DE102011002902A1

DE102011002902A1 - Steuerung einer Tankheizung

Info

Publication number: DE102011002902A1
Application number: DE102011002902A
Authority: DE
Inventors: Rainer Haeberer; Claudius Henkel; Dirk Welting
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-07-26
Also published as: FR2970789A1; FR2970789B1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Steuerung einer Heizeinrichtung, welche in einem Tank angeordnet ist und ein PTC-Element aufweist, insbesondere zur Steuerung der Heizeinrichtung eines Reduktionsmitteltanks, wird das Einschaltsignal für die Heizeinrichtung aus dem Messsignal eines in dem Tank angeordneten Füllstandssensors und aus dem PTC-Signal der Heizeinrichtung ermittelt. Ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der dieses Verfahren ausführt, kann ohne Weiteres in bestehenden SCR-Systemen eingesetzt werden. Es ist lediglich eine Anpassung der Steuerungssoftware durch Aufspielen des auf dem Computerprogrammprodukt gespeicherten Computerprogramms erforderlich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Heizeinrichtung, welche in einem Tank angeordnet ist, insbesondere zur Steuerung der Heizeinrichtung eines Reduktionsmitteltanks. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einen Tank, insbesondere einen Reduktionsmitteltank, umfassend einen Füllstandsensor, eine Heizeinrichtung mit PTC-Element und ein Steuergerät, auf dem ein Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
Stand der Technik
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Eeduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NO_x) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff (N₂) reduziert. Solche SCR-Katalysatoren werden insbesondere zur Verringerung des Stickoxidgehalts in Abgasen von Dieselmotoren eingesetzt, welche in Kraftfahrzeugen Verwendung finden.
Durch SCR kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich vermindert werden. Für den Ablauf der Reduktion wird Ammoniak (NH₃) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird und mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. Als Reduktionsmittel werden daher NH₃ bzw. NH₃-abspaltende Reagenzien eingesetzt. Im Kfz-Bereich wird hierfur in der Regel gemäß DIN 70070 eine 32,5%ige wässrige Harnstofflosung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die kommerziell unter dem Markennamen AdBlue^® erhaltlich ist. Diese Lösung wird mit Hilfe eines Einspritzsystems vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt. In einem vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolysekatalysator bildet sich aus dieser Lösung NH₃, das als Reduktionsmittel wirkt. Ein solches SCR-System wird beispielsweise unter dem Namen Denoxtronic^® von der Firma Robert Bosch GmbH vertrieben.
Zur Bevorratung der Harnstoffwasserlösung im Reduktionsmitteltank ist ein HWL-Tank vorhanden. Die Menge des eingespritzten Harnstoffs ist von der motorischen Stickoxidemission und damit von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment des Motors abhängig. Der Verbrauch an Harnstoffwasserlösung betragt abhängig von der Rohemission des Motors etwa 2 bis 8% des verbrauchten Dieselkraftstoffs. Aus diesem Grunde muss der Füllstand im HWL-Tank erfasst werden. Zur Messung des Füllstands ist ein Füllstandsensor bzw. Levelsensor vorgesehen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen kapazitiven Sensor oder einen Ultraschallsensor handeln Die kapazitive Messung ist auch als Konduktivmessung bekannt. Bei Erreichen eines bestimmten Füllstandes wird der elektrische Strom zwischen zwei Elektroden durch die im Tank enthaltene HWL-Lösung geleitet. Dabei ändert sich der Widerstand zwischen zwei Messelektroden durch An- oder Abwesenheit der HWL-Lösung. Durch die Verwendung von Wechselstrom im Messstromkreis wird eine Korrosion des Sondenstabs durch elektrochemische Reaktionen der HWL-Lösung vermieden. Zur sicheren Messung bei bewegter Flüssigkeitsoberfläche während der Fahrt ist oft eine Zeitverzögerung des Ausgangssignals vorgesehen. Konduktivsonden mit einer Elektrode oder mit zwei Elektroden können in Metalltanks als Voll- oder Leermelder eingesetzt werden und Konduktivsonden mit drei Elektroden können als Voll- und Leermelder auch in nichtmetallischen Behältern verwendet werden. Bei Einstabsonden dient die elektrisch leitende Behälterwand als Gegenelektrode. Die Messung mit Ultraschall beruht auf einer Laufzeitmessung. Die durch einen Sensor ausgesandten Ultraschallimpulse werden von der Oberfläche des im Tank enthaltenen Mediums reflektiert und wieder vom Sensor erfasst. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Tankteil. Dieser Wert wird von der gesamten Standhöhe der HWL-Lösung abgezogen und man erhält daraus den Fullstand. Bedingt durch das Ausschwingverhalten des Sensors gibt es unmittelbar unterhalb des Sensors einen Bereich, der Blockdistanz genannt wird. In dem Bereich können keine Impulse empfangen werden. Die sogenannte Blockdistanz bestimmt den minimalen Abstand zwischen dem Messgerät und dem maximalen Füllstand.
Da die wässrige Harnstofflösung AdBlue^® bei –11°C gefriert, bei tieferen Temperaturen jedoch nach einer vorgegebenen Zeit eine Eindüsung von wässriger Harnstofflösung in den SCR-Katalysator vorgeschrieben ist, wird der Reduktionsmitteltank beheizt. Der Tank ist mit einer entsprechenden elektrischen Heizeinrichtung ausgestattet. Diese Tankheizung basiert üblicherweise auf dem PCT-Prinzip (Positive Temperature Coefficient). Bei PCT-Thermistoren bzw. Kaltleitern handelt es sich um stromleitende Materialien, die bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten können als bei hohen. Ihr elektrischer Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur. Das bedeutet, dass sich, falls die Temperatur zu hoch wird, die Heizeinrichtung selbst abregelt, d. h. der Strom abfällt.
Das Einschalten der Tankheizung folgt einem Temperatursensor, der üblicherweise im Fullstandsersor integriert ist. Der Füllstandsensor ist dementsprechend in unmittelbarer Nähe der Heizeinrichtung positioniert. Dieser Temperatursensor stellt einen Kostenfaktor bei der Produktion des Reduktionsmitteltanks dar. Außerdem kann ein Ausfall dieses Temperatursensors zu einer Fehlfunktion des SCR-Systems führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Steuerung einer Heizeinrichtung, insbesondere zur Steuerung der Heizeinrichtung des Reduktionsmitteltanks, bereitzustellen, welches auch dann durchgeführt werden kann, wenn der Tank über keinen Temperatursensor verfügt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Steuerung einer Heizeinrichtung, welche in einem Tank angeordnet ist und ein PTC-Element aufweist, insbesondere zur Steuerung der Heizeinrichtung eines Reduktionsmitteltanks, gelöst, wobei das Einschaltsignal für die Heizeinrichtung aus dem Messsignal eines in dem Tank angeordneten Füllstandsensors bzw. Levelsensors und aus dem PTC-Signal der Heizeinrichtung ermittelt wird
Die sich im Tank befindende Flüssigkeit, insbesondere eine HWL-Lösung, unterliegt großen Schwappbewegungen, d. h. dass beispielsweise die Sensorstifte eines kapazitiven Füllstandsensors abwechselnd ein- oder austauchen werden. Über eine statische Betrachtung des Messignals kann jedoch der Flüssigkeitsstand ausreichend genau bestimmt werden. Das Schwappsignal ist allerdings zugleich ein Indiz, ob die den Füllstandsensor umgebende Flüssigkeit gefroren ist. Die wässrige Harnstoffwasserlösung AdBlue^® gefriert beispielsweiseschwammartig, d. h. in einem Reduktionsmitteltank bildet sich zunächst ein noch für Flüssigkeiten durchlässiges Eisskelett. Die Schwappbewegungen der HWL-Lösung werden durch dieses sich bildende Eisskelett stark gedämpft, was aus dem Schwappsignal des Füllstandsensors ersichtlich wird. Ist die Flüssigkeit vollständig gefroren, so wird das Füllstandsensorsignal dies eindeutig anzeigen. Es ist daher besonders bevorzugt, dass die Heizeinrichtung eingeschaltet wird, wenn das Messsignal des Füllstandsensors zeigt, dass die Anzahl der Schwappereignisse einer Flüssigkeit, welche im Tank enthalten ist, gegenüber ihrer Anzahl von Schwappereignissen bei einer Temperatur von 20°C verringert ist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Füllstandsensor um einen kapazitiven Sensor oder einen Ultraschallsensor.
Wenn eine Heizeinrichtung auf dem PTC-Prinzip basiert, bedeutet dies, dass aus der Höhe des Heizstroms und dem zeitlichen Verlauf des Stroms auf die die Heizung umgebende Temperatur geschlossen werden kann. Ist die Heizung von einer gefrorenen Flüssigkeit umgeben, so ist der Stromverlauf gegenüber dem bei einer Temperatur von beispielsweise 20°C verzögert. Der Phasensprung Eis/Flüssigkeit beansprucht sehr viel Energie. Wird die Heizeinrichtung von Flüssigkeit umgeben, so ist der charakteristische Stromverlauf weitaus kürzer. Es ist daher bevorzugt, dass die Heizeinrichtung eingeschaltet wird, wenn der Stromverlauf des Heizstroms der Heizeinrichtung gegenüber dem Stromverlauf bei einer Temperatur der zu beheizenden Flüssigkeit von 20°C verzögert ist.
Wie in der noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung Nr. DE 10 2010 038 361.9 beschrieben ist, deren Offenbarung vollständig in diese Patentanmeldung miteinbezogen wird, kann zur Bestimmung der Temperatur einer beheizten Flüssigkeit während des Betriebs einer Heizeinrichtung wenigstens eine Größe erfasst werden, die den Strom und/oder die Spannung und/oder den Widerstand an einem PTC-Element charakterisiert. Aus diesen erfassten Werten wird wenigstens ein Leitwert für das PTC-Element gebildet. Der Leitwert wird über die Zeit erfasst bzw. ist von der Zeit abhangig. Aus dem Leitwert wird wenigstens ein Prädikator als Funktion des von der Zeit abhängigen Leitwerts gebildet. Der wenigstens eine Prädikator wird zum Rückschluss auf die Temperatur der Flussigkeit im Tank ausgewertet. Die Auswertung des Leitwertverlaufs während der Heizperiode erlaubt einen Rückschluss auf die Temperatur der Heizeinrichtung zum Beginn der Heizperiode. Da davon auszugehen ist, dass die Temperatur der Heizeinrichtung und die Temperatur des Mediums zum Beginn der Heizperiode aneinander angeglichen sind, kann aus der Temperatur der Heizeinrichtung unmittelbar auf die Temperatur des Mediums geschlossen werden. Sollte beispielsweise aufgrund einer kurz zuvor abgelaufenen Heizphase davon auszugehen sein, dass die Temperatur des Mediums und die Temperatur der Heizeinrichtung nicht vollständig aneinander angeglichen sind, kann dies durch geeignete Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Bei zunehmender Dauer der Aktivierung der Heizeinrichtung wird die mittels des PTC-Elements erfasste Information über die Temperatur zunehmend genauer. Deshalb ist es weiterhin bevorzugt, dass die Heizeinrichtung eingeschaltet wird, wenn durch Erfassen wenigstens einer Größe, die den Strom oder die Spannung oder den Widerstand am PTC-Element während des Betriebs des Heizelements charakterisiert, das Bilden wenigstens eines Leitwerts aus den erfassten Werten, das Bilden wenigstens eines Prädikators aus dem von der Zeit abhängigen Leitwert und Auswerten des wenigstens einen Prädikators zum Rückschluss auf die Temperatur des Tankinhalts auf eine Temperatur des Tankinhalts geschlossen wird, welche eine bestimmte Minimaltemperatur T_min unterschreitet. Es ist besonders bevorzugt, dass der wenigstens eine Prädikator das Integral des von der Zeit abhängigen Leitwerts ist.
Üblicherweise besitzt jedes Fahrzeug einen Sensor für die Umgebungstemperatur. Da der Sensor jedoch räumlich von der Tankheizung entfernt ist, kann er allein für das Einschalten der Heizeinrichtung nur einen groben Hinweis geben. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass bei der Ermittlung des Einschaltsignals für die Heizeinrichtung weiterhin das Signal des fahrzeugseitigen Temperatursensors berücksichtigt wird. Besonders bevorzugt wird die Heizeinrichtung nur dann eingeschaltet, wenn die vom fahrzeugseitigen Temperatursensor ermittelte Umgebungstemperatur T₁ einen bestimmten Wert T₂ unterschreitet.
Erfindungsgemäß erfolgt die Entscheidung, ob die Tankheizung ein- oder ausgeschaltet werden soll, bevorzugt durch eine Plausibilisierung aller in dem Steuerungsverfahren ermittelter Messgrößen.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Das Computerprogramm liegt als Computerprogrammprodukt mit Programmcode vor, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgefuhrt wird. Bei einem solchen Computerprogramm lässt sich in sehr vorteilhafter Weise die Heizeinrichtung eines Reduktionsmittelstanks in einem SCR-Katalysatorsystem steuern. Der besondere Vorteil des Computerprogramms besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres bei bestehenden SCR-Katalysatorsystemen eingesetzt werden kann, ohne dass weitere Komponenten in das SCR-Katalysatorsystem eingebaut werden müssten. Vielmehr ist sogar ein Verzicht auf den Temperatursensor im Reduktionsmitteltank möglich. Es ist lediglich eine Anpassung der Steuerungssoftware der Heizeinrichtung durch Aufspielen des auf dem Computerprogrammprodukt gespeicherten Computerprogramms erforderlich.
Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung einen Tank, insbesondere einen Reduktionsmitteltank, umfassend einen Füllstandsensor, eine Heizeinrichtung mit PTC-Element und ein Steuergerät, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ohne das erfindungsgemäße Verfahren dadurch einzuschränken. Die einzelnen Merkmale können jeweils allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Zeichnung
In der 1 ist schematisch ein Reduktionsmitteltank gemäß dem Stand der Technik abgebildet.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die 1 zeigt einen Reduktionsmitteltank gemäß dem Stand der Technik, welcher in einem SCR-System, wie beispielsweise Denoxtronic^® von der Firma Robert Bosch GmbH, verwendet werden kann. Dieser Tank umfasst eine Tankwand 1, eine dann enthaltene wässrige Harnstofflösung 2, einen Elektrodenstab eines kapazitiven Füllstandsensors 3, eine in die elektrisch leitfähige Behälterwand integrierte Gegenelektrode, welche einen Temperatursensor 4 enthält, sowie eine Heizeinrichtung 5.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Reduktionsmittel in einem Tank zu bevorraten, welcher sich von dem im Stand der Technik bekannten Tank dadurch unterscheidet, dass auf den Temperatursensor 4 verzichtet werden kann. Hierbei erfolgt die Steuerung der Heizeinrichtung des Reduktionsmitteltankes dadurch, dass das Einschaltsignal für die Heizeinrichtung aus dem Messsignal eines in dem Tank angeordneten Füllstandsensors oder aus dem PTC-Signal der Heizeinrichtung ermittelt wird, wobei weiterhin das Signal eines fahrzeugseitigen Temperatursensors berücksichtigt wird. Die Entscheidung, ob die Heizeinrichtung ein- oder ausgeschaltet werden soll, erfolgt durch Plausibilisierung dieser Signale. Wenn das Messsignal des Füllstandsensors zeigt, dass die Anzahl der Schwappereignisse der HWL-Lösung, welche in dem Tank enthalten ist, gegenüber ihrer Anzahl von Schwappereignissen bei einer Temperatur von 20°C verringert ist, ist dies ein Hinweis darauf, die Heizeinrichtung einzuschalten. Wenn der Stromverlauf des Heizstroms der Heizeinrichtung gegenüber dem Stromverlauf bei einer Temperatur der zu beheizenden HWL-Lösung von 20°C verzögert ist, so ist dies ebenfalls ein Hinweis darauf, die Heizeinrichtung einzuschalten. Wenn die vom fahrzeugseitigen Temperatursensor gemessene Außentemperatur –5°C unterschreitet, ist dies ebenfalls ein Hinweis darauf, die Heizeinrichtung einzuschalten. Wie durch eine Plausibilisierung dieser drei Signale eine Folgerung über das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung 5 geschlossen werden kann, ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1

	Messgröße		Folgerung
Schwappen	Stromverlauf PTC	Außentemperatur
normal	nicht eingeschaltet	≥ –5°C	Heizen nicht erforderlich
normal	normal	< –5°C	Heizen erforderlich
reduziert	verlängert	< –5°C	Heizen erforderlich
kein Schwappen	verlängert	< –5°C	Heizen erforderlich

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es das Verbauen von Reduktionsmitteltanks, welche nicht über einen Temperatursensor verfügen, in herkömmlichen SCR-Systemen ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010038361 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 70070 [0003]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Heizeinrichtung (5), welche in einem Tank angeordnet ist und ein PTC-Element aufweist, insbesondere zur Steuerung der Heizeinrichtung (5) eines Reduktionsmitteltanks, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltsignal für die Heizeinrichtung (5) aus dem Messsignal eines in dem Tank angeordneten Füllstandsensors (3) und aus dem PTC-Signal der Heizeinrichtung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) eingeschaltet wird, wenn das Messsignal des Füllstandsensors (3) zeigt, dass die Anzahl der Schwappereignisse einer Flüssigkeit (2), welche in dem Tank enthalten ist, gegenüber ihrer Anzahl von Schwappereignissen bei einer Temperatur von 20°C verringert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) eingeschaltet wird, wenn der Stromverlauf des Heizstroms der Heizeinrichtung (5) gegenüber dem Stromverlauf bei einer Temperatur der zu beheizenden Flüssigkeit (2) von 20°C verzögert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) eingeschaltet wird, wenn durch Erfassen wenigstens einer Größe, die den Strom und/oder die Spannung und/oder den Widerstand am PCT-Element während des Betriebs des Heizelements charakterisiert, das Bilden wenigstens eines Prädikators aus den erfassten Werten, Bilden wenigstens eines Leitwerts aus dem von der Zeit abhängigen Leitwert und Auswerten des wenigstens eines Prädikators zum Rückschluss auf die Temperatur des Tankinhalts auf eine Temperatur des Tankinhalts (2) geschlossen wird, welche eine bestimmte Temperatur T_min unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Prädikator das Integral des von der Zeit abhängigen Leitwerts ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Einschaltsignals für die Heizeinrichtung (5) weiterhin das Signal eines fahrzeugseitigen Temperatursensors berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) nur dann eingeschaltet wird, wenn die vom fahrzeugseitigen Temperatursensor ermittelte Temperatur T₁ einen bestimmten Wert T₂ unterschreitet
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltsignal für die Heizeinrichtung (5) durch eine Plausibilisierung aller in dem Verfahren ermittelter Messgrößen ermittelt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerat ausgeführt wird.
Tank, insbesondere Reduktionsmitteltank, umfassend einen Füllstandsensor (3), eine Heizeinrichtung (5) mit PTC-Element und ein Steuergerät, auf dem ein Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.