einmaliges Öffnen kein Druckabfall 42 vorgebbarer Größe erzielt wird, kann ein mehrmals wiederholtes Öffnen vorgesehen sein, bis der gewünschte Effekt festgestellt wird.
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2 zeigt ein weiteres Diagramm 48, bei welcher die Zeitachse 14 und die Ordinate 16 mit der des Diagramms 10 aus 1 analog sind. Eine erste Siedetemperatur 50 kennzeichnet hierbei die Temperatur, bei welcher das unter einem vergleichsweise hohen Druck p1 stehende Reduktionsmittel, also die wässrige Harnstofflösung, siedet. Die Temperaturkurve 18 verläuft im Diagramm 48 unterhalb einer waagrechten Linie, welche diese erste Siedetemperatur 50 veranschaulicht.
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Wird, wie anhand des Diagramms 48 nachvollziehbar, der Druck der wässrigen Harnstofflösung, etwa durch Regeln einer Pumpe, auf einen niedrigeren Druck p2, abgesenkt, so sinkt auch die Siedetemperatur der wässrigen Harnstofflösung. Die mit diesem niedrigeren Druck p2 korrespondierende, erniedrigte Siedetemperatur 52 ist in dem Diagram 48 ebenfalls als waagrechte Linie gezeigt. Durch das Absenken des Drucks von p1 auf p2 sind in der Druckkurve 12 wiederum Druckstöße 24 erkennbar. Auf diese Weise kann durch gezieltes, kurzfristiges Absenken des Drucks ein gegebenenfalls bevorstehendes Sieden der wässrigen Harnstofflösung festgestellt werden. Dadurch können rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
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Eine mögliche solche Gegenmaßnahme ist in einem Diagramm 54 der 2 veranschaulicht, welches die dem Diagramm 48 analoge Zeitachse 14 und Ordinate 16 aufweist. Gemäß dem Diagramm 54 weist die wässrige Harnstofflösung den Druck p2 auf, während die Temperatur der wässrigen Harnstofflösung zunächst geringer ist als die niedrigere Siedetemperatur 52. Sobald die durch die Temperaturkurve 18 veranschaulichte Temperatur der wässrigen Harnstofflösung die niedrigere erste Siedetemperatur 52 überschreitet, erfasst der Drucksensor Druckstöße 24. Daraufhin wird der Druck der wässrigen Harnstofflösung auf den Druck p1 erhöht und somit das Sieden der wässrigen Harnstofflösung wieder unterdrückt. Die Temperaturkurve 18 in dem Diagramm 54 verläuft nämlich unterhalb der waagrechten Linie, welche die mit dem höheren Druck p1 korrespondierende Siedetemperatur 50 kennzeichnet.
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Anders verhält es sich bei einem in einem weiteren Diagramm 56 in 3 gezeigten Fall, bei welchem die Temperaturkurve 18 nach einem Erhöhen des Drucks von p2 auf p1 weiter ansteigt bis die Temperaturkurve 18 oberhalb der höheren, mit dem Druck p1 korrespondierenden Siedetemperatur 50 verläuft. Hier lässt sich nach einem ersten, die Druckstöße 24 bei dem Druck p2 kompensierenden Erhöhen des Drucks auf den Druck p1 ein erneutes Auftreten weiterer Druckstöße 24 feststellen.
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Anstelle eines weiteren Erhöhens des Drucks wird hier als Gegenmaßnahme zu einem Zeitpunkt t5 die wässrige Harnstofflösung aus der Einspritzdüse mittels der Pumpe rückgefördert. Die Pumpe kann hierbei als Membranpumpe mit einer Förderrichtung ausgebildet sein, welche mittels eines 4/2-Wegeventils zum Pumpen und Saugen einsetzbar ist. Alternativ kann bei einer Zahnradpumpe durch Umkehr der Drehrichtung von Pumpen auf Saugen umgestellt werden. Durch das Rückfördern der wässrigen Harnstofflösung in ein Vorratsbehältnis der Dosiereinrichtung ist in der Einspritzdüse kein Medium mehr vorhanden, welches sieden könnte. Folglich ist in dem Diagramm 56 ab dem Zeitpunkt t5 ein rascher Druckabfall 58 erkennbar.
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Als weitere Maßnahme zum Verhindern von Schäden an dem Einspritzventil kann zum Zeitpunkt t5 ein Öffnen des Einspritzventils unterbunden und somit ein Zuführen des Reduktionsmittels in den Abgastrakt verhindert werden.
