DE102012205497A1

DE102012205497A1 - System und Verfahren zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE102012205497A1
Application number: DE102012205497A
Authority: DE
Inventors: Michael Levin; Furgan Zafar Shaikh; Thomas A. McCarthy; Bret Alan Zimmerman
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2012-10-18
Also published as: RU2012114890A; RU2602703C2; US8661785B2; US20120260629A1; CN102733902B; CN102733902A

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Speichern einer Reduktionsmittelmischung aus Ethanol, Wasser und Harnstoff; Ansaugen der gespeicherten Mischung in ein elektrisch heizbares Aufnahmerohr zur Zufuhr über eine Zufuhrleitung zu einem Auspuff durch Betreiben einer Pumpe in einer ersten Richtung; und Leeren einer Rückführleitung, die die gespeicherte Mischung rückführt, oder der Zufuhrleitung durch Betreiben der Pumpe in einer zweiten, umgekehrten Richtung. Auf diese Art und Weise kann durch Hinzufügen von Ethanol in die Reduktionsmittellösung der Gefrierpunkt des flüssigen Reduktionsmittels reduziert werden.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein System und ein Verfahren zum Zuführen von flüssiger Reduktionsmittellösung in ein Abgasbehandlungssystem eines Fahrzeugs.
Zahlreiche Fahrzeuge nutzen Katalysatoren in Abgassystemen zum Reduzieren der Emission. Bei mageren Abgasbedingungen, wie etwa hinsichtlich Dieselabgas oder anderen mageren Verbrennungsbedingungen, kann ein Katalysator anderes Reduktionsmittel als verbrannten Kraftstoff nutzen. Ein derartiges Nachbehandlungsgerät ist ein selektives katalytisches Reduktions-(SCR-)System, das einen Katalysator zum Umwandeln von NOx in Stickstoff und Wasser benutzt. Ein harnstoffbasierter SCR-Katalysator kann Ammoniakgas als aktives NOx-Reduktionsmittel benutzen, wobei eine wässrige Harnstofflösung in einem Fahrzeug mitgeführt und ein Einspritzsystem zum Zuführen derselben in den Abgasstrom benutzt werden kann.
Bei Umgebungstemperaturen von unter –11 ºC könnte die wässrige Harnstofflösung (die 32,5% Harnstoff und 67,5% Wasser umfaßt) in dem eingebauten Harnstoffspeichertank gefrieren. Daher könnte ein Aufnahmerohr des Einspritzsystems nicht imstande sein, der Einspritzvorrichtung Harnstoff zur Zufuhr zum Abgas und zur NOx-Reduzierung zuzuführen. Bekannt ist, dass der Harnstoffspeichertank ein elektrisches Heizsystem zum Erwärmen des gefrorenen Harnstoffs enthält. Ferner könnten Bauteile des Harnstoffspeichertanks und des Harnstoffeinspritzsystems eine frostsichere Gestaltung aufweisen, um Funktionalität und Überlebensfähigkeit des Einspritzsystems über mehrere Einfrier-/Auftau-Zyklen hinweg zu gewährleisten.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben ein Problem bei derartigen früheren Lösungen erkannt. Zunächst können erhöhte Kosten in Zusammenhang mit den Heiz- und frostsicheren Bauteilen für den Harnstoffspeichertank und das Harnstoffeinspritzsystem entstehen. Zweitens kann der Kraftstoffverbrauch durch Benutzung von Energie, die von dem Fahrzeug zum Heizen des gesamten Harnstofftanks erzeugt wird, erhöht werden, und derartiges Heizen kann über eine längere Dauer erfolgen, wodurch die Menge an Abgasen, die katalytisch mit dem Reduktionsmittel behandelt werden kann, reduziert wird und dadurch die Gesamtabgasemissionen erhöht werden.
Dementsprechend kann beispielsweise einigen der obigen Punkte durch ein Abgassystem für einen Motor entgegengewirkt werden, wobei das Abgassystem ein System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel enthält, und ein Verfahren zum Betreiben des Systems zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel, wobei das Verfahren das Speichern einer Reduktionsmittelmischung aus Ethanol, Wasser und Harnstoff; Ansaugen der gespeicherten Mischung in ein elektrisch geheiztes Aufnahmerohr zur Zuführung über eine Zufuhrleitung zum Auspuff durch Betreiben einer Pumpe in einer ersten Richtung; und Leeren einer Rückführleitung, die die gespeicherte Mischung rückführt, oder der Zufuhrleitung durch Betreiben der Pumpe in einer zweiten, umgekehrten Richtung.
Auf diese Art und Weise kann durch Ethanol in der Reduktionsmittellösung der Gefrierpunkt des flüssigen Reduktionsmittels herabgesetzt werden. Von daher kann die Gefahr des Gefrierens des Reduktionsmittels gemindert werden. Falls die Temperatur unter einen Schwellwert fällt, bei dem Kristallisation auftreten kann, kann das flüssige Reduktionsmittel durch das Aufnahmerohr aufgeheizt werden. Dadurch verbraucht das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel weniger Energie, da das Heizen des Speichertanks nicht erforderlich ist. Aufgrund dieser Merkmale kann das System im Betrieb weniger Energie verbrauchen, und der Kraftstoffverbrauch kann verbessert werden. Darüber hinaus kann das Pumpen des Systems zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel in einer Umkehrrichtung Zufuhr- und Rückführungsleitungen von restlichem flüssigem Reduktionsmittel leeren. Dies kann verhindern, dass Reduktionsmittel bei Umgebungstemperaturbedingungen unter dem Kristallisations- bzw. Gefrierpunkt des flüssigen Reduktionsmittels in den Zufuhr- und Rückführungsleitungen kristallisiert und/oder gefriert, wodurch Verstopfungen reduziert und die NOx-Reduktionswirkung verbessert wird.
Es versteht sich, dass die obenstehende Kurzdarstellung zur Einführung einer Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorgesehen ist, die in der detaillierten Beschreibung eingehender beschrieben sind. Es ist damit nicht beabsichtigt, Kern- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands zu identifizieren, dessen Umfang einzig durch die Ansprüche definiert ist, die der detaillierten Beschreibung folgen. Zudem ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die jegliche, oben oder in jeglichem Abschnitt dieser Offenbarung angegebene Nachteile lösen.
Die Figuren zeigen:
1 ein beispielhaftes Auspuffsystem zum Abführen und Behandeln von Motorabgas;
2 ein/en beispielhaften/es Harnstoffspeichertank und Harnstoffeinspritzsystem innerhalb des Auspuffsystems von 1;
3 einen Querschnitt eines beispielhaften Aufnahmerohrs des Harnstoffeinspritzsystems von 2;
4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben des Harnstoffeinspritzsystems von 2;
5 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben des Harnstoffeinspritzsystems von 2 in einem Kristallauflösenden Modus.
Es werden Ausführungsformen eines Auspuffsystems und eines Harnstoffeinspritzsystems zum Gebrauch mit einer wässrigen Harnstoff- und Ethanollösung offenbart.
Ein derartiges Harnstoffeinspritzsystem kann zur Abgasbehandlung durch NOx-Reduzierung unter verschiedenen Umgebungstemperaturbedingungen genutzt werden. Insbesondere kann das Harnstoffeinspritzsystem zum Behandeln von Abgas bei Umgebungstemperaturen unter dem normalen Gefrierpunkt von wässrigem Harnstoff benutzt werden, wie im Folgenden detaillierter beschrieben.
1 enthält ein beispielhaftes Auspuffsystem für ein Fahrzeug mit einem Dieselmotor, das ein Harnstoffeinspritzsystem enthält. 2 zeigt eine detailliertere Ansicht des Harnstoffeinspritzsystems. 3 zeigt einen Querschnitt eines geheizten Aufnahmerohrs entlang der Achse 3-3’ in 2. 4 enthält ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben des Harnstoffeinspritzsystems von 2 in entweder einem normalen Modus oder einem Kristallauflösenden Modus. 5 enthält ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens für den Kristallauflösenden Modus.
Insbesondere stellt 1 ein Auspuffsystem 100 zum Befördern von Abgasen dar, die durch einen Verbrennungsmotor 110 erzeugt werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel enthält der Motor 110 einen Dieselmotor, der eine mechanische Leistung durch Verbrennen einer Mischung aus Luft und Dieselkraftstoff erzeugt. Alternativ kann der Motor 110 andere Motorarten enthalten, wie etwa u. A. Benzinverbrennungsmotoren.
Das Auspuffsystem 100 kann enthalten: einen Auspuffkrümmer 120 zum Abführen von Abgasen, die durch einen oder mehrere Zylinder des Motors 110 erzeugt werden, einen Mischbereich 130, der dem Auspuffkrümmer 120 nachgeschaltet angeordnet ist, zum Aufnehmen eines flüssigen Reduktionsmittels, einen SCR-Katalysator 140, der dem Mischbereich 130 nachgeschaltet angeordnet ist, und Mittel 150 zur Geräuschunterdrückung, das dem Katalysator 140 nachgeschaltet angeordnet ist. Zudem kann das Auspuffsystem 100 mehrere Auspuffrohre oder -durchgänge zum Zusammenkuppeln der verschiedenen Auspuffsystembauteile in Fluidverbindung enthalten. Beispielsweise kann der Auspuffkrümmer 120, wie in 1 dargestellt, durch einen oder mehrere Auspuffdurchgänge 162 und 164 in Fluidverbindung an den Mischbereich 130 gekuppelt sein. Der Katalysator 140 kann durch den Auspuffdurchgang 166 in Fluidverbindung an den Mitteln zur Geräuschunterdrückung 150 gekoppelt sein. Schließlich kann ermöglicht sein, dass Abgase aus den Mitteln zur Geräuschunterdrückung 150 über den Auspuffdurchgang 168 in die Umgebung strömen. Es ist zu beachten, dass das Auspuffsystem 100, obgleich in 1 nicht dargestellt, einen Partikelfilter und/oder Dieseloxidationskatalysator enthalten kann, der dem Katalysator 140 vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist. Zudem versteht es sich, dass das Auspuffsystem 100 zwei oder mehr Katalysatoren enthalten kann.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Mischbereich 130 eine/n größere/n Querschnittsfläche oder Durchflußquerschnitt als der vorgeschaltete Auspuffdurchgang 164 enthalten. Der Mischbereich 130 kann einen ersten Abschnitt 132 und einen zweiten Abschnitt 134 enthalten. Der erste Abschnitt 132 des Mischbereichs 130 kann eine Einspritzvorrichtung 136 zum selektiven Einspritzen einer Flüssigkeit in das Auspuffsystem enthalten. Der zweite Abschnitt 134 des Mischbereichs 130 kann zum Unterbringen einer Änderung der Querschnittsfläche oder des Durchflußquerschnitts zwischen dem ersten Abschnitt 132 und dem Katalysator 140 konfiguriert sein. Es ist zu beachten, dass der Katalysator 140 jeglichen geeigneten Katalysator zum Reduzieren von NOx oder anderen Verbrennungsprodukten enthalten kann, der aus der Verbrennung von Kraftstoff durch den Motor 110 resultiert.
Die Einspritzvorrichtung 136 ist ein Teil eines Systems 200 zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Flüssigkeit, die durch die Einspritzvorrichtung 136 eingespritzt wird, ein flüssiges Reduktionsmittel 178 enthalten, wie etwa eine Harnstofflösung. In einem spezifischen Beispiel umfaßt das flüssige Reduktionsmittel eine wässrige Harnstoff- und Ethanollösung. Genauer gesagt kann das flüssige Reduktionsmittel eine wässrige Lösung umfassen, die sich aus 32,5% Harnstoff, 25% Ethanol und 42,5% Wasser zusammensetzt. Von daher liegt in diesem spezifischen Beispiel der Gefrierpunkt des flüssigen Reduktionsmittels bei ungefähr –30ºC. Das flüssige Reduktions-mittel 178 kann der Einspritzvorrichtung 136 aus einem Speichertank 176 über eine Pumpe 172 durch den Leitungskanal 174 zugeführt werden. Das flüssige Reduktionsmittel 178 kann über eine Reduktionsmittelrückführleitung 180 zum Speichertank 176 rückgeführt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Pumpe 172 eine reversible Pumpe, wobei jedoch in einer alternativen Ausführungsform das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel eine zweite Pumpe enthalten kann, die flüssiges Reduktionsmittel in einer Gegenrichtung der Pumpe 172 pumpt.
Es ist zu beachten, dass das Auspuffsystem 100 hinsichtlich Fahrzeuganwendungen auf der Unterseite des Fahrzeugs angeordnet sein kann. Zudem versteht es sich, dass der Auspuffdurchgang eine oder mehr Biegungen oder Krümmungen zur Anpassung an eine bestimmte Fahrzeuganordnung enthalten kann. Darüber hinaus versteht es sich, dass das Auspuffsystem 100 in einigen Ausführungsformen zusätzliche Bauteile, die nicht in 1 dargestellt sind, enthalten kann und/oder hierin beschriebene Bauteile aussparen kann.
2 stellt eine detailliertere Abbildung des Systems 200 zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel dar. Wie oben beschrieben, ist das flüssige Reduktionsmittel 178 in dem Speichertank 176 gespeichert. In dem Beispiel, in dem das flüssige Reduktionsmittel die oben beschriebene wässrige Harnstoff- und Ethanollösung umfaßt, ist der Harnstoff bei Temperaturen über 0 ºC vollständig in der Wasser/Ethanol-Lösung gelöst; bei Abkühlung auf Temperaturen unter 0 ºC bis –5 ºC kann der Harnstoff jedoch mindestens teilweise aus der Lösung auskristallisieren, als Harnstoffkristalle 222. Beispielsweise setzten sich die Harnstoffkristalle 222 im unteren Drittel bis unteren Viertel des Speichertanks 176 ab. Die beispielhafte, oben beschriebene wässrige Harnstoff- und Ethanollösung weist den Vorteil auf, dass sie bei –11 ºC (der normalen Gefriertemperatur einer Harnstoff- und Wasserlösung) nicht gefriert, sondern erst bei einer niedrigeren Temperatur von ungefähr –30 ºC gefriert.
Ferner weist das System 200 zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel dahingehend einen weiteren Vorteil auf, dass das System bei Temperaturen unter einem Schwellwert, wie etwa 0 ºC bis –5 ºC, einen Mechanismus zum Auflösen von Harnstoffkristallen vorsieht, der kein Heizen des Speichertanks erfordert. Zu diesem Zweck ist die Pumpe 172, wie in 2 abgebildet, an ein Aufnahmerohr 202 gekoppelt. Das Aufnahmerohr erstreckt sich in das untere Drittel bis Viertel des Speichertanks 176, in dem sich Harnstoffkristalle 222 befinden können, wenn die Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt des flüssigen Reduktionsmittels ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Aufnahmerohr 202 ein geheiztes Aufnahmerohr. Eine beispielhafte Konfiguration für ein geheiztes Aufnahmerohr ist in 3 gezeigt.
Insbesondere zeigt 3 einen Querschnitt einer beispielhaften Ausgestaltung für ein geheiztes Aufnahmerohr entlang der Achse 3-3’ des Aufnahmerohrs 202, das in 2 abgebildet ist. In diesem Beispiel weist das Aufnahmerohr 202 ein Außenrohr 302, ein Innenrohr 308 und einen zylindrischen Innenraum 310 auf, der ein Raum innerhalb des Innenrohrs 308 ist. Der zylindrische Innenraum 310 weist eine konische Öffnung 312 an einem Saugende 320 auf, wobei das flüssige Reduktionsmittel 178 über Ansaugen/Unterdruck, das/der durch die Pumpe 172 erzeugt wird, in den zylindrischen Raum 310 eintreten kann. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Aufnahmerohr am Saugende zylindrisch sein und einen konischen Abschnitt als separates angebrachtes Stück enthalten. Ein gegenüberliegendes Ende 322, gegenüber dem Saugende 320, ist an die Pumpe 172 gekoppelt, wie in 2 gezeigt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 ist ein Luftspalt 304 zwischen dem Außenrohr 302 und dem Innenrohr 308 angeordnet und eine Heizbandschicht 306 auf der Außenfläche des Innenrohrs 308 angeordnet. Die Heizbandschicht 306 kann ein elektrisches Element enthalten, das zum Zuführen von Wärme im Bereich des Innenrohrs 308 an eine Stromquelle des Fahrzeugs angeschlossen ist. Der Luftspalt 304 kann Wärmeverlust über Wärmeleitung vom Außenrohr 302 zum Speichertank 176 reduzieren und verhindern, dass das flüssige Reduktionsmittel mit der Heizbandschicht in Kontakt 306 kommt. Dadurch sieht der Luftspalt in diesem Beispiel wirksame Nutzung von Elektrizität beim Heizen des Aufnahmerohrs vor und schützt die Bauteile des Heizbands vor Zersetzung durch das flüssige Reduktionsmittel. In alternativen Ausführungsformen kann das Aufnahmerohr 202 einen anderen oder zusätzlichen Heizmechanismus aufweisen, wie etwa eine Heizspule.
Wie in 2 gezeigt, sind das Aufnahmerohr 202 und die Pumpe 172 durch ein Leistungssteuerungsmodul (PCM) 206 reguliert. Die Pumpe 172 ist an ein Zufuhrrohr 174 zum Befördern des flüssigen Reduktionsmittels 178 zur Kraftstoffeinspritzvorrichtung 136 gekoppelt, wo das flüssige Reduktions-mittel in den Abgasstromweg (nicht gezeigt) als Reduktionsmittelspray 220 eingespritzt wird. Das Zufuhrrohr 174 enthält ein Filter 218, das das flüssige Reduktionsmittel filtert, insbesondere unter Umgebungsbedingungen unter dem Schwellwert, an dem Harnstoffkristalle in dem flüssigen Reduktionsmittel vorhanden sein können. Das Zufuhrrohr 174 enthält ferner einen Drucksensor 216, der ein Flüssigreduktionsmitteldrucksignal an das PCM 206 sendet. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Drucksensor zwischen der Pumpe 172 und dem Filter 218, in der Nähe des Filters, angeordnet; bei alternativen Ausführungsformen kann sich der Drucksensor jedoch an einer anderen Stelle befinden, wie etwa an einer Stelle zwischen dem Filter 218 und der Einspritzvorrichtung 136.
Die Einspritzvorrichtung 136 ist ferner an die Reduktionsmittelrückführleitung 180 gekuppelt. Öffnen und Schließen der Einspritzvorrichtung 136 ist durch das PCM 206 reguliert. Die Reduktionsmittelrückführleitung 180 ist an einem gegenüberliegenden Ende an einen Druckregler 212 gekoppelt. Wenn der Druck größer als ein vorgegebener Schwellwert ist, kann der Druckregler 212 zum Entlasten von Druck, der sonst das System 200 zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel beschädigen könnte, aufmachen. Eine Umgehungsleitung 210 und ein Umgehungsventil 208, das das Öffnen und Schließen der Umgehungsleitung 210 steuert, sind an die Rückführleitung 180 gekoppelt und sehen eine Umgehung um den Druckregler 212 vor. Öffnen und Schließen des Umgehungsventils 208 wird durch das PCM 206 reguliert. Ferner wird der Druckregler 212 durch das PCM 206 reguliert. Von daher kann über das PCM ein Druckschwellwert für den Druckregler eingestellt sein, und der Druckschwellwert kann durch das PCM variiert werden. Zudem kann das PCM zum Betrieb des Systems zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel ein Umgebungstemperatursignal von einem Temperatursensor (nicht gezeigt) empfangen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Druckregler ein mechanisch gesteuerter Druckregler mit einem statischen Druckschwellwert sein.
Ein Verfahren 400 zum Betreiben des Systems 200 zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel ist in dem Ablaufdiagramm von 4 gezeigt. Zunächst wird bei 402 der Motor des Fahrzeugs angelassen und dem PCM signalisiert, dass Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel zum Behandeln von Abgasen erforderlich ist. Bei 404 bestimmt das PCM, ob die Umgebungstemperatur höher als ein Schwellwert_A ist. Beispielsweise liegt der Schwellwert_A in einem Bereich von 0 ºC bis –5 ºC. Beispielsweise ist für die oben beschriebene wässrige Harnstoff- und Ethanollösung die Gefriertemperatur –30 ºC und es kann eine Harnstoffkristallisation bei Temperaturen unter 0 ºC bis –5 ºC auftreten. Falls die Umgebungstemperatur unter dem Schwellwert_A liegt, wird das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel bei 406 in einem Kristallauflösenden Modus betrieben. Der Kristallauflösende Modus ist eingehender unter Bezugnahme auf Verfahren 500 von 5 beschrieben. Falls die Umgebungstemperatur über dem Schwellwert_A liegt, wird das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel in einem normalen Betriebsmodus betrieben, der bei Schritt 408–428 gezeigt ist.
Bei 408 wird die Pumpe in Vorwärtsrichtung eingeschaltet, wodurch flüssiges Reduktionsmittel aus dem Speichertank zur Einspritzvorrichtung hin strömt. Bei 410 bestimmt das PCM, ob der Druck des Systems zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel höher ist als ein Schwellwert₁. Beispielsweise liegt ein Druck des Schwellwerts₁ im Bereich von 4 bis 10 Bar. Der Schwellwert₁ kann ein statischer Druck sein, wie etwa 5 Bar; bei einer alternativen Ausführungsform kann der Schwellwert₁ jedoch auf einen höheren Druck zum Verbessern der Zerstäubung eingestellt werden und ferner auf einen niedrigeren Druck zum Reduzieren der Tröpfchengröße und Beschleunigen der Verdampfung von Wasser aus der wässrigen Harnstofflösung eingestellt werden. Falls der Systemdruck unter dem Schwellwert₁liegt, pumpt die Pumpe bei 412 bei geschlossener Einspritzvorrichtung weiter in der Vorwärtsrichtung, bis der Druck den Schwellwert₁ erreicht. Wenn der Systemdruck über dem Schwellwert₁ liegt, pumpt die Pumpe weiter in der Vorwärtsrichtung, und die Einspritzvorrichtung wird geöffnet, so dass Reduktionsmittel zur NOx-Reduzierung in den Abgasstrom eingespritzt wird.
Die Einspritzung wird fortgesetzt, bis der Motor ausgeschaltet wird, wie bei 416 bis 420 gezeigt, wobei das PCM bestimmt, dass der Motor aus ist. Wenn der Motor bei 416 aus ist, wird die Einspritzvorrichtung bei 420 geschlossen und die Pumpe bei 422 zum Pumpen in der Umkehrrichtung umgeschaltet, wodurch flüssiges Reduktionsmittel von der Einspritzvorrichtung zum Speichertank hin strömt. Dadurch wird flüssiges Reduktionsmittel in einer Luftspülungsprozedur aus dem Zufuhrrohr und dem Rückführungsrohr beseitigt. Bei der oben beschriebenen alternativen Ausführungsform, bei der das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel zwei separate Pumpen enthält, eine erste Pumpe zum Pumpen in der Vorwärtsrichtung und eine zweite Pumpe zum Pumpen in der Umkehrrichtung, wird bei Schritt 422 die erste Pumpe ausgeschaltet und die zweite Pumpe eingeschaltet.
Als nächstes wird bei Schritt 424 bestimmt, ob eine Zeit₁ abgelaufen ist. Beispielsweise beläuft sich die Zeit₁ auf 20 bis 40 Sekunden. Wenn die Zeit₁ nicht abgelaufen ist, pumpt die Pumpe bei 426 bei offener Einspritzvorrichtung in der Umkehrrichtung weiter. Nach Ablauf der Zeit₁ wird die Pumpe bei 428 angehalten und das Verfahren endet. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Einspritzvorrichtung beim Pumpen in der Umkehrrichtung offen sein und geschlossen, wenn das Pumpen angehalten wird. Es versteht sich, dass im Normalmodus die Druckreglerdruckgrenze durch das PCM eingestellt werden kann und das Druckreglerumgehungsventil geschlossen bleibt. Ferner wird der Druckregler nur dann geöffnet, wenn der Druck die vorgegebene Druckgrenze übersteigt, um das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel vor Beschädigung durch hohen Druck zu schützen.
Wie oben kurz beschrieben wird, wenn bei 404 die Umgebungstemperatur unter einem Schwellwert liegt, wie etwa eine Temperatur unter 0 ºC, das System zur Einspritzung eines flüssigen Reduktionsmittels in einem Kristallauflösenden Modus betrieben, als Verfahren 500 in 5 gezeigt. Bei dem Verfahren 500 wird die Aufnahmerohrheizung bei 502 angeschaltet. Beispielsweise kann ein elektrischer Strom an die Heizbandschicht des Aufnahmerohrs angelegt werden. Das Aufnahmerohr heizt sich bei 506 weiter auf, bis das PCM bestimmt, dass eine Zeit₂ bei 504 abgelaufen ist. Beispielsweise beträgt die Zeit₂ eine Minute. Nach Ablauf der Zeit₂ wird das Druckreglerumgehungsventil geöffnet und die Pumpe in der Vorwärtsrichtung betrieben (wie oben beschrieben), während die Einspritzvorrichtung geschlossen ist, bei 508 bzw. 510. Dadurch wird das flüssige Reduktionsmittel durch das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel im Kreislauf umgepumpt, und während es im Kreislauf umgepumpt wird, wird das flüssige Reduktionsmittel zum Lösen von Harnstoffkristallen, die sich am Boden des Speichertanks angesammelt haben können, über das Aufnahmerohr gewärmt.
Das Umpumpen wird durch Fortsetzen des Vorwärtspumpens bei geschlossenem Einspritzvorrichtungsventil und geöffnetem Druckreglerumgehungsventil bei 514 fortgesetzt, bis das PCM bestimmt, dass eine Zeit₃ bei 512 abgelaufen ist. Beispielsweise beträgt die Zeit₃ zwei Minuten. Als nächstes wird das Reglerumgehungsventil geschlossen, und die Pumpe pumpt weiter zum Betrieb in der Vorwärtsrichtung, bei 516. Das Vorwärtspumpen bei geschlossenem Umgehungsventil und geschlossener Einspritzvorrichtung wird bei 520 fortgesetzt, bis das PCM bestimmt, dass der Druck des Systems zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel bei 518 über dem Schwellwert₁ liegt. Es ist zu beachten, dass Schritt 518 und 520 im Wesentlichen dieselben Schritte wie 410 und 412 des Verfahrens 400 sind. Daher setzt das Verfahren 500 von 518 und 520 zu den Schritten 412 bis 426, in 4 gezeigt, zum Ausführen der Einspritzung von Reduktionsmittellösung in den Abgasstrom, wenn der Motor läuft, und zum Luftspülen des Systems zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel, wenn der Motor ausgeschaltet ist, fort.
Das oben beschriebene System und Verfahren sehen erhöhten Schutz gegen Gefrieren einer flüssigen Reduktionsmittellösung durch Herabsetzen des Gefrierpunkts der Lösung vor. Ferner sehen das System und Verfahren ein wirksames Mittel zum Erwärmen von Reduktionsmittellösung und Verhindern eines Verstopfens von Zufuhr- und Rückführungsleitungen in dem System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel vor. Bei einer Ausführungsform ist das flüssige Reduktionsmittel aus Harnstoff, Ethanol und Wasser statt nur Harnstoff und Wasser gebildet, wodurch die Gefrierpunkttemperatur reduziert ist. Beispielsweise kann der Gefrierpunkt von –11 ºC auf –30 ºC reduziert sein.
Ferner kann das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel, auch wenn die Umgebungstemperatur unter einer Schwellwerttemperatur liegt, die zur Harnstoffkristallisation führt, alternativ zu einem normalen Betriebsmodus in einem kristalllösenden Modus betrieben werden. In dem System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel kann ein elektrisch heizbares Aufnahmerohr vorgesehen sein, das an eine Pumpe gekuppelt ist, und ein Druckreglerumgehungsventil und Parallelweg kann an einer Rückführungsleitung vorgesehen sein. Dadurch kann im kristalllösenden Modus das Reduktionsmittel bei Arbeiten der Pumpe in der Vorwärtsrichtung umgepumpt, das Umgehungsventil geöffnet, die Einspritzvorrichtung geschlossen und das elektrisch heizbare Aufnahmerohr zum Lösen von Harnstoffkristallen gewärmt werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Aufnahmerohr ein Innenrohr und ein Außenrohr mit einem Luftspalt, der zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordnet ist. Eine Schicht Heizband ist auf der Außenfläche des Innenrohrs innerhalb des Luftspalts angeordnet. Wenn das flüssige Reduktionsmittel einem Ansaugen durch die Pumpe ausgesetzt ist, wird es in das Aufnahmerohr gezogen und kommt in Kontakt mit einer Innenfläche des Innenrohrs. Wärme wird von dem Heizband über das Innenrohr an das flüssige Reduktionsmittel abgegeben, wenn ein elektrischer Strom an das Heizband angelegt wird, wenn bestimmt wird, dass die Umgebungstemperatur unter einem Schwellwert ist. Der Luftspalt verhindert, dass Wärme von dem Heizband über das Außenrohr an den Speichertank abgegeben wird. Ferner verhindert der Luftspalt, dass flüssiges Reduktionsmittel mit Bauteilen des Heizbands in Kontakt kommt und sie beschädigt. Wenn das flüssige Reduktionsmittel durch das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel umgepumpt und gewärmt wird, werden Harnstoffkristalle gelöst. Dadurch ist das flüssige Reduktionsmittel auf einer gewünschten Harnstoffkonzentration, wenn es zur NOx-Reduzierung in Abgasen in den Abgasbehandlungsweg eingespritzt wird.
Zudem kann das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel eine reversible Pumpe oder eine zweite Pumpe enthalten, die Reduktionsmittel in einer Gegenrichtung bezüglich der Pumprichtung der ersten Pumpe leitet, wie oben beschrieben. Nach dem Ausschalten des Motors kann die Einspritzvorrichtung ausgeschaltet und das System zur Einspritzung von flüssigem Reduktionsmittel Pumpen in der Umkehrrichtung ausgesetzt werden. Dadurch kann das flüssige Reduktionsmittel aus der Zufuhrleitung und der Rückführleitung beseitigt werden, wodurch Kristallisation und/oder Gefrieren von Reduktionsmittel verhindert wird, das sonst Verstopfung in der Zufuhrleitung und der Rückführleitung verursachen könnte, wenn die Umgebungstemperatur unter dem Kristallisations- oder Gefrierpunkt der flüssigen Reduktionsmittellösung ist.
Neben der Tatsache, dass das flüssige Reduktionsmittel eine reduzierte Gefrierpunkttemperatur aufweist, weisen das oben beschriebene System und Verfahren andere Vorteile auf. Beispielsweise können die Kosten von Heizbauteilen herabgesetzt werden, da anstelle des Heizens des gesamten Speichertanks nur das Aufnahmerohr geheizt wird. Außerdem können Kosten herabgesetzt sein, da Bauteile unter Ausnahme des Aufnahmerohrs keine frostsichere Gestaltung in Verbindung mit dem Schutz der Systembauteile über mehrere Gefrier-/Auftau-Zyklen hinweg erfordern. In einem anderen Beispiel kann aufgrund der Benutzung von weniger Isolation der Speichertankwände und Reduzierung von Dampfraum, der zum Aufnehmen von Reduktionsmittelausdehnung während der Eisbildung benötigt wird, die Speichertankgröße auf ein brauchbareres Volumen reduziert werden.
Bei einem anderen Beispiel kann die Unterdrückung der Gefrierpunkttemperatur des flüssigen Reduktionsmittels dazu führen, dass der Harnstoffkonzentrationswert unabhängig vom Gefrierpunkt ist. Dies kann einen höheren chemischen Reduktionsmittelgehalt aufgrund der Fähigkeit, mit erhöhter Reduktionsmittelkonzentration für ein gegebenes Volumen zu arbeiten, ermöglichen. Ein brauchbareres Volumen kann eine längere Fahrstrecke zwischen Harnstoffnachfüllungen ermöglichen, wodurch Fahrzeugwartungskosten reduziert werden. Bei einem anderen Beispiel kann das brauchbarere Volumen und/oder die höhere Konzentration von Reduktionsmittel das Erhöhen der Belastung der NOx-Reduzierung auf das Abgasnachbehandlungssystem bei gleichzeitiger Reduzierung der NOx-Reduzierungsbelastung, die von dem Motorverbrennungssystem erfordert ist, ermöglichen. Dies kann die Menge der Abgasrezirkulation reduzieren, wodurch der Fahrzeugkraftstoffverbrauch weiter vermindert wird.
Zudem können die Verdampfungseigenschaften von Ethanol in der flüssigen Reduktionsmittellösung Vorteile bieten. Beispielsweise kann die flüssige Reduktionsmittellösung die Fähigkeit zum Ausbilden gasförmiger Fraktionen (NH₃ und HNCO) aufgrund der schnelleren Verdampfung der flüssigen Fraktion, die Ethanol enthält, aufweisen, da das Ethanol im Vergleich zum Wasseranteil einen niedrigeren Siedepunkt aufweist. Dies kann die zur Tröpfchenverdampfung erforderliche Verweilzeit reduzieren und eine kürzere Vermischungslänge ermöglichen, wodurch die Bauraumausnutzung verbessert wird. Bei einem anderen Beispiel kann die flüssige Reduktionsmittellösung die Fähigkeit zum Reduzieren der Wärmemenge, die von dem Abgas zum Verdampfen von Reduktionsmittellösungströpfchen erforderlich ist, aufgrund einer niedrigeren spezifischen Wärmekapazität von Ethanol im Vergleich zu Wasser aufweisen. Dies kann außerdem zum Reduzieren der Verweilzeit, die zur Tröpfchenverdampfung erforderlich ist, beitragen und die Nutzung einer kürzeren Vermischungslänge ermöglichen, wodurch wiederum die Bauraumausnutzung verbessert wird. Ferner kann die flüssige Reduktionsmittellösung wegen des niedrigeren Siedepunkts der Ethanollösung die Fähigkeit aufweisen, weniger Ablagerungen auf den Oberflächen von Reduktionsmittelspraymischvorrichtungen und Innenwänden von Auspuffrohren aufgrund schnellerer Verdampfung von Reduktionsmitteltröpfchen auszubilden.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Abläufe von beispielhafter Natur sind, und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Beispielsweise ist die oben genannte Technologie auf V6-, I4-, I6-, V12-, 4-gegen- und andere Motorarten anwendbar. Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hierin offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Bezugszeichenliste
Fig. 4:

: START
402: Motor anlassen
404: Umgebungstemperatur < Reduktionsmittelgefrierpunkt?
: JA
406: Betreiben im kristalllösenden Modus (siehe 5)
: NEIN
408: Pumpe in Vorwärtsrichtung anschalten
410: Druck > Schwellwert₁?
: NEIN
412: Bei geschlossener Einspritzvorrichtung in Vorwärtsrichtung weiterpumpen
: JA
414: Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von flüssigem Reduktionsmittel in Abgasstrom öffnen
416: Motor ausgeschaltet?
: NEIN
418: Bei geöffneter Einspritzvorrichtung in Vorwärtsrichtung weiterpumpen
: JA
420: In Umkehrrichtung pumpen
422: Abgelaufene Zeit > t₁?
: NEIN
424: Bei geöffneter Einspritzvorrichtung in Umkehrrichtung weiterpumpen
: JA
426: Pumpen anhalten und Einspritzvorrichtung schließen
: ENDE

: START
502: Aufnahmerohrheizung anschalten
504: Abgelaufene Zeit > t₂?
: NEIN
506: Aufnahmerohr weiter heizen
: JA
508: Umgehungsventil öffnen
510: In Vorwärtsrichtung pumpen
512: Abgelaufene Zeit > t₃?
: NEIN
514: Bei geschlossener Einspritzvorrichtung und offenem Umgehungsventil in Vorwärtsrichtung weiterpumpen
: JA
516: Umgehungsventil schließen und in Vorwärtsrichtung weiterpumpen
518: Druck > Schwellwert₁?
: NEIN
520: Bei geschlossener Einspritzvorrichtung und geschlossenem Umgehungsventil in Vorwärtsrichtung weiterpumpen
: JA
: Gleiche Schritte 412–426 von 4
: ENDE

Claims

Verfahren zum Behandeln von Motorabgas, aufweisend: Speichern einer Lösung aus Ethanol, Wasser und Harnstoff in einem Speichertank; Ansaugen der Lösung in ein elektrisch heizbares Aufnahmerohr zur Zufuhr über eine Zufuhrleitung und eine Einspritzvorrichtung zum Auspuff durch Betreiben einer Pumpe in einer ersten Richtung; und Leeren einer Rückführleitung, die die Lösung rückführt, oder der Zufuhrleitung durch Betreiben der Pumpe in einer zweiten, umgekehrten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend das Bestimmen, ob eine Umgebungstemperatur höher als ein Kristallisationsschwellwert der Lösung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend das Betreiben eines Reduktionsmitteleinspritzsystems in einem ersten Modus, wenn die Umgebungstemperatur unter dem Kristallisationsschwellwert liegt, und Betreiben des Reduktionsmitteleinspritzsystems in einem zweiten Modus, wenn die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Modus das Anlegen von elektrischem Strom an das elektrisch heizbare Aufnahmerohr über eine erste Zeitdauer hinweg aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Modus ferner das Öffnen eines Druckreglerumgehungsventils in der Rückführleitung, Halten der Einspritzvorrichtung in einer geschlossenen Position und Erwärmen der Lösung durch Ansaugen der Lösung in das elektrisch heizbare Aufnahmerohr zum Umpumpen in den Speichertank über eine zweite Zeitdauer hinweg aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Modus ferner das Schließen des Druckreglerumgehungsventils, Halten der Einspritzvorrichtung in einer geschlossenen Position und Ansaugen der Lösung in das elektrisch heizbare Aufnahmerohr über Betreiben der Pumpe in der ersten Richtung zum Erhöhen eines Reduktionsmitteleinspritzsystemdrucks, bis der Reduktionsmitteleinspritzsystemdruck höher als ein Schwellwert ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Modus ferner, wenn der Reduktionsmitteleinspritzsystemdruck höher als der Schwellwert ist, das Öffnen der Einspritzvorrichtung und Einspritzen der Lösung in einen Auspuffweg aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Modus das Erhalten der Einspritzvorrichtung in einer geschlossenen Position, Erhalten eines Druckreglerumgehungsventils in einer geschlossenen Position, Erhalten eines ungeheizten Zustands des elektrisch heizbaren Aufnahmerohrs und Ansaugen der Lösung in das elektrisch heizbare Aufnahmerohr über Betreiben der Pumpe in der ersten Richtung zum Erhöhen eines Reduktionsmitteleinspritzsystemdrucks, bis der Reduktionsmitteleinspritzsystemdruck über einem Schwellwert liegt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zweite Modus ferner, wenn der Reduktionsmitteleinspritzsystemdruck über dem Schwellwert liegt, das Öffnen der Einspritzvorrichtung und Einspritzen der Lösung in einen Auspuffweg aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend, nach dem Ausschalten des Motors, das Halten eines Druckreglerumgehungsventils in einer geschlossenen Position und Leeren der Rückführleitung, das die Lösung rückführt, oder der Zufuhrleitung durch Betreiben der Pumpe in der zweiten, umgekehrten Richtung und anschließendes Schließen der Einspritzvorrichtung.