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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, das einen beheizbaren Reduktionsmitteltank umfasst.
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Stand der Technik
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Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reaktionsmittel werden daher NH3 beziehungsweise NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang mithilfe einer Dosiereinrichtung eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich NH3, das als Reduktionsmittel wirkt.
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Um für den Betrieb der Brennkraftmaschine ausreichend Reduktionsmittel bereitstellen zu können, ist ein Tank zur Bevorratung der Harnstoffwasserlösung vorgesehen. Die üblicherweise verwendete, unter dem Markennamen „AdBlue” vermarktete Harnstoffwasserlösung hat die Eigenschaft, bei zirka –11°C zu gefrieren. Bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen kommt es daher dazu, dass das Reduktionsmittel im Reduktionsmitteltank einfriert und nicht mehr für die Abgasnachbehandlung zur Verfügung steht. Insbesondere bei automobilen Anwendungen ist es daher erforderlich, im Reduktionsmitteltank eine Heizung zum Auftauen der Harnstoffwasserlösung vorzusehen, sodass auch bei tiefen Außentemperaturen ausreichend flüssige Harnstoffwasserlösung für den Betrieb des SCR-Katalysators bereitgestellt werden kann.
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Wenn die wässrige Harnstofflösung im Reduktionsmitteltank vollständig gefroren ist, ist es zulässig, den Systemstart des SCR-Katalysators zu verzögern, um in dieser Zeit die erforderliche Menge der Harnstoffwasserlösung aufzutauen. Während der relativ kurzen Verzögerungszeit kann allerdings nur ein begrenztes Volumen in der unmittelbaren Nähe des Tankheizers aufgetaut werden. Um den SCR-Katalysator mit möglichst wenig Verzögerung starten zu können, wird daher bereits das nur lokal aufgetaute Medium aus dem Reduktionsmitteltank entnommen bzw. abgesaugt, um es in den Abgasstrang einsprühen zu können. Das bedeutet, dass sich in dem Tank mit gefrorenem Reduktionsmittel durch die Absaugung von lokal aufgetautem Medium ein Hohlraum bzw. eine Kavität bildet. Eine Kavität geringeren Ausmaßes bildet sich bereits dann, wenn das gefrorene Medium partiell in die flüssige Phase übergeht, da aufgrund des Dichteunterschieds der Phasen die flüssige Phase ein geringeres Volumen als die gefrorene Phase einnimmt. Durch das Absaugen des lokal aufgetauten Mediums vergrößert sich diese Kavität weiter. Die Kavität steht mit der Oberfläche der Lösung nicht im Kontakt und ist nicht belüftet. Es bildet sich zunehmend ein Unterdruck aus, der aufgrund einer Siedepunktverschiebung durch die Druckänderung bis zum Sieden der flüssigen Reduktionsmittellösung im Tank und damit zu Schwierigkeiten beim Absaugen der Flüssigkeit führen kann. Weiterhin kann das Sieden zu einer Qualitätsverschlechterung des Mediums führen.
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Diese Probleme sind weniger relevant, wenn in dem Reduktionsmitteltank eine Ansaugstelle im unteren Bereich des Tanks vorgesehen ist und das Medium durch den Tank hindurch mittels einer beheizbaren Sauglanze nach oben abgesaugt wird. Durch eine solche beheizbare Sauglanze kann sich das gefrorene Medium um die Sauglanze herum verflüssigen, sodass eine Verbindung zwischen der sich bildenden Kavität nach oben bis zum Flüssigkeitsspiegel erreicht wird, die für eine Tankentlüftung beziehungsweise eine Entlüftung der Kavität sorgt. Problematischer ist eine Absaugung von unten, bei der keine Sauglanze zwischen der Absaugstelle und dem Flüssigkeitsspiegel bzw. der Flüssigkeitsoberfläche vorgesehen ist. Um die hierbei auftretenden Unterdruckprobleme zu lösen, sind bereits beispielsweise beheizte Entlüftungsleitungen vorgeschlagen worden, die jedoch technisch aufwendig sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das beschriebene Problem der Kavitätsentlüftung zu lösen und dabei auf aufwendige Zusatzmaßnahmen zu verzichten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems mit einem beheizbaren Reduktionsmitteltank gelöst, wie es Gegenstand des Anspruchs 1 ist. Bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems mit einem beheizbaren Reduktionsmitteltank bzw. mit einem Reduktionsmitteltank, dem eine Heizeinrichtung zugeordnet ist, vorgesehen. Erfindungsgemäß wird die bei einem lokalen Auftauen von gefrorener Reduktionsmittellösung in dem Tank und/oder bei einem lokalen Absaugen von partiell flüssiger Reduktionsmittellösung entstehende Kavität im Reduktionsmitteltank, also innerhalb der gefrorenen Reduktionsmittellösung, mit Luft gefüllt. Diese Befüllung mit Luft löst das Problem des in der Kavität entstehenden Unterdrucks und kann mit Hilfe der bereits vorhandenen Systemkomponenten erfolgen, sodass kein weiterer technischer Aufwand für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlich ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Befüllen mit Luft mit Hilfe einer Reduktionsmittel-Förderpumpe, die hierfür in Umkehrrichtung betrieben wird. Die übliche Funktion der Reduktionsmittel-Förderpumpe ist es, flüssige Reduktionsmittellösung aus dem Reduktionsmitteltank herauszufordern, um die Lösung in den Abgasstrang über ein Dosierventil einsprühen zu können. Diese Förderpumpe ist üblicherweise auch dafür eingerichtet, in der Umkehrrichtung betrieben zu werden, um beispielsweise Reduktionsmittellösung aus dem Leitungssystem rücksaugen zu können. Diese Möglichkeit des Betreibens der Förderpumpe in Umkehrrichtung wird erfindungsgemäß genutzt, um Luft in den Reduktionsmitteltank einzubringen und hiermit die in dem Reduktionsmitteltank bei einem lokalen Auftauen von gefrorener Reduktionsmittellösung und/oder bei einem lokalen Absaugen von partiell flüssiger Reduktionsmittellösung entstehende Kavität mit Luft zu füllen und hiermit die Ausbildung eines Unterdrucks in der Kavität zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des SCR-Katalysatorsystems benötigt daher keine weiteren Systemkomponenten, um das Problem des Unterdrucks in einer entstehenden Kavität zu lösen. Es ist lediglich ein Betreiben der Förderpumpe in Umkehrrichtung erforderlich. Diese Funktion kann beispielsweise als Softwarefunktion implementiert werden, sodass keine weiteren Komponenten installiert werden müssen und dieses Verfahren auch bei bestehenden Fahrzeugen ohne Weiteres nachrüstbar ist.
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Mit Vorteil erfolgt das Befüllen mit Luft mit Überdruck. Eine übliche Reduktionsmittelpumpe ist ohne Weiteres in der Lage, den erforderlichen Überdruck aufzubauen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Befüllen mit Luft in Abhängigkeit von dem in der Kavität herrschenden Druck. Dies hat den Vorteil, dass das Befüllen mit Luft bedarfsabhängig erfolgen kann. Vorzugsweise ist für den in der Kavität herrschenden Druck eine Unterdruckgrenze vorgebbar, bei deren Unterschreiten das Befüllen mit Luft erfindungsgemäß erfolgt. Die Grenze für den Unterdruck wird vorzugsweise so gewählt, dass es oberhalb dieser Grenze nicht zu einem Sieden der Flüssigkeit kommt und dass es oberhalb der Grenze weiterhin nicht zu einer Qualitätsverschlechterung der Harnstoffwasserlösung kommt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden abwechselnd Phasen zum Befüllen mit Luft und Phasen zum Absaugen der Reduktionsmittellösung, also Dosierphasen durchgeführt. Hierdurch kann sich die durch das Absaugen des lokal aufgetauten Mediums vergrößernde Kavität in der darauf folgenden Phase durch das Befüllen mit Luft belüftet werden, sodass sich kein kritischer Unterdruck ausbilden kann. Nachfolgend kann wieder flüssige Reduktionsmittellösung zur Eindosierung in den Abgasstrang entnommen werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in der Kavität herrschende Druck durch Auslesen des für den Betrieb der Reduktionsmittel-Förderpumpe erforderlichen Stroms erfasst. In Abhängigkeit von dem in der Kavität herrschenden Druck muss die Förderpumpe mit mehr oder weniger Energie betrieben werden, um Luft in die Kavität einbringen zu können oder flüssiges Reduktionsmittel absaugen zu können. Die Leistung für den Betrieb der Förderpumpe kann anhand des erforderlichen Stroms erfasst werden, sodass hieraus indirekt auf den in der Kavität herrschenden Druck geschlossen werden kann. Umso mehr Strom für den Betrieb der Förderpumpe beim Einbringen von Luft in die Kavität erforderlich ist, umso höher ist der Druck, der in der Kavität herrscht. Vorzugsweise kann das Befüllen mit Luft beendet werden, sobald ein vorgebbarer Strombedarf für den Betrieb der Förderpumpe erreicht oder überschritten wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Befüllen mit Luft zeitabhängig, ohne dass der in der Kavität vorhandene Druck erfasst werden müsste. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass nach einer gewissen Heizzeit bei gefrorener Reduktionsmittellösung im Tank eine Zeitspanne vorgegeben wird, innerhalb derer die Förderpumpe in Umkehrrichtung betrieben wird, um einen verringerten Druck infolge des Volumengewinns bei dem lokalen Auftauen der Lösung durch die Zufuhr von Luft auszugleichen. Das Gleiche kann beispielsweise nach einer vorgegebenen Dosierzeit erfolgen, bei der sich durch Absaugen von lokal aufgetauter Reduktionsmittellösung die Kavität und der Unterdruck vergrößern. Nach vorgegebener Dosierzeit kann daher für eine vorgebbare Zeitspanne die Förderpumpe in Umkehrrichtung betrieben werden, um die vergrößerte Kavität mit dem darin herrschenden Unterdruck mit Luft zu befüllen und damit den Unterdruck abzubauen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn es für einen Reduktionsmitteltank eingesetzt wird, bei dem sich die Absaugstelle für die flüssige Reduktionsmittellösung im unteren Bereich des Tanks befindet und die Ableitung des Mediums nach unten hin erfolgt. Bei einer solchen Anordnung ist die Belüftung einer Kavität besonders problematisch und kann bisher ohne zusätzlichen technischen Aufwand nicht gelöst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin auch mit Vorteil für einen solchen Reduktionsmitteltank einsetzbar, bei dem sich die Absaugstelle ebenfalls im unteren Bereich des Tanks befindet, die flüssige Reduktionsmittellösung jedoch durch eine Sauglanze hindurch nach oben abgeführt wird. Um das Medium in der Leitung zu verflüssigen bzw. im flüssigen Zustand zu halten, ist herkömmlicherweise im Allgemeinen eine Beheizbarkeit der Sauglanze vorgesehen. In einigen Fällen kann durch die beheizbare Sauglanze bereits ein partielles Auftauen des Mediums um die Sauglanze herum erreicht werden, sodass eine Belüftungsleitung durch das gefrorene Medium hindurch ausgebildet wird. Sollte sich diese Belüftungsleitung jedoch nicht in ausreichendem Maße bilden, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei derartigen Anordnungen mit Vorteil eingesetzt werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Bei dem Steuergerät handelt es sich insbesondere um ein Motorsteuergerät einer Brennkraftmaschine oder um ein Steuergerät eines SCR-Katalysators. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm hat den Vorteil, dass ein Computerprogramm ohne Weiteres auf einem Steuergerät installiert werden kann und keine weiteren Anpassungen des Systems für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind. So kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres bei bestehenden Fahrzeugen eingesetzt bzw. nachgerüstet werden, wobei auf die bereits vorhandenen Systemkomponenten für die Durchführung des Verfahrens zurückgegriffen werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen. Hierbei können die verschiedenen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Reduktionsmitteltanks eines SCR-Katalysatorsystems mit gefrorenem Medium und Kavitätsbildung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die Figur illustriert schematisch die Bildung einer Kavität 9 in einem Reduktionsmitteltank 1 mit gefrorener Reduktionsmittellösung. In dieser Ausführungsform umfasst der Reduktionsmitteltank 1 einen inneren Heiztopf 2. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Anordnung mit Heiztopf beschränkt. Innerhalb des Heiztopfes 2 ist im unteren Bereich ein Tankheizer 3 angeordnet. Unterhalb des Tankheizers 3 ist ein Filter 4 vorgesehen, der gewährleistet, dass über eine Ansaugstelle 5 nur flüssiges Medium durch ein Saugrohr 6 mittels einer Reduktionsmittel-Förderpumpe 7 zur Dosiereinrichtung 8 gesaugt wird. Die hier nur schematisch gezeigte Anordnung von Filter 4 und Ansaugstelle 5 ist so ausgeführt, dass alles Medium, das in das Saugrohr 6 fließt, über den Filter 4 läuft.
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Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes des Mediums, insbesondere unterhalb von –11°C friert die Lösung im Reduktionsmitteltank ein. Um dennoch die Bereitstellung von flüssiger Lösung für die Abgasnachbehandlung zu gewährleisten, wird die Harnstofflösung mittels des Tankheizers 3 aufgetaut. Sobald eine Minimalmenge der Lösung aufgetaut ist, kann das flüssige Medium über die Ansaugstelle 5 abgesaugt und über die Dosiereinrichtung 8 in den Abgasstrang eingesprüht werden, sodass die Abgasnachbehandlung im SCR-Katalysator (nicht gezeigt) stattfinden kann. Sofern insbesondere bei verhältnismäßig kurzen Fahrzyklen nur eine Teilmenge der Lösung aufgetaut wird und diese flüssige Lösung teilweise oder vollständig zur Abgasnachbehandlung entnommen wird, bildet sich um die Ansaugstelle 5 bzw. um den Heizer 3 herum ein Hohlraum bzw. eine Kavität 9. Bereits aufgrund des Volumenverlustes der flüssigen Phase gegenüber der gefrorenen Phase bildet sich eine kleine Kavität, die durch das nachfolgende Absaugen von flüssigem Medium weiter vergrößert wird. Diese Kavität wird herkömmlicherweise nicht entlüftet, sodass sich bei weiterem Absaugen von flüssigem Medium zunehmend ein Unterdruck ausbildet, der im Extremfall zum Sieden des Mediums im Tank durch eine Siedepunktverschiebung durch die Druckänderung führt und dadurch das Absaugen des Mediums an der Ansaugstelle 5 erschwert. Zudem kann der Unterdruck und das Sieden des Mediums zu einer Qualitätsverschlechterung der Harnstofflösung führen.
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Erfindungsgemäß wird eine Lösung dieses Problems durch eine Entlüftung der Kavität ermöglicht, indem die Kavität mit Luft befüllt wird. Vorzugsweise wird hierfür die Förderpumpe 7 in Umkehrrichtung betrieben und damit der Kavität Luft zugeführt. Dieses Verfahren bedarf keiner weiteren zusätzlichen Systemkomponenten, beispielsweise ist keine beheizte Entlüftungsleitung erforderlich, sodass das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr kostengünstige Lösung des Problems erlaubt.
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Bei gefrorenem Tank ist eine Verzögerungszeit zulässig, in der der Reduktionsmitteltank beheizt wird, um eine Minimalmenge an flüssiger Reduktionsmittellösung bereitzustellen, bevor das SCR-Katalysatorsystem dosierbereit sein muss. Am Ende der Verzögerungszeit ist aufgrund des Volumenverlustes der flüssigen Phase gegenüber der gefrorenen Phase bereits eine Kavität entstanden. Bereits diese Kavität kann durch Ansteuerung der Förderpumpe in Umkehrrichtung mit Luft bis zu einem gewissen Überdruck gefüllt werden. Anschließend kann eine erste Dosierphase gestartet werden, bei der die lokal aufgetaute flüssige Reduktionsmittellösung an der Ansaugstelle 5 mittels der Pumpe 7 abgesaugt wird und über die Dosiereinrichtung 8 in den Abgasstrang eingesprüht wird. Vorzugsweise wird hierbei so lange Reduktionsmittellösung aus dem Tank gefördert, bis der sich in der Kavität ausbildende Unterdruck eine vorgebbare Grenze erreicht. Anschließend wird die Pumpe 7 erneut in Umkehrrichtung angesteuert, um in dieser Rücksaugphase die inzwischen vergrößerte Kavität erneut mit Luft, vorzugsweise mit Überdruck zu befüllen. Anschließend kann die nächste Dosierphase erfolgen. Diese Abfolge kann so lange weitergeführt werden, bis die Reduktionsmittellösung vollständig aufgetaut ist und damit keine Kavität mehr vorhanden ist oder bis sich die Kavität so weit vergrößert hat, dass eine Verbindung zur Atmosphäre entstanden ist, die eine automatische Belüftung der Kavität bzw. des Hohlraums erlaubt. Bevorzugterweise werden während dieses Ablaufs die sich in der Kavität ausbildenden Druckverhältnisse überwacht, beispielsweise, indem der für den Betrieb der Pumpe erforderliche Strom ausgelesen wird. Da der Stromaufwand für die Pumpe sowohl im Umkehrbetrieb als auch im Saug- bzw. Dosierbetrieb erhöht ist, wenn in der Kavität Unterdruck herrscht, kann aus dem Strombedarf auf die Druckverhältnisse in der Kavität geschlossen werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Abfolge von Dosierphasen und Belüftungsphasen der Kavität durch den Umkehrbetrieb der Förderpumpe 7 zeitgesteuert erfolgen, sodass beispielsweise für jede Phase eine bestimmte Zeitspanne vorgegeben wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise gemäß dem folgenden Ablauf durchgeführt werden, wenn bei einem Motorstart die Reduktionsmittellösung im Tank des SCR-Katalysatorsystems vollständig gefroren ist:
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Phase 1 (Heizphase)
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In einer ersten Verzögerungsphase wird der Reduktionsmitteltank 20 min beheizt, bevor flüssiges Reduktionsmittel dosiert werden kann. Während dieses Heizvorgangs können beispielsweise circa 200 ml der Reduktionsmittellösung auftauen. Durch den Volumenverlust der flüssigen Phase gegenüber der gefrorenen Phase bildet sich eine Kavität mit einem Volumen von circa 20 ml. Vor dem Beginn der Dosierung wird die Förderpumpe in Umkehrrichtung betrieben, bis circa 30 ml Luftvolumen in die Kavität eingebracht sind. Dies entspricht einem Absolutdruck von circa 1,5 bar, was für eine übliche Förderpumpe ohne Weiteres zu erreichen ist.
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Phase 2 (erste Dosierphase)
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Während der Dosierung, bei der flüssige Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang eingesprüht wird, wird das Heizen des Reduktionsmitteltanks weitergeführt. Nach einer Dosiermenge von beispielsweise 30 ml, die die Pumpe bei beispielsweise maximal 136 ml pro Stunde in circa 13 min entnommen hat, hat sich der Absolutdruck in der Kavität auf circa 0,75 bar halbiert. Die Pumpe ist ohne Weiteres in der Lage, auch bei diesem Unterdruck Reduktionsmittellösung weiter zu fördern. Hierbei erhöht sich jedoch der Strombedarf der Pumpe, sodass aus dem aktuellen Strombedarf der Pumpe auf die Druckverhältnisse in der Kavität geschlossen werden kann.
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Phase 3 (Notlaufphase)
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In der Kavität hat sich ein freies Volumen von mehr als 50 ml gebildet. Durch einen Umkehrbetrieb der Förderpumpe können circa 100 ml Luft in die Kavität eingebracht werden, sodass der dort herrschende Unterdruck abgebaut wird.
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Phase 4 (zweite Dosierphase)
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Es erfolgt eine weitere Förderung des flüssigen Reduktionsmittels aus dem Tank für den Betrieb des SCR-Katalysators.
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Diese Phasen der Dosierung und die sogenannten Notlaufphasen, in denen durch einen Umkehrbetrieb der Förderpumpe Luft in das freie Volumen der Kavität eingebracht wird, können in wechselnder Folge durchgeführt werden, um den sich durch die Dosierung bildenden Unterdruck in der Kavität abzubauen. Dies erfolgt so lange, bis sich das Auftauen der Reduktionsmittellösung bis zur Oberfläche der Lösung fortgesetzt hat.
