DE102011016967A1

DE102011016967A1 - Verfahren zum Betrieb einer SCR-Dosiereinheit

Info

Publication number: DE102011016967A1
Application number: DE102011016967A
Authority: DE
Inventors: Jan Hodgson; Sven Schepers; Peter Hirth
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-18
Also published as: CN103620173B; JP2014514496A; KR101565069B1; US9322314B2; RU2576397C2; EP2697488A1; CN103620173A; KR20130140877A; US20140033684A1; WO2012140034A1; EP2697488B1; RU2013150283A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dosiereinheit (1) zur Dosierung von Reduktionsmittel in eine Abgasbehandlungsvorrichtung (2) zur Reinigung der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine (3), wobei die Dosiereinheit (1) zumindest eine Förderpumpe (4) und zumindest einen Injektor (5) sowie zumindest einen Leitungsabschnitt (6) zur Leitung von Reduktionsmittel von der Förderpumpe (4) zu dem Injektor (5) aufweist. Bei dem Verfahren wird zunächst die Dosiereinheit (1) zur Dosierung von Reduktionsmittel in die Abgasbehandlungsvorrichtung (2) betrieben. Dann wird die Dosiereinheit (1) abgeschaltet. Danach wird ein erster Druck (7) in dem Leitungsabschnitt (6) für zumindest einen ersten Zeitraum (8) aufrecht erhalten, wobei der erste Druck (7) oberhalb des atmosphärischen Drucks liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dosiereinheit zur Dosierung von Reduktionsmittel in eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine.
In letzter Zeit finden Abgasbehandlungsvorrichtungen vermehrt Verbreitung, in welche ein Reduktionsmittel zur Reduktion bestimmter Schadstoffbestandteile im Abgas zugeführt wird. Besonders häufig werden Abgasbehandlungsvorrichtungen eingesetzt, mit denen das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion [SCR-Verfahren; SCR = Selective Catalytic Reduction] durchgeführt wird. Bei diesem Verfahren werden Stickstoffoxidverbindungen im Abgas mit dem Reduktionsmittel zu unschädlichen Bestandteilen wie Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff reduziert. Als Reduktionsmittel wird häufig Ammoniak eingesetzt. Ammoniak wird in Kraftfahrzeugen regelmäßig nicht direkt bevorratet, sondern in Form einer Reduktionsmittelvorläuferlösung, die dann abgasintern oder abgasextern zu Reduktionsmittel umgesetzt wird. Eine besonders häufig eingesetzte derartige Reduktionsmittelvorläuferlösung ist Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine 32,5 prozentige Harnstoff-Wasser-Lösung für diesen Zweck ist beispielsweise unter dem Handelsnamen AdBlue^® erhältlich. Im Folgenden werden die Begriffe Reduktionsmittel und Reduktionsmittelvorläuferlösung synonym füreinander verwendet. Insbesondere wird Reduktionsmittelvorlauferlösung auch als Reduktionsmittel bezeichnet.
Zur Förderung von Reduktionsmittel in die Abgasbehandlungsvorrichtung kann eine Dosiereinheit eingesetzt werden, welche das Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank in die Abgasbehandlungsvorrichtung fördert. Problematisch bei derartigen Dosiereinheiten kann die Deaktivierung der Dosiereinheit sein, wenn die Verbrennungskraftmaschine bzw. das Kraftfahrzeug, in dem die Verbrennungskraftmaschine und die Dosiereinheit eingesetzt sind, abgestellt wird. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass eine 32,5% prozentige Harnstoff-Wasser-Lösung bei ca. –11°C einfriert. Derartig niedrige Temperaturen können während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs insbesondere während langer Stillstandszeiten im Winter auftreten. Durch das Einfrieren verändert sich das Volumen des Reduktionsmittels. Dies kann eine Dosiereinheit schädigen, die beispielsweise eine empfindliche Pumpe und/oder empfindliche Ventile aufweist.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere die mit der Abschaltung einer Dosiereinheit für Reduktionsmittel einhergehenden Probleme, die hier im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschildert sind, zu lösen bzw. zumindest zu lindern. Es soll insbesondere ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Abschaltung (und/oder Ruhigstellung – „stand-by”) einer Dosiereinheit für Reduktionsmittel angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Verfahrensführungen sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dosiereinheit zur Dosierung von Reduktionsmittel in eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Dosiereinheit zumindest eine Förderpumpe und zumindest einen Injektor sowie zumindest einen Leitungsabschnitt zur Leitung von Reduktionsmittel von der zumindest einen Förderpumpe hin zu dem zumindest einen Injektor aufweist, und das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:

a) Betreiben der Dosiereinheit zur Dosierung von Reduktionsmittel in die Abgasbehandlungsvorrichtung;
b) Abschalten der Dosiereinheit;
c) Aufrechterhalten eines ersten Drucks, der oberhalb des atmosphärischen Drucks liegt, in dem Leitungsabschnitt für zumindest einen ersten Zeitraum.

Eine solche Dosiereinheit kann zusätzlich noch einen Saugleitungsabschnitt aufweisen, welcher sich von einem Reduktionsmitteltank zu der Förderpumpe erstreckt. In dem Reduktionsmitteltank ist Reduktionsmittel gespeichert. Die Förderpumpe kann durch diesen Saugleitungsabschnitt Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank ansaugen. In der Förderpumpe findet eine definierte Druckerhöhung statt, so dass das Reduktionsmittel während des Betriebs in dem Leitungsabschnitt unter einem definierten Betriebsdruck vorliegt. Das Reduktionsmittel in dem Leitungsabschnitt wird dann über den Injektor in die Abgasbehandlungsvorrichtung zugeführt. Der Leitungsabschnitt dient somit bevorzugt auch als Speicher für unter Druck stehendes Reduktionsmittel. Wenn das Reduktionsmittel während des Betriebes (also auch in Schritt a)) in dem Leitungsabschnitt unter einem definierten Druck (Betriebsdruck) steht, kann über die Öffnungszeit des Injektors die Menge des Reduktionsmittels gesteuert werden, welche der Abgasbehandlungsvorrichtung zugeführt wird.
Mit anderen Worten umfasst somit Schritt a) insbesondere auch zumindest folgende Prozesse

– Aktivieren (elektrische Stromzufuhr) von elektrischen Komponenten, wie z. B. bei einem Injektor, einer Förderpumpe, einem Sensor, einem Ventil, einer Steuereinheit oder dergleichen,
– Ermitteln eines Zustandsparameters des Reduktionsmittels (Temperatur, Druck, etc.),
– Ermitteln einer Förderanfrage zur Zudosierung einer Menge an Reduktionsmittel hin zur Abgasbehandlungsvorrichtung,
– Einstellen eines Betriebsdruckes in einem Leitungsabschnitt hin zum Injektor mittels einer Förderpumpe;
– Betreiben des Injektors (z. B. Öffnen und Schließen eines Ventils),
– Heizen bzw. Kühlen von Komponenten (Leitungsabschnitt, Injektor, Förderpumpe, etc.).

Somit umfasst Schritt a) also wenigstens einmal eine signifikante Druckerhöhung im Leitungsabschnitt, insbesondere bis zu einem vorgegebenen Betriebsdruck.
Beim Abschalten der Dosiereinheit gemäß Schritt b) können insbesondere folgende Prozesse durchgeführt bzw. eingeleitet werden:

– Deaktivieren (Unterbrechen der elektrischen Stromzufuhr) von elektrischen Komponenten, wie z. B. bei einem Injektor, einer Förderpumpe, einem Sensor, einem Ventil, einer Steuereinheit oder dergleichen,
– Ausschalten der Heizung/Kühlung von Komponenten (Leitungsabschnitt, Injektor, Förderpumpe, etc.).
– Ermitteln eines Zustandsparameters des Reduktionsmittels und/oder der Umgebung (Temperatur, Druck, etc.).

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die eingangs geschilderten Probleme, die mit der Abschaltung der Dosiereinheit einhergehen, vermieden werden können, wenn nach dem Betrieb der Dosiereinheit in dem Leitungsabschnitt von der Förderpumpe zu dem Injektor ein erhöhter Druck für einen bestimmten Zeitraum zunächst aufrecht erhalten wird. Dieser erste Druck liegt dabei insbesondere in einem Bereich vom Betriebsdruck (obere Grenze) bis oberhalb des Atmosphärendrucks (untere Grenze). Regelmäßig wird dieser erste Druck geringer sein als der Betriebsdruck, weil mit einer (teilweisen) Deaktivierung von Komponenten der Dosiereinheit auch teilweise Speichervolumina gefüllt bzw. geleert und/oder ein Rückstrom hin zum Reduktionsmitteltank realisiert werden kann. Jedenfalls ist es regelmäßig nicht erforderlich, die Förderpumpe beim Abschalten nochmals zu aktivieren, um den ersten Druck einzustellen.
Der erste Zeitraum, in dem der erste Druck noch aufrecht erhalten wird, schließt sich vorzugsweise unmittelbar an den Zeitpunkt der Abschaltung in Schritt b) an. Dabei ist nicht zwingend, dass der erste Druck konstant bleibt, jedoch sollte ein ggf. auftretender Druckabfall (deutlich) verlangsamt sein gegenüber einem (einfachen) Entlüften des Leitungsabschnittes. Insbesondere verläuft ein Druckabfall nach Ablauf des ersten Zeitraumes in einem stärkeren, schnelleren Maße.
Besonders bevorzugt ist, wenn der erste Druck während Schritt c) oberhalb von 2 bar liegt. Der erste Druck liegt bevorzugt sogar oberhalb von 3 bar und insbesondere bevorzugt oberhalb von 5 bar.
Es hat sich herausgestellt, dass viele Probleme im Zusammenhang mit der Abschaltung der Dosiereinheit damit zusammenhängen, dass niedrige Temperaturen der Dosiereinheit bzw. des Injektors gerade unmittelbar nach der Abschaltung der Dosiereinheit nicht eintreten. Es ist vielmehr sogar möglich, dass sich die Temperatur der Dosiereinheit bzw. des Injektors nach der Abschaltung zunächst sogar erhöht. Dabei ist möglich, dass sich ein Temperaturstau in der Abgasbehandlungsvorrichtung bzw. an dem Injektor bildet, welcher dazu führt, dass das Wasser in dem Reduktionsmittel verdampft. Dies liegt beispielsweise auch daran, dass mit der Abschaltung der Dosiereinheit normalerweise auch einhergeht, dass eine Kühlung des Injektors wegfällt. Der Injektor für Reduktionsmittel wird beispielsweise auch durch den Fahrtwind eines Kraftfahrzeuges gekühlt. Wenn das Kraftfahrzeug abgestellt wird, fällt dieser Fahrtwind weg. Durch eine Erhöhung des Drucks nach der Abschaltung kann die Dampftemperatur des Wassers in dem Reduktionsmittel erhöht werden. Bei einer Druckerhöhung auf oberhalb von 2 bar steigt die Dampftemperatur von Wasser beispielsweise auf mehr als 120°C an. Derart hohe Temperaturen können aufgrund eines Temperaturstaus in der Dosiereinheit bzw. an dem Injektor bei vielen Dosiereinheiten bereits sicher nicht mehr auftreten. Durch die Druckerhöhung kann daher gewährleistet werden, dass das Wasser in dem Reduktionsmittel auch nach der Abschaltung nicht verdampft bzw. kocht.
Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren dann vorteilhaft, wenn erst nach Ablauf des ersten Zeitraums ein Entlastungsventil an dem Leitungsabschnitt geöffnet wird (Schritt d)). Der erste Zeitraum ist vorzugsweise zumindest zwei Minuten, besonders bevorzugt zumindest 10 Minuten und insbesondere bevorzugt zumindest 15 Minuten oder sogar ganz besonders bevorzugt mindestens 25 Minuten lang.
Wenn der erste Zeitraum verstrichen ist, ist bereits eine ausreichende Abkühlung der Abgasbehandlungsvorrichtung sowie der Dosiereinheit erfolgt, so dass ein Temperaturstau an der Dosiereinheit nicht mehr auftreten kann und ein Verdampfen von Wasser in dem Reduktionsmittel nicht mehr droht.
Hinsichtlich dieser Druckentlastung ist anzumerken, dass hierfür das Reduktionsmittel aus dem Leitungsabschnitt zumindest teilweise entfernt wird. Hierfür kann das Reduktionsmittel in den Reduktionsmitteltank, den Injektor und/oder in die äußere Umgebung (z. B. einen anderen Auffangbehälter, etc.) geleitet werden.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der erste Druck in dem Leitungsabschnitt zumindest teilweise mit der Förderpumpe erzeugt wird. Wenn der erste Druck in dem Leitungsabschnitt zu früh abfällt, kann die Förderpumpe insbesondere erneut aktiviert werden. Insofern können Maßnahmen zur Überwachung des ersten Drucks vorgesehen sein, die dann ggf. eine erneute Aktivierung der Förderpumpe einleiten. Der erste Druck bleibt aufgrund des von der Förderpumpe zuvor während des regulären Betriebs der Dosiereinheit erzeugten Betriebsdruck normalerweise bestehen, insbesondere solange kein Leck in der Dosiereinheit bzw. in dem ersten Leitungsabschnitt vorliegt.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird auch vorgeschlagen, dass an dem Leitungsabschnitt mindestens eine Aufrechterhaltungsvorrichtung zur Aufrechthaltung des ersten Drucks vorgesehen ist. Eine solche Aufrechterhaltungsvorrichtung kann beispielsweise als elastisches Element bzw. als elastischer Balg ausgeführt sein, welcher mit dem Leitungsabschnitt in fludischer Verbindung steht. Dieser elastische Balg kann beispielsweise mit einer Feder beaufschlagt sein, die einen definierten Druck in dem Leitungsabschnitt erzeugt bzw. aufrecht erhält. Auch wenn eine Leckage an Reduktionsmittel aus dem Leitungsabschnitt auftritt, hält ein derartiges Aufrechterhaltungsmittel dann einen ersten Druck definiert aufrecht.
Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das eine Verbrennungskraftmaschine und eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine sowie eine Dosiereinheit ausweist, welche dazu eingerichtet ist, nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden. Insbesondere kann die Dosiereinheit mit einer Steuerung zusammenwirken, die eine Software umfasst, welche die Durchführung dieses Verfahrens kontrolliert.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
1: ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Dosiereinheit, und
2: ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist ein Kraftfahrzeug 11 dargestellt, welches eine Verbrennungskraftmaschine 3 und eine Abgasbehandlungsvorrichtung 2 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 3 aufweist. Darüber hinaus weist das Kraftfahrzeug 11 eine Dosiereinheit 1 auf. An der Abgasbehandlungsvorrichtung 2 (z. B. Abgasleitung) ist ein Injektor 5 vorgesehen, über welchen ein Reduktionsmittel (z. B. Harnstoff-Wasser-Lösung) der Abgasbehandlungsvorrichtung 2 bzw. dem Abgas zugeführt werden kann. Der Injektor 5 wird von einer Dosiereinheit 1 aus einem Reduktionsmitteltank 14 mit Reduktionsmittel versorgt. In der Abgasbehandlungsvorrichtung 2 ist auch ein SCR-Katalysator 12 vorgesehen, in welchem mit Hilfe des von dem Injektor 5 zugeführten Reduktionsmittels das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion durchgeführt werden kann. Die Dosiereinheit 1 weist eine Förderpumpe 4 sowie einen Leitungsabschnitt 6 auf, welcher sich von der Förderpumpe 4 zu dem Injektor 5 erstreckt. An dem Leitungsabschnitt 6 ist ein Entlastungsventil 9 angeordnet. Wenn eine Entlastung des Leitungsabschnitts 6 erfolgen soll, kann das Entlastungsventil 9 geöffnet werden. Dann kann Reduktionsmittel aus dem Leitungsabschnitt 6 durch eine Rücklaufleitung 13 zurück in den Reduktionsmitteltank 14 gelangen. An dem Leitungsabschnitt 6 ist zusätzlich eine Aufrechterhaltungsvorrichtung 10 vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, einen definierten Druck in dem Leitungsabschnitt 6 aufrecht zu erhalten. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Förderpumpe und das Entlastungsventil 9 an eine Steuerung 16 angeschlossen sein, in welcher Routinen zur Durchführung dieses Verfahrens implementiert sind. Damit die Förderpumpe 4 Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank 14 entnehmen kann, erstreckt sich von der Förderpumpe 4 zu dem Reduktionsmitteltank 14 ein Saugleitungsabschnitt 15.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit einer Darstellung des Drucks, welcher bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Leitungsabschnitt der Dosiereinheit vorliegt. Im Diagramm ist der Druck in dem Leitungsabschnitt 6 auf der Druckachse 19 über die Zeitachse 20 aufgetragen. Während Verfahrensschritt a), wenn die Dosiereinheit in Betrieb ist, liegt in dem Leitungsabschnitt der Betriebsdruck 17 vor. Während Schritt b) erfolgt eine Abschaltung der Dosiereinheit. Es ist möglich, dass der Druck in dem Leitungsabschnitt dann auf den ersten Druck 7 abfällt. Der erste Druck 7 kann allerdings auch genauso hoch sein wie der Betriebsdruck 17. Der erste Druck 7 wird vorzugsweise während Schritt c) für einen ersten Zeitraum 8 aufrecht erhalten. Wenn der erste Zeitraum 8 abgelaufen ist, kann in dem Verfahrensschritt d) eine Druckentlastung erfolgen, so dass im Leitungsabschnitt nur noch der atmosphärische Druck 18 vorliegt. Der Verfahrensschritt d) ist nicht zwangsläufig für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich.
Somit ist nun eine technisch überraschend einfache Lösung angegeben, mit der insbesondere die mit der Abschaltung einer Dosiereinheit für Reduktionsmittel einhergehenden Probleme wenigstens teilweise beseitigt wurden.
Bezugszeichenliste

1: Dosiereinheit
2: Abgasbehandlungsvorrichtung
3: Verbrennungskraftmaschine
4: Förderpumpe
5: Injektor
6: Leitungsabschnitt
7: erster Druck
8: erster Zeitraum
9: Entlastungsventil
10: Aufrechterhaltungsvorrichtung
11: Kraftfahrzeug
12: SCR-Katalysator
13: Rücklaufleitung
14: Reduktionsmitteltank
15: Saugleitungsabschnit
16: Steuerung
17: Betriebsdruck
18: atmosphärischer Druck
19: Druckachse
20: Zeitachse

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Dosiereinheit (1) zur Dosierung von Reduktionsmittel in eine Abgasbehandlungsvorrichtung (2) zur Reinigung der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine (3), wobei die Dosiereinheit (1) zumindest eine Förderpumpe (4) und zumindest einen Injektor (5) sowie zumindest einen Leitungsabschnitt (6) zur Leitung von Reduktionsmittel von der zumindest einen Förderpumpe (4) hin zu dem zumindest einen Injektor (5) aufweist, und das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist: a) Betreiben der Dosiereinheit (1) zur Dosierung von Reduktionsmittel in die Abgasbehandlungsvorrichtung (2); b) Abschalten der Dosiereinheit (1); c) Aufrechterhalten eines ersten Drucks (7), der oberhalb des atmosphärischen Drucks liegt, in dem Leitungsabschnitt (6) für zumindest einen ersten Zeitraum (8).
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der erste Druck (7) während Schritt c) oberhalb von 2 bar Liegt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei erst nach Ablauf des ersten Zeitraums (8) ein Entlastungsventil (9) an dem Leitungsabschnitt (6) geöffnet wird (Schritt d)).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der erste Druck (7) in dem Leitungsabschnitt (6) zumindest teilweise mit der Förderpumpe (4) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an dem Leitungsabschnitt (6) mindestens eine Aufrechterhaltungsvorrichtung (10) zur Aufrechterhaltung des ersten Drucks (7) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug (11) aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (3) und eine Abgasbehandlungsvorrichtung (2) zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine (3), sowie eine Dosiereinheit (1), welche dazu eingerichtet ist nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche betrieben zu werden.