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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems insbesondere für einen SCR-Katalysator nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Dosiersystem für einen SCR-Katalysator, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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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 Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang mithilfe einer Dosiereinrichtung eingespritzt wird. Zur Bevorratung der Harnstofflösung als Reduktionsmittel ist ein Reduktionsmitteltank vorgesehen.
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Der Reduktionsmitteltank ist üblicherweise mit einer Saugleitung ausgestattet, um die Harnstofflösung aus dem Tank absaugen zu können. Zur Förderung der Harnstofflösung ist als Fördermodul eine Pumpe vorgesehen, die die Lösung durch ein Leitungssystem der Dosiereinrichtung, insbesondere durch eine Druckleitung fördert, sodass die Reduktionsmittellösung über ein Dosiermodul, insbesondere wenigstens ein Dosierventil, beispielsweise ein elektromagnetisches Einspritzventil, unter Druck in den Abgasstrang eingespritzt werden kann. Für das Einspritzen der Harnstofflösung in den Abgasstrang werden im Allgemeinen elektronisch gesteuerte Ventile verwendet, die ein bedarfsgerechtes Einspritzen der Lösung ermöglichen.
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Die üblicherweise verwendete, in DIN-Normen definierte Harnstofflösung hat die Eigenschaft, bei circa –11°C zu gefrieren. Die mit dem Gefrieren einhergehende Volumenausdehnung der Lösung kann zu Schädigungen an den Leitungen und insbesondere an den Ventilen führen. Daher ist es in der Regel vorgesehen, nach dem Abstellen des Motors die Lösung aus dem Dosiermodul in den Tank zurückzusaugen. Damit wird erreicht, dass das System bei Temperaturen von –11°C oder weniger gefrieren kann, ohne dass Schädigungen durch die Volumenausdehnung der gefrierenden Lösung zu befürchten sind. Allerdings kann bei Fahrzeugen mit Notaus-Schalter nach einem Notaus nicht mehr die Lösung in den Tank zurückgesaugt werden. Friert das System in diesem Zustand ein, kann es zu Schädigungen an den Leitungen und den Einspritzventilen kommen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Eisdruck verursachte Schäden in einem Dosiersystem für einen SCR-Katalysator, insbesondere Schäden an den Ventilen, wirksam zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems insbesondere für einen SCR-Katalysator einer Brennkraftmaschine gelöst, wie es Gegenstand des Anspruchs 1 ist. Weiterhin erlaubt ein Dosiersystem für einen SCR-Katalysator gemäß dem unabhängigen Anspruch 11 eine Lösung dieser Aufgabe. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Dosiersystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, das flüssige Medium sehr schnell, insbesondere innerhalb von weniger als einer Sekunde, aus dem Dosiermodul zurückzusaugen, ohne dass beispielsweise eine Umkehrung der Förderrichtung der Pumpe zum Zurücksaugen der Lösung in den Tank erforderlich wäre. Hierbei wird die Trägheit der Flüssigkeit in der Leitung genutzt, um die Lösung aus dem Dosiermodul und insbesondere den Dosierventilen zu entfernen. Erfindungsgemäß wird hierfür nach Beendigung einer Dosierung bei geschlossenen Dosierventilen und bestehendem Systemdruck zunächst ein zwischen dem Reduktionsmitteltank und der Druckleitung angeordnetes Entlastungsventil zum Tank hin geöffnet. Dies bewirkt, dass die in der Leitung unter Druck stehende Flüssigkeitssäule sich entspannt. Anschließend wird das Dosiermodul, also insbesondere ein oder mehrere Dosierventile, geöffnet, sodass während dieser Öffnungszeit Luft aus dem Abgastrakt in das Dosiermodul eingesaugt wird. Die Öffnung des Dosiermoduls erfolgt vorzugsweise solange, wie der Druck im System unterhalb des Umgebungsdrucks (Unterdruck) liegt. Die auf diese Weise eingesaugte Luft ist ausreichend, um die Flüssigkeit aus dem Dosiermodul in die Leitungen zurückzusaugen, sodass das Dosiermodul, insbesondere die Dosierventile, soweit frei von Flüssigkeit sind, dass es nicht mehr zu Schäden an den Dosierventilen durch einen Eisdruck kommen kann.
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Vorzugsweise ist der Strömungsquerschnitt des Entlastungsventils genauso groß oder größer als der Innendurchmesser der Leitungen. Hierdurch erfolgt in besonders vorteilhafter Weise eine Entspannung der unter Druck stehenden Lösung in der Leitung bei Öffnen des Entlastungsventils.
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Bei dem Entlastungsventil kann es sich beispielsweise um ein Zweiwege-Ventil handeln, insbesondere um ein 2/2-Ventil.
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Die kurzzeitige Öffnung des Dosiermoduls bzw. eines oder mehrerer der Dosierventile insbesondere während des anliegenden Unterdrucks erfolgt beispielsweise für circa 100 bis 500 ms. Diese Zeit ist ausreichend, um Luft in ausreichender Menge aus dem Abgastrakt in das Dosiermodul zu saugen, sodass keine Flüssigkeit mehr in dem Dosiermodul verbleibt, die durch eine Volumenausdehnung bei dem Gefrieren der Lösung Schäden in einem oder mehreren der Dosierventile verursachen könnte. In dieser Zeitspanne können circa 1 bis 8 cm3 angesaugt werden, die in der Regel ausreichend sind, um die Eisdruckfestigkeit des Ventils sicher zu stellen.
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In den nachfolgend beschriebenen besonders bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das durch das Dosiermodul eingesaugte Luftvolumen vergrößert, sodass die Eisdruckfestigkeit des Dosiermoduls weiter erhöht wird. Das kann beispielsweise derart realisiert werden, dass der Systemdruck des Dosiersystems auf einen Druck oberhalb des Systemdrucks im Normalbetrieb erhöht wird. Hierdurch erhöht sich die in der Druckleitung gespeicherte Energie und das in der Folge bei der Druckentlastung zurückgesaugte Luftvolumen vergrößert sich. Die Erhöhung des Druckniveaus kann beispielsweise durch eine Steuergerätefunktion realisiert werden.
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Die Druckleitung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Druckspeicherung ermöglicht. Weiterhin ist die Druckleitung vorzugsweise so ausgebildet, dass sie bei einer Druckentlastung einen vernachlässigbaren Reibungsverlust aufweist. Hierfür kann die Druckleitung mit einer besonders niedrigen effektiven Steifigkeit ausgestaltet sein, um die gespeicherte Federenergie bei konstantem Druck zu vergrößern. Beispielsweise kann die Steifigkeit der Druckleitung weniger als 250 N/mm2 und insbesondere weniger als 150 N/mm2 betragen. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die Druckleitung mit einem verhältnismäßig großen Innendurchmesser, beispielsweise einem Innendurchmesser von > 3 mm, gewählt werden, um so den Strömungswiderstand während des Rücksaugens zu verringern. Diese verschiedenen Maßnahmen können einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander realisiert werden, um so das angesaugte Luftvolumen zu vergrößern.
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Um das Verfahren weiter zu optimieren, kann der Druckaufbau und die Entlastung ein- oder mehrfach wiederholt werden. Hierbei erfolgt nach der Druckentlastung der Leitung durch das Öffnen des Entlastungsventils und der kurzzeitigen Öffnung des Dosiermoduls ein erneuter Druckaufbau, indem das Dosiermodul und das Entlastungsventil geschlossen werden und das Fördermodul erneut bis zu einem gewünschten Druck betrieben wird. Anschließend wird das Entlastungsventil erneut geöffnet und das Dosiermodul erneut kurzzeitig geöffnet, sodass ein weiteres Luftvolumen in das Dosiermodul eingesaugt werden kann. Durch die zusätzliche Federwirkung der bereits eingesaugten Luft im System ist die nach dem wiederholten Druckaufbau zurückgesaugte Luftmenge etwas größer als bei der ersten Entlastung des Systems. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere dann mit Vorteil eingesetzt werden, wenn ein Stromlosschalten des Systems in weniger als einer Sekunde nicht erforderlich ist. Dies gilt zum Beispiel für alle Personenkraftfahrzeuge sowie für Nutzkraftfahrzeuge ohne Not-Ausfunktion sowie für das reguläre Abstellen von. Nutzkraftfahrzeuge, die nicht durch Not-Aus abgestellt werden. Wenn Nutzkraftfahrzeuge mit Not-Ausfunktion durch Not-Aus abgestellt werden, kann in jedem Fall das anfangs beschriebene erfindungsgemäße Verfahren mit nur einfacher Entlastung des Systems zum Rücksaugen der Flüssigkeit aus den Dosierventilen auch bei einem Not-Ausbetrieb eingesetzt werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Flüssigkeits- und/oder Luftvolumen in einem dem Dosiermodul zugeordneten separaten Druckspeicher zwischengespeichert. Hierdurch kann die Federenergie, die bei der Druckentlastung des Systems eine Beschleunigung der Flüssigkeit in der Druckleitung bewirkt, gespeichert werden. Die hierbei erreichbare höhere kinetische Energie der Flüssigkeitssäule erlaubt das Einsaugen eines größeren Luftvolumens. Der Druckspeicher kann auch zur Aufnahme des Flüssigkeits- oder Luftvolumens dienen, welches durch Ausdehnung der Flüssigkeit in der Druckleitung, beispielsweise bei Eisdruck, in das Dosiermodul gedrückt wird. Auf diese Weise kann der Überdruck in diesen Lastfällen begrenzt werden, und das Zurücklaufen der Reduktionsmittellösung in das oder die Dosierventil(e) wird vermieden. Schließlich bewirkt der Druckspeicher eine Dämpfung der Druckpulsationen, wodurch Druckspitzen, also positive oder negative Abweichungen vom mittleren Systemdruck reduziert und Schwankungen in der Dosiermenge bzw. in den Sprayeigenschaften verringert werden. Das aufnehmbare Volumen des Druckspeichers kann beispielsweise 1 bis 10 cm3 betragen, um auf Druckänderungen zwischen 1 bar und 6 bar reagieren zu können. Der Druckspeicher ist beispielsweise als Elastomer-Membran oder Faltenbalg, insbesondere als federbelasteter Faltenbalg, realisiert.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Dosiersystem für einen SCR-Katalysator einer Brennkraftmaschine mit einem Reduktionsmitteltank, einem Fördermodul, wenigstens einem Dosiermodul und einer Druckleitung, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Hierbei weist das Dosiersystem wenigstens ein Entlastungsventil zwischen dem Reduktionsmitteltank und der Druckleitung auf. Vorzugsweise weist das Entlastungsventil, das beispielsweise als ein Zweiwege-Ventil realisiert ist, einen wenigstens so großen Strömungsquerschnitt wie die Leitungen auf. Dem Dosiermodul kann mit Vorteil ein separater Druckspeicher zugeordnet sein, der beispielsweise als Elastomer-Membran oder als Federbalg, beispielsweise als federbelasteter Federbalg, ausgestaltet ist. Dieses Dosiersystem erlaubt ein sehr schnelles Rücksaugen. von Flüssigkeit aus dem Dosiermodul, insbesondere aus dem oder den Dosierventil(en), wobei Luft in das oder die Dosierventil(e) eingesaugt wird und damit Schäden an den Dosierventilen bei einem Gefrieren der Lösung und dem damit einhergehenden Eisdruck zuverlässig vermieden werden. Hierfür wird nach Beendigung des Dosiervorgangs, also bei geschlossenem Dosiermodul, und bei bestehendem Systemdruck das Entlastungsventil geöffnet, sodass sich die Flüssigkeitssäule in der Druckleitung entspannt. Wenn nun das Dosiermodul. insbesondere kurzzeitig geöffnet wird, wird durch die Trägheit der Flüssigkeit Luft in das Dosiermodul eingesaugt. Bezüglich weiterer Merkmale des erfindungsgemäßen Dosiersystems wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführen kann, 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 Rechengerät oder einem Steuergerät, insbesondere dem Steuergerät eines SCR-Katalysatorsystems eines Kraftfahrzeugs oder dem Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgeführt wird. Mithilfe dieses Computerprogramms oder des Computerprogrammprodukts kann die Flüssigkeit aus dem oder den Dosiermodul(en) in das Druckleitungssystem eines SCR-Katalysators sehr schnell, insbesondere in weniger als einer Sekunde, zurückgesaugt werden, sodass sich anschließend Luft in den Dosierventilen befindet und Schädigungen durch Eisdruck an den Ventilen vermieden werden. Für die Durchführung des Verfahrens ist lediglich die Installation eines Entlastungsventils zwischen dem Reduktionsmitteltank und der Druckleitung erforderlich. Ansonsten sind keine weiteren Systemkomponenten notwenig, sodass das erfindungsgemäße Verfahren durch Implementierung des Computerprogramms auf einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs auch bei bestehenden Fahrzeugen eingesetzt werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen. Hierbei können die verschiedenen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems für einen SCR-Katalysator und
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2 eine Darstellung von verschiedenen Messgrößen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in 1 schematisch gezeigte Dosiersystem für einen SCR-Katalysator umfasst einen Reduktionsmitteltank 10, ein Fördermodul 11, ein Dosiermodul 12 und eine Druckleitung 13. Mithilfe des Fördermoduls 11, insbesondere einer Pumpe, wird die in dem Tank 10 bevorratete wässrige Harnstofflösung aus dem Tank 10 durch die Druckleitung 13 gefördert und über ein oder mehrere elektronisch gesteuerte(s) Ventil(e) als Bestandteil(e) des Dosiermoduls 12 bedarfsgerecht in den Abgasstrang eingespritzt. Zur Entleerung des Leitungssystems kann eine Rücklaufdrossel 15 vorgesehen sein. Erfindungsgemäß weist das Dosiersystem ein Entlastungsventil 14 auf, das in räumlicher Nähe des Tanks 10 angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Zweiwege-Ventil (2/2-Ventil), das im Wesentlichen einen gleichen oder größeren Strömungsquerschnitt wie die Leitungen aufweist. Die Erfindung nutzt die Trägheit der Harnstofflösung in dem Leitungssystem, um ein sehr schnelles Rücksaugen der Flüssigkeit aus dem Dosiermodul 12 zu erreichen. Das Rücksaugen bzw. Entfernen der Flüssigkeit aus dem Dosiermodul, also insbesondere den Dosierventilen, ist erforderlich, um bei einem Gefrieren der Lösung durch die damit verbundene Volumenerhöhung Schädigungen durch den Eisdruck in dem Dosiermodul zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass nach Beendigung der Dosierung bei abgestellter Pumpe 11 und vollem Systemdruck das Entlastungsventil 14 zum Tank 10 hin geöffnet wird. Die in der Leitung unter Druck stehende Flüssigkeitssäule wird hierdurch entspannt. Bei nun erfolgender insbesondere kurzzeitiger Öffnung eines Dosierventils oder mehrerer Dosierventile des Dosiermoduls 12 wird Luft aus dem Abgastrakt (nicht dargestellt) in das Dosiermodul 12 gesaugt. Die hierbei angesaugte Luft von circa 1–8 cm2 ist ausreichend, um die Eisdruckfestigkeit des Ventils zu gewährleisten.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Dosiersystem durch einen separaten Druckspeicher 16 am Dosiermodul ergänzt werden. Der Druckspeicher 16 kann beispielsweise als Elastomer-Membran oder federbelasteter Federbalg realisiert sein. Der Druckspeicher 16 ermöglicht eine Speicherung einer Federenergie, die bei der Druckentlastung des Systems eine weitere Beschleunigung der Flüssigkeit in der Druckleitung 13 bewirkt. Mit der damit erreichbaren höheren kinetischen Energie der Flüssigkeitssäule wird das eingesaugte Luftvolumen weiter erhöht. Ein weiterer besonderer Vorteil des separaten Druckspeichers 16 ist die Aufnahmemöglichkeit für Flüssigkeit oder Luft, welche bei der Ausdehnung der Flüssigkeit in der Druckleitung insbesondere bei Temperaturen um den Gefrierpunkt der Lösung in das Dosiermodul gedrückt wird. Die hierdurch erreichbare Begrenzung des Überdrucks in diesen Lastfällen ist eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Schäden an den Dosierventilen 12 und vermeidet zudem ein Zurücklaufen der Reduktionsmittellösung nach dem Einsaugen von Luft. Schließlich bewirkt der Druckspeicher 16 eine Dämpfung der Druckpulsationen und reduziert die positiven und negativen Druckspitzen durch eine Verminderung von Schwankungen in der Dosiermenge und verbessert damit die Sprayeigenschaften. Der Druckspeicher 16 kann beispielsweise derart ausgelegt sein, dass er zur Aufnahme von 1–10 cm3 geeignet ist. Diese Volumenauslegung ist beispielsweise für Druckänderungen zwischen 1 bar und 6 bar besonders geeignet.
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2 illustriert verschiedene Mess- und Betriebsgrößen bei dem Ansaugen von Luft in das Dosiermodul 12 innerhalb von weniger als einer Sekunde im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt sind die Geschwindigkeit der Förderpumpe 11 (A), die Flussgeschwindigkeit an dem Entlastungsventil 14 (B), der Druck am Dosiermodul 12 (C), die Flussrate am Dosiermodul 12 (D) und das eingesaugte Luftvolumen (E).
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Erfasst wurden die dargestellten Werte bei einem Versuchsaufbau mit einer Länge der Leitung von 9 Metern, wobei der innere Durchmesser des Leitungssystems 3,2 mm betrug. Zwischen 0,1 und 0,2 s wird die Geschwindigkeit der Förderpumpe 11 auf 0 heruntergefahren (A). Zum gleichen Zeitpunkt wird das Entlastungsventil 14 geöffnet, sodass die Durchflussfläche des Entlastungsventils 14 von 0 auf circa 3,6 mm2 steigt (B). Der Druck am Dosiermodul sinkt auf 0 ab (C), da sich die Flüssigkeitssäule durch das Öffnen des Entlastungsventils 14 entspannt. Durch Öffnen des Dosierventils steigt die Flussrate am Dosiermodul 12 (D). Hierbei wird Luft eingesaugt, sodass das Luftvolumen außerhalb des Leitungssystems abnimmt (E). Diese Luft wird in das Dosiermodul bzw. in das Dosierventil 12 eingesaugt. Insgesamt werden bei diesem Vorgang innerhalb von circa 0,3 s ungefähr 2 cm3 in das Dosierventil 12 eingesaugt. Diese innerhalb von kürzester Zeit in das Dosiermodul eingesaugte Luft gewährleistet eine Eisdruckfestigkeit des Ventils, da sich im Ventil keine Flüssigkeit mehr befindet.
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Das Volumen der eingesaugten Luft kann durch verschiedene Maßnahmen weiter erhöht werden. Beispielsweise kann das Druckniveau im Leitungssystem durch eine Steuergerätfunktion über den regulären Systemdruck erhöht werden. Die Druckleitung kann mit besonders niedriger effektiver Steifigkeit realisiert werden. Der Innendurchmesser der Leitung kann größer, insbesondere größer als 3 mm, gewählt werden, um so den Strömungswiderstand während des Rücksaugens zu verringern.
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In besonders bevorzugter Weise kann das Verfahren um einen erneuten Druckaufbau durch Schließen des Dosierventils und des Entlastungsventils und den Betrieb der Dosierpumpe bis zum Erreichen des gewünschten Druckes erweitert werden. Der hierbei erreichbare Druck kann von dem nominalen Systemdruck abweichen. Nach Erreichen des vorgesehenen Drucks wird das System erneut entlastet und entleert. Durch die zusätzliche Federwirkung der bereits eingesaugten Luft im System ist die bei der Wiederholung zurückgesaugte Luftmenge größer als bei der nur einmaligen Durchführung des Verfahrens. Diese Wiederholung kann beliebig oft hintereinander durchgeführt werden.
