DE102012110585A1 - Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs und Verfahren zum Heizen des Additivs - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs in eine Abgasleitung und ein Verfahren zum Heizen des Additivs in der Vorrichtung. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei einem Kraftfahrzeug, das mit einem Tank zur Speicherung des flüssigen Additivs versehen ist.
- Es ist als bekannt anzusehen, dass Verfahren zur Abgasnachbehandlung Anwendung finden, bei denen dem Abgas flüssiges Additiv zugesetzt wird. Damit soll insbesondere erreicht werden, dass die im Abgas enthaltenen Schadstoffe möglichst vollständig und effizient umgesetzt werden.
- So ist beispielsweise bekannt, dem Abgas ein Oxidationsmittel (beispielsweise Kraftstoff beziehungsweise Kohlenwasserstoff) zuzuführen. Dieses Additiv kann dazu eingesetzt werden, direkt mit Bestandteilen des Abgases zu reagieren und so Schadstoffe umzusetzen. Es ist aber auch möglich, dass dieses Oxidationsmittel dazu verwendet wird, Umgebungsbedingungen im Abgassystem in einen gewünschten, für die Umsetzung von Schadstoffen geeigneten Zustand zu überführen. So kann Kraftstoff beziehungsweise Kohlenwasserstoff einem Oxidationskatalysator zugeführt werden, wobei aufgrund einer exothermen Reaktion in dem Oxidationskatalysator die Temperatur des Abgases in der Abgasanlage deutlich erhöht werden kann. Dies dient insbesondere zur Regenerierung eines Diesel-Partikelfilters.
- Weiterhin ist bekannt, ein Reduktionsmittel dem Abgas zuzuführen. Auch wenn grundsätzlich möglich ist, festes oder gasförmiges Reduktionsmittel in die Abgasanlage einzuleiten, so haben sich doch Fördersysteme und Dosiersysteme als besonders geeignet herausgestellt, die eine flüssige Zufuhr des Reduktionsmittels bewerkstelligen. So ist beispielsweise das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion bekannt (SCR: Selective Catalytic Reduction). Dabei werden Stickstoffoxidverbindungen im Abgas unter Zuhilfenahme des Reduktionsmittels umgesetzt. Hierfür können insbesondere Ammoniak beziehungsweise Ammoniak bildenden Substanzen eingesetzt werden. Ein bereits weit verbreitetes Reduktionsmittel für diesen Zweck ist Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine 32,5%ige Harnstoff-Wasser-Lösung ist unter dem Handelsnamen AdBlue® bekannt. Dieses flüssige Additiv wird dann zunächst dem Abgas beigemengt und anschließend über einen geeigneten Katalysator geführt, in dem dann (unter anderem) die gewünschte chemische Umwandlung erfolgt.
- Da beispielsweise flüssiges Additiv, wie Harnstoff-Wasser-Lösung, bei Temperaturen um –11°C bereits einfriert, sind Heizsysteme vorgeschlagen worden, die ein rasches Auftauen des flüssigen Additivs im Tank und/oder einer angeschlossenen Förderleitung bewerkstelligen sollen. Somit soll das gewünschte Abgasreinigungsverfahren bereits schnell nach Motorstart eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung stehen und/oder eine Beschädigung der zur Speicherung, Förderung und/oder Zugabe des flüssigen Additivs erforderlichen Komponenten vermieden werden.
- Als Heizvorrichtung wurden in diesem technischen Gebiet bereits Flüssigkeitsheizungen (z. B. Wärmetauscher, die mit dem Motorkühlsystem zusammenwirken), elektrische Heizer, Strahlungsheizer und Kombinationen daraus vorgeschlagen. Die möglichst rasche und gegebenenfalls auch möglichst gleichmäßige Erwärmung in dem Behälter konnte jedoch noch nicht zufriedenstellend erreicht werden. Insbesondere sind die vorgeschlagenen Systeme zum Beheizen des Behälters technisch aufwendig, kostenintensiv und/oder schwierig regelbar beziehungsweise kontrollierbar. Bei diesen Heizvorrichtungen besteht die Gefahr, dass das Additiv über eine kritische Temperatur erhitzt wird. So können bei AdBlue® Bestandteile davon oberhalb von 65°C kristallisieren, was die Gefahr von unerwünschten Ablagerungen und Verblockungen erhöht.
- Weiterhin ist bekannt, dass die Heizvorrichtung ein einzelnes, elektrisch betreibbares Heizelement aufweist. Ein elektrisch betreibbares Heizelement kann ebenfalls zu vorgegebenen Zeitpunkten aktiviert und deaktiviert werden. Dies erfolgt beispielsweise auf Basis der Ohm‘schen Widerstandserwärmung. Ein bekanntes, besonders bevorzugt eingesetztes elektrisch betreibbares Heizelemente ist ein sogenannte Kaltleiter oder PTC-Heizelement (PTC: Positive Temperature Coefficient). Ein Kaltleiter oder PTC-Heizelement enthält ein Material, dessen elektrischer Widerstand sich bei steigender Temperatur vergrößert.
- Bei solchen Vorrichtungen mit einem Kaltleiter als Heizelement kommt es nach dem Einschalten durch Anlegen einer konstanten Spannung aufgrund des zunächst geringen Widerstands zu einer Stromspitze. Der Strom durch den Kaltleiter steigt also beim Einschalten stark an. Im weiteren Betrieb erwärmt sich der Kaltleiter aufgrund Joulescher Wärme und damit ändert sich auch der elektrische Widerstand des Kaltleiters. In einem Temperaturbereich, in dem sich der elektrische Widerstand des Kaltleiters schon bei geringen Temperaturänderungen stark ändert, stellt sich dann der Strom durch den Kaltleiter auf ein konstantes Niveau ein. Nach einer gewissen Zeit, wenn eine charakteristische Temperatur erreicht ist, fließt also ein nahezu konstanter Strom (bei konstanter Spannung) durch den Kaltleiter, wobei der Wert der charakteristischen Temperatur von den Eigenschaften des Kaltleiters abhängt. Alle stromleitenden Elemente und insbesondere auch alle Verbindungsstellen der stromleitenden Elemente müssen für die maximale Stromstärke der Stromspitze ausgelegt werden. Zudem kann durch die Stromspitze eine transiente elektrische (Englisch: „electrical transient“) Störung entstehen, die die Elektronik des Kraftfahrzeugs beeinflussen könnte. Es ist daher wünschenswert, die Stromspitze so niedrig wie möglich zu halten.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lindern. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs in eine Abgasleitung angegeben werden, bei der auf kostengünstige Weise der Einschaltstrom durch ein Heizelement aus einem Kaltleiter begrenzt ist. Zudem soll ein Verfahren zum Heizen des Additivs in der Vorrichtung angegeben werden, bei dem nur ein in seiner Höhe begrenzter Einschaltstrom fließt.
- Gelöst werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Weiterbildungen werden in der Beschreibung näher präzisiert.
- Gelöst werden diese Aufgaben insbesondere durch eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs in eine Abgasleitung, umfassend einen Tank, eine Förderleitung, ein Heizelement aus einem Kaltleiter zum Heizen des Additivs in dem Tank und/oder der Förderleitung und eine Dosiereinrichtung zum Dosieren des flüssigen Additivs mit einer Spule und einem bewegbaren Bauteil, wobei mittels der Spule das bewegbare Bauteil bewegbar ist und die Spule durch ein erstes Schaltelement mit dem Heizelement elektronisch in Reihe schaltbar ist.
- Das flüssige Additiv ist insbesondere ein Reduktionsmittel, bevorzugt eine Harnstoff-Wasser-Lösung.
- Bei dem Tank handelt es sich insbesondere um einen Tank zur Speicherung eines Reduktionsmittels, insbesondere Harnstoff-Wasser-Lösung. Gleichwohl könnte dieser auch für Oxidationsmittel und andere flüssige Additive eingesetzt werden. Der Tank kann mit Kunststoff ausgeführt sein. Jedenfalls sollte der Tank beständig und zur dauerhaften Speicherung des flüssigen Additivs ausgeführt sein. In dem Tank wird das Additiv vorgehalten und über die Förderleitung zu der Abgasleitung gefördert.
- Das Heizelement ist insbesondere in und/oder an dem Tank ausgebildet. Alternativ oder kumulativ ist das Heizelement in und/oder an der Förderleitung ausgebildet. Ist das Additiv aufgrund von niedrigen Temperaturen erstarrt oder droht es aufgrund von niedrigen Temperaturen zu erstarren, so kann mittels des Heizelements die Temperatur des Additivs in dem Tank und/oder in der Förderleitung erhöht werden, so dass es in den flüssigen Zustand gelangt beziehungsweise in dem flüssigen Zustand bleibt.
- Ein Kaltleiter, auch als PTC(positive temperature coefficient)-Element bekannt, ist ein Material, dessen elektrischer Widerstand sich bei steigender Temperatur vergrößert. Der Kaltleiter besitzt somit einen positiven Temperaturkoeffizienten. Der Kaltleiter arbeitet bei Anlegen einer konstanten Spannung selbstregelnd um eine Solltemperatur. Als Kaltleiter werden beispielsweise Keramik-Materialien wie beispielsweise Bariumtitanat-Keramiken und/oder dotierte Polymere eingesetzt.
- Das Heizelement ist bevorzugt so ausgelegt, dass sich bei Anlegen von einer konstanten Spannung in der Höhe von 12, 24 oder 48 V ein konstanter Strom einstellt, mit dem sich das Heizelement auf eine Temperatur von mindestens 10°C, bevorzugt mindestens 50°C einregelt.
- Unter Dosiereinrichtung zum Dosieren des flüssigen Additivs sollen alle Elemente der Vorrichtung verstanden sein, die das Additiv fördern, wie beispielsweise eine Pumpe und die den Fluss des Additivs in der Förderleitung begrenzen können, wie beispielsweise ein Ventil. Die Dosiereinrichtungen enthält eine Spule oder ein induktives Element, die aufgrund eines in ihnen erzeugten Stromflusses und des damit erzeugten magnetischen Feldes auf das bewegbare Bauteil eine elektromagnetische Kraft ausüben. Das bewegbare Bauteil ist insbesondere ein magnetisches Element, das aufgrund der von der Spule erzeugten elektromagnetischen Kraft in Bewegung gesetzt wird. Bei einer Pumpe kann dies beispielsweise eine Membran bewegende Stange sein. Bei einem Ventil ist dies bevorzugt die Ventilnadel selbst.
- Die vorliegende Erfindung schlägt nun vor, dass insbesondere während des Einschaltvorgangs des Heizelements die Spule durch ein erstes Schaltelement mit dem Heizelement elektronisch in Reihe schaltbar ist. Als Schaltelemente kommen insbesondere alle bekannten Schaltelemente wie Transistoren, bevorzugt MOSFETs zum Einsatz. Beim Einschalten des Heizelements fließt somit der Strom sowohl durch die Spule als auch durch das Heizelement. Aufgrund der induktiven Wirkung der Spule wird beim Einschalten die Stromstärke der Stromspitze stark reduziert. Somit können auch alle weiteren vom Strom durchflossenen Bauelemente, insbesondere elektrische Kontakte und/oder Leitungen, der Vorrichtung für eine geringere Stromstärke ausgelegt werden. Des Weiteren wird eine elektrische transiente Störung weiterer elektronischer Bauelemente verringert.
- Spulen als induktive Bauelemente zur Filterung von hohen Frequenzen oder zur Begrenzung von schnellen Stromschwankungen sind bereits bekannt, allerdings wurden bisher diese Bauelemente als passive Bauelemente eingesetzt. So sind Spulen als Drosseln in der Regel als separate Bauelemente in Schaltungen vorgesehen. Die vorliegende Erfindung lehrt zum ersten Mal den Einsatz einer aktiven Spule zur Begrenzung des Einschaltstroms eines Heizelements in einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung umfasst diese eine Steuervorrichtung mit dem ersten Schaltelement, das mit der Spule und dem Heizelement elektronisch in Reihe geschaltet ist, und einem zweiten Schaltelement, das parallel zu dem ersten Schaltelement und der Spule und in Reihe mit dem Heizelement geschaltet ist. Die Steuervorrichtung ist bevorzugt räumlich getrennt von der Dosiereinrichtung ausgebildet.
- Mit dem zweiten Schaltelement kann somit das erste Schaltelement und die Spule überbrückt werden, so dass das Heizelement unabhängig von der Schaltstellung des ersten Schaltelements betrieben werden kann. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Heizelement seine Betriebstemperatur erreicht hat und das Heizelement kontinuierlich betrieben werden soll. In diesem Fall kann somit die Spule und damit die Dosiervorrichtung unabhängig von dem Heizelement betrieben werden.
- Insbesondere wenn gleichzeitig das zweite Schaltelement geschlossen ist, kann über ein drittes Schaltelement die Spule bestromt werden. Somit kann nach dem Einschaltvorgang des Heizelements die Spule und damit die Dosiereinrichtung unabhängig von dem Heizelement durch Öffnen und Schließen des dritten Schaltelements betrieben werden.
- Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird ein Verfahren zum Heizen eines Additivs in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend folgende Schritte:
- – Ermitteln einer Temperatur des Additivs,
- – Vergleichen der ermittelten Temperatur mit einem ersten vorgebbaren Wert,
- – Einschalten des Heizelements, wenn die ermittelte Temperatur geringer ist als der erste vorgebbare Wert, indem die Spule durch ein erstes Schaltelement elektronisch in Reihe mit dem Heizelement geschaltet wird.
- Zum Ermitteln der Temperatur des Additivs kann die Temperatur mittels eines Temperaturfühlers unmittelbar gemessen werden. Die Temperatur des Additivs kann aber auch durch Messen einer Temperatur an einer anderen Stelle der Vorrichtung oder des Kraftfahrzeuges erfolgen, wobei dadurch auf die Temperatur des Additivs zurückgeschlossen werden kann. Der erste vorgebbare Wert ist insbesondere die Gefriertemperatur des Additivs oder ein mindestens 2°C, bevorzugt mindestens 5°C größerer Wert als die Gefriertemperatur des Additivs. Somit wird bei einfrierendem oder bereits eingefrorenem Additiv das Heizelement eingeschaltet. Das Einschalten des Heizelements erfolgt, indem das Heizelement elektronisch in Reihe mit der Spule der Dosiereinrichtung geschaltet wird. Durch die Induktivität der Spule wird die Stromstärke der Stromspitze in seiner Höhe begrenzt.
- Vorteilhaft ist es, wenn das Heizelement direkt mit einer Spannungsquelle verbunden ist, indem die Spule durch ein zweites Schaltelement und ein drittes Schaltelement parallel zu dem Heizelement geschaltet wird.
- Bevorzugt geschieht diese Parallelschaltung nach dem Einschalten des Heizelements. Somit können das Heizelement und die Spule unabhängig voneinander betrieben werden, wenn das Heizelement seine Betriebstemperatur erreicht hat.
- Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Abgasleitung vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst und eingerichtet und ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
- Die mit Bezug zu der Vorrichtung gemachten Ausführungen lassen sich auf das Verfahren übertragen und anwenden und umgekehrt.
- Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren veranschaulichten Ausführungsvarianten die Erfindung nicht beschränken sollen. Insbesondere können die in den Figuren gemeinsam dargestellten und erläuterten Merkmale auch getrennt voneinander betrachtet werden und/oder mit anderen (einzelnen) Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden, soweit dies technisch nicht möglich ist beziehungsweise nachfolgend nicht explizit auf die Zusammengehörigkeit von Merkmalen als zwingend hingewiesen wird. Demnach ergibt sich dem Fachmann eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten der in den Figuren schematisch und beispielhaft dargestellten Erfindung. Es zeigen schematisch:
-
1 : ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs, -
2 : eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs, -
3 : ein Schaltbild für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. -
1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug14 mit einem Verbrennungsmotor15 , an dem eine Abgasleitung2 angeschlossen ist. In der Abgasleitung2 ist ein Katalysator16 ausgebildet. Stromaufwärts des Katalysators16 kann ein flüssiges Additiv in das Abgas mittels einer Vorrichtung1 eingeleitet werden. Die Vorrichtung1 umfasst einen Tank3 , der über eine Förderleitung4 mit einer Dosiereinrichtung6 zum Dosieren des Additivs strömungstechnisch verbunden ist. Die Dosiereinrichtung6 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Ventil, das eine Spule7 und ein bewegbares Bauteil8 , hier eine Ventilnadel, umfasst. Im Betrieb des Kraftfahrzeugs14 kann mit der Vorrichtung1 flüssiges Additiv in die Abgasleitung2 gefördert werden. -
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung1 mit einem Tank3 . In dem Tank3 ist ein Behälter18 ausgebildet, in dem wiederum eine Dosiereinrichtung6 zum Dosieren von flüssigem Additiv angeordnet ist. Die Dosiereinrichtung6 ist hier in Form einer Pumpe realisiert. Die Dosiereinrichtung6 (Pumpe) umfasst eine Spule7 und ein bewegbares Bauteil8 zum Betätigen der Pumpe. Die Dosiereinrichtung6 ist mit einer Förderleitung4 verbunden, durch die das Additiv aus dem Tank3 über die Dosiereinrichtung6 zu einer nicht dargestellten Abgasleitung2 befördert wird. In dem Tank3 ist ferner ein Heizelement5 aus einem Kaltleiter angeordnet. Das Heizelement5 kann zusätzlich oder alternativ auch in der Wand des Tanks3 angeordnet sein. Die Dosiereinrichtung6 und das Heizelement5 sind mit einer Steuervorrichtung10 verbunden, die wiederum mit einer Spannungsquelle13 verbunden ist. Durch das Heizelement5 kann das Additiv in den Tank3 in einem flüssigen Zustand gehalten oder in einen flüssigen Zustand überführt werden. - In
3 ist ein Schaltbild einer Vorrichtung1 dargestellt. Die Schaltung umfasst eine Spannungsquelle13 , ein erstes Schaltelement9 , ein zweites Schaltelement11 , ein drittes Schaltelement12 und ein viertes Schaltelement17 sowie eine Spule7 einer Dosiereinrichtung6 und ein Heizelement5 . Das Heizelement5 kann je nach Stellung der Schaltelemente9 ,11 ,12 ,17 in Reihe mit der Spule7 geschaltet werden oder parallel zu dieser geschaltet werden. - Bei geschlossenem viertem Schaltelement
17 kann durch Schließen des ersten Schaltelements9 die Spule7 in Reihe mit dem Heizelement5 geschaltet werden. Somit fließt ein Strom sowohl durch die Spule7 als auch durch das Heizelement5 , was insbesondere beim Einschalten des Heizelements5 vorteilhaft ist, da so der Spitzenstrom in seiner Höhe begrenzt wird. - Befindet sich das Heizelement
5 auf Betriebstemperatur, so kann das Heizelement5 durch Schließen des zweiten Schaltelements11 und Öffnen des ersten Schaltelements9 parallel zu der Spule7 betrieben werden. In diesem Fall können über das dritte Schaltelement12 und das vierte Schaltelement17 die Spule7 und das Heizelement5 unabhängig voneinander ein- beziehungsweise ausgeschaltet werden. - Das dritte Schaltelement
12 und das vierte Schaltelement17 können dazu eingesetzt werden, um die Spule7 mit einer Pulsweitenmodulation des Stroms zu betreiben. - Durch die vorliegenden Erfindungen lässt sich auf kostengünstige Weise der Einschaltstrom durch ein Heizelement
5 aus einem Kaltleitermaterial in seiner Höhe begrenzen. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Abgasleitung
- 3
- Tank
- 4
- Förderleitung
- 5
- Heizelement
- 6
- Dosiereinrichtung
- 7
- Spule
- 8
- bewegbares Bauteil
- 9
- erstes Schaltelement
- 10
- Steuervorrichtung
- 11
- zweites Schaltelement
- 12
- drittes Schaltelement
- 13
- Spannungsquelle
- 14
- Kraftfahrzeug
- 15
- Verbrennungsmotor
- 16
- Katalysator
- 17
- viertes Schaltelement
- 18
- Behälter
Claims (5)
- Vorrichtung (
1 ) zur Bereitstellung eines flüssigen Additivs in eine Abgasleitung (2 ), umfassend einen Tank (3 ), eine Förderleitung (4 ), ein Heizelement (5 ) aus einem Kaltleiter zum Heizen des Additivs in dem Tank (3 ) und/oder der Förderleitung (4 ) und eine Dosiereinrichtung (6 ) zum Dosieren des flüssigen Additivs mit einer Spule (7 ) und einem bewegbaren Bauteil (8 ), wobei mittels der Spule (7 ) das bewegbare Bauteil (8 ) bewegbar ist und die Spule (7 ) durch ein erstes Schaltelement (9 ) mit dem Heizelement (5 ) elektronisch in Reihe schaltbar ist. - Vorrichtung (
1 ) nach Anspruch 1, umfassend eine Steuervorrichtung (10 ) mit dem ersten Schaltelement (9 ), das mit der Spule (7 ) und dem Heizelement (5 ) elektronisch in Reihe geschaltet ist, und einem zweiten Schaltelement (11 ), das parallel zu dem ersten Schaltelement (9 ) und der Spule (7 ) und in Reihe mit dem Heizelement (5 ) geschaltet ist. - Vorrichtung (
1 ) nach Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung ein drittes Schaltelement (12 ) umfasst, über das bei geöffnetem erstem Schaltelement (9 ) die Spule (7 ) bestrombar ist. - Verfahren zum Heizen eines Additivs in einer Vorrichtung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend folgende Schritte: – Ermitteln einer Temperatur des Additivs, – Vergleichen der ermittelten Temperatur mit einem ersten vorgebbaren Wert, – Einschalten des Heizelements (5 ), wenn die ermittelte Temperatur geringer ist als der erste vorgebbare Wert, indem die Spule (7 ) durch ein erstes Schaltelement (9 ) elektronisch in Reihe mit dem Heizelement (5 ) geschaltet wird. - Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Heizelement (
5 ) direkt mit einer Spannungsquelle (13 ) verbunden wird, indem die Spule (7 ) durch ein zweites Schaltelement (11 ) und ein drittes Schaltelement (12 ) parallel zu dem Heizelement (5 ) geschaltet wird.
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