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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Einspritzung von flüssigen Reduktionsmitteln in den Abgasstrom eines Dieselmotors, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Einspritzung von flüssigen Reduktionsmitteln aus einem Reduktionsmittel-Behälter in den Abgasstrom eines Dieselmotors.
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Als flüssiges Reduktionsmittel eignet sich insbesondere AdBlue. AdBlue (ISO 22241/DIN 70070/AUS32) ist der Markenname für eine auf Harnstoff und Wasser basierende Flüssigkeit, die bei der Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren zur Reduktion der Stickoxide verwendet wird. Der Gefrierpunkt von AdBlue liegt bei etwa –11°C.
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Bei Verwendung in Kraftfahrzeugen kann das im separaten Tank gelagerte Reduktionsmittel folglich bei niedrigen Temperaturen, zum Beispiel im Winter, relativ leicht einfrieren. Um eingefrorenes Reduktionsmittel wieder aufzutauen, wird häufig ein Heizelement in dem Reduktionsmittel-Tank eingebaut. Falls das geschmolzene Reduktionsmittel sofort aus dem Behälter genommen wird, besteht aber die Gefahr, dass ein Hohlraum um das Heizelement herum entsteht. Dabei wird die Wärmeleitung zwischen Heizelement und noch gefrorenem Reduktionsmittel deutlich beeinträchtigt, was zur Beschädigung von dem Heizelement führen kann. Ferner kann das Reduktionsmittel-Einspritz- bzw. Dosier-System auch durch darin entstehende Luftblasen beschädigt werden.
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Zur Vermeidung der obigen Probleme ist es bekannt, einen kleineren Topf, der ähnlich dem in Kraftstoffbehältern häufig verwendeten Beruhigungstopf ist, in dem Reduktionsmittel-Behälter einzubauen. Der Füllstand dieses kleinen Topfes wird mittels eines Sensors erfasst und ein Einspritzen von Reduktionsmittel in den Abgasstrom erfolgt nur dann, wenn der Füllstand über einem bestimmten Wert liegt. Somit kann sichergestellt werden, dass immer genug flüssiges Reduktionsmittel vorhanden ist, um eine gute Wärmeleitung zwischen dem Heizelement und dem gefrorenen Reduktionsmittel bereitzustellen und Luftblasenbildung im Einspritzsystem zu vermeiden.
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Das Einbauen von einem Beruhigungstopf mit zugehörigem Füllstandsensor in dem Reduktionsmittel-Behälter ist aber aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden.
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In der
DE 10 2013 200 445 A1 ist eine Abgasregelungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor beschrieben, welche über ein Zugabeventil eine flüssige wässrige Harnstofflösung in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors hinzugibt, und zwar strömungsaufwärtsseitig eines Katalysators, der in dem Abgaskanal angeordnet ist, um so NOx aus Abgasen an dem Katalysator zu entfernen. In einem Tank, der die wässrige Harnstofflösung speichert, ist eine Heizvorrichtung angeordnet, die die wässrige Harnstofflösung erwärmt. Wenn die wässrige Harnstofflösung in dem Tank gefroren ist, führt eine elektronische Steuerungseinheit mit Hilfe der Heizvorrichtung eine Erwärmung durch, um so die wässrige Harnstofflösung aufzutauen. Wenn der Schätzwert der Gesamtmenge der nach dem Beginn des Heizvorgangs aufgetauten wässrigen Harnstofflösung größer als oder gleich groß wie der Schätzwert der Gesamtmenge der den Abgasen hinzugegebenen wässrigen Harnstofflösung ist, darf das Zugabeventil angesteuert werden. Wenn hingegen der Schätzwert der Gesamtmenge der aufgetauten wässrigen Harnstofflösung kleiner als der Schätzwert der Gesamtmenge der den Abgasen zugegebenen wässrigen Harnstofflösung ist, ist die Ansteuerung des Zugabeventils verboten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfacheren und kostengünstigeren Weg zur Lösung der oben geschilderten Probleme bei dem Auftauen von gefrorenem Reduktionsmittel bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Einspritzung von Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmittel-Behälter in den Abgasstrom eines Dieselmotors beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Feststellen, dass die Temperatur im Reduktionsmittel-Behälter niedriger als ein vorgegebener Temperaturschwellenwert ist, (b) Einschalten eines im Reduktionsmittel-Behälter angebrachten Heizelementes, um gefrorenes Reduktionsmittel zu schmelzen, (c) Schätzen einer seit dem Einschalten des Heizelementes geschmolzenen Menge von Reduktionsmittel, und (d) Einspritzen einer dosierten Menge von Reduktionsmittel in den Abgasstrom, wenn die geschätzte geschmolzene Menge von Reduktionsmittel größer als eine vorbestimmte Mindestmenge ist.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Schätzen der von dem Heizelement geschmolzenen Menge von Reduktionsmittel ein Einbauen von Beruhigungstopf und dazugehörigen Sensoren ersetzen kann. Reduktionsmittel wird nur dann aus dem Behälter genommen (und in den Abgasstrom eingespritzt), wenn es basierend auf der geschätzten Menge von geschmolzenen Reduktionsmittel festgestellt wird, dass eine vorbestimmte Mindestmenge von geschmolzenen, das heißt flüssigen Reduktionsmittel in dem Reduktionsmittel-Behälter vorhanden ist. Somit kann die Entstehung von problematischen Hohlräumen im gefrorenen Reduktionsmittel ohne Verwendung von teuren Hardwareelementen sichergestellt werden.
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Das Feststellen, dass die Temperatur im Reduktionsmittel-Behälter niedriger als ein vorgegebener Temperaturschwellenwert ist, mag insbesondere unter Verwendung eines im Reduktionsmittel-Behälter angebrachten Temperatursensors durchgeführt werden. Der Temperatursensor mag insbesondere in unmittelbarer Nähe von dem Heizelement angebracht sein. Es können aber auch mehrere an verschiedenen Positionen im Reduktionsmittel-Behälter angebrachten Temperatursensoren verwendet werden. Der vorgegebene Temperaturschwellenwert ist so ausgewählt, dass bei Temperaturen unter diesem Temperaturschwellenwert die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass zumindest ein Teil des Reduktionsmittels im Behälter gefroren ist. Der Temperaturschwellenwert mag insbesondere um etwa –10°C gewählt werden.
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Das Heizelement mag insbesondere ein elektrisches Heizelement sein, wie beispielsweise ein PTC-Element. Das Heizelement mag insbesondere am Boden des Reduktionsmittel-Behälters angebracht sein.
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Die vorbestimmte Mindestmenge von Reduktionsmittel mag insbesondere so ausgewählt werden, dass, wenn diese Mindestmenge von Reduktionsmittel in geschmolzener Form im Reduktionsmittel-Behälter vorhanden ist, ein Großteil der Oberfläche des Heizelementes mit flüssigem Reduktionsmittel in Kontakt ist und somit Wärme an das Reduktionsmittel gut übertragen kann.
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Die dosierte Menge von Reduktionsmittel, die gegebenenfalls in den Abgasstrom eingespritzt wird, reduziert in bekannter Weise die Menge von Stickoxiden im Abgas.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine einfache Steuerung der Einspritzung von Reduktionsmittel in den Abgasstrom, die ohne zusätzliche verteuernde Hardware sicherstellen kann, dass beim Auftauen von gefrorenem Reduktionsmittel erst dann flüssiges Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmittel-Behälter genommen wird, wenn genügend geschmolzenes Reduktionsmittel im Reduktionsmittel-Behälter vorhanden ist, um eine gute Wärmeleitung zwischen Heizelement und gefrorenem Reduktionsmittel zu gewährleisten.
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Das Verfahren weist ferner ein Schätzen einer Schmelzrate auf, welche die geschmolzene Menge von Reduktionsmittel pro Zeit darstellt, wobei die dosierte Menge von Reduktionsmittel, die pro Zeit in den Abgasstrom eingespritzt wird, wenn die geschätzte geschmolzene Menge von Reduktionsmittel größer als die vorbestimmte Mindestmenge ist, kleiner als die geschätzte Schmelzrate ist.
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Mit anderen Worten wird die dosierte Menge von Reduktionsmittel, die pro Zeit in den Abgasstrom eingespritzt wird, so begrenzt, dass die Menge von flüssigem Reduktionsmittel im Reduktionsmittel-Behälter ständig zunimmt.
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Somit wird auf der einen Seite eine Entstehung von gefährlichen Hohlräumen in der Nähe des Heizelementes vermieden und auf der anderen Seite eine gewisse Reduktion der Stickoxide im Abgas erreicht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert das Schätzen der geschmolzenen Menge von Reduktionsmittel auf der Energie, die seit dem Einschalten des Heizelementes dem Heizelement zugeführt worden ist.
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Die dem Heizelement zugeführte Energie mag zum Beispiel durch Messen des elektrischen Stroms, der während des Schmelzvorgangs durch das Heizelement fließt, erfasst werden. Genauer gesagt wird dann der gemessene Strom mit der über dem Heizelement vorhandenen Spannung multipliziert und über Zeit integriert. Anhand der Geometrie des Heizelementes und der Schmelzenthalpie des Reduktionsmittels kann dann daraus die zu einem jeden Zeitpunkt geschmolzene Menge von Reduktionsmittel durch Berechnung geschätzt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner folgendes auf: (a) Feststellen, dass die im Reduktionsmittel-Behälter vorhandene Menge von Reduktionsmittel geschmolzen ist, (b) Ausschalten des im Reduktionsmittel-Behälter angebrachten Heizelementes, und (c) Einstellen der dosierten Menge von Reduktionsmittel, die in den Abgasstrom pro Zeit eingespritzt wird, auf eine vorbestimmte optimale Menge von Reduktionsmittel.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird es festgestellt, dass die gesamte im Reduktionsmittel-Behälter vorhandene Menge von Reduktionsmittel geschmolzen ist. Folglich kann das Heizelement ausgeschaltet und die dosierte Menge von Reduktionsmittel auf eine für die größtmögliche Reduktion von Stickoxiden optimale Menge eingestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Festellen, dass die im Reduktionsmittel-Behälter vorhandene Menge von Reduktionsmittel geschmolzen ist, folgendes auf: (a) Erfassen eines Füllstandes im Reduktionsmittel-Behälter, (b) Erfassen einer gesamten Menge von Reduktionsmittel, die seit dem Einschalten des Heizelementes in den Abgasstrom eingespritzt worden ist, und (c) Feststellen, dass der erfasste Füllstand gleich der Differenz zwischen der geschmolzenen Menge von Reduktionsmittel und der erfassten gesamten Menge von Reduktionsmittel ist, die seit dem Einschalten des Heizelementes in den Abgasstrom eingespritzt worden ist.
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Es wird mit anderen Worten festgestellt, dass die im Reduktionsmittel-Behälter vorhandene Menge von Reduktionsmittel gleich der Differenz zwischen der gesamten geschmolzenen Menge von Reduktionsmittel und der gesamten in den Abgasstrom eingespritzten Menge von Reduktionsmittel ist. Wenn dies der Fall ist, ist die gesamte im Reduktionsmittel-Behälter vorhandene Menge von Reduktionsmittel flüssig.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern der Einspritzung von Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmittel-Behälter in den Abgasstrom eines Dieselmotors beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist folgendes auf: (a) Mittel zum Feststellen, dass die Temperatur im Reduktionsmittel-Behälter niedriger als ein vorgegebener Temperaturschwellenwert ist, (b) Mittel zum Einschalten eines im Reduktionsmittel-Behälter angebrachten Heizelementes, um gefrorenes Reduktionsmittel zu schmelzen, (c) Mittel zum Schätzen einer seit dem Einschalten des Heizelementes geschmolzenen Menge von Reduktionsmittel, und (d) Mittel zum Einspritzen einer dosierten Menge von Reduktionsmittel in den Abgasstrom, wenn die geschätzte geschmolzene Menge von Reduktionsmittel größer als eine vorbestimmte Mindestmenge ist.
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Der beschriebenen Vorrichtung liegt im Wesentlichen die gleiche Erkenntnis zu Grunde, die oben in Verbindung mit dem ersten Aspekt erläutert wurde.
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Die Vorrichtung mag insbesondere in einem Computer mit Prozessor, Speicher und Schnittstellen realisiert werden, wobei die verschiedene Mittel der Vorrichtung als Funktionsblöcke implementiert sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt oder einer der obigen Ausführungsformen durchzuführen.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt aufweisend einen computerlesbaren Datenträger, auf dem das Computerprogramm gemäß dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist, beschrieben.
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Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
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Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Bluray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann.
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Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
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1A zeigt eine Seitenansicht eines Reduktionsmittel-Einspritzsystems, das erfindungsgemäß gesteuert wird.
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1B zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils des im 1A gezeigten Systems.
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1C zeigt eine Draufsicht des im 1B gezeigten Teils des Systems.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
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Das in 1A gezeigte Reduktionsmittel-Einspritzsystem weist einen Reduktionsmittel-Behälter 10, einen Schlauch 12 und ein Ventil 14 auf. Der Reduktionsmittel-Behälter 10 ist mit gefrorenem Reduktionsmittel 16 gefüllt. Auf dem Boden des Reduktionsmittel-Behälters 10 ist ein kreisförmiges elektrisches Heizelement 18 zum Schmelzen des gefrorenen Reduktionsmittels 16 angebracht. Um einen unteren Teil des kreisförmigen Heizelements 18 herum befindet sich eine Menge von geschmolzenem Reduktionsmittel 20. Über dem geschmolzenen Reduktionsmittel 20 und dem Heizelement 18 befindet sich eine kleine Menge Luft 22, die durch Einspritzen von einem Teil des geschmolzenen Reduktionsmittels entstanden ist.
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Wie es in 1B gezeigt ist, weist das Heizelement 18 eine Höhe h auf. Ferner weist das Heizelement 18, wie es in der 1C zu sehen ist, einen Durchmesser d1 auf. Der äußere Rand des geschmolzenen Reduktionsmittel weist (schematisch) einen Durchmesser d2 auf, und die Dicke des geschmolzenen Reduktionsmittel ist d3, wobei d3 = d2 – d1. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass der Übergang zwischen geschmolzenem und gefrorenem Reduktionsmittel nur annäherungsweise kreisförmig ist, und dass der Durchmesser d2 in der Praxis wegen nicht einheitliches Schmelzens des Reduktionsmittel an verschiedenen Höhen (zwischen 0 und h) leicht unterschiedlich sein mag.
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Die Steuerung des Reduktionsmittel-Einspritzsystems erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel wie folgt: Zuerst wird es beim Starten des (nicht gezeigten) Dieselmotors festgestellt, dass die Temperatur im Reduktionsmittel-Behälter 10 niedriger als –10°C ist, so dass es zu erwarten ist, dass das im Reduktionsmittel-Behälter 10 vorhandene Reduktionsmittel gefroren ist. Dann wird das Heizelement 18 eingeschaltet, um das gefrorene Reduktionsmittel zu schmelzen, und der elektrische Strom, der dem Heizelement 18 zugeführt wird, wird überwacht, zum Beispiel mittels eines Shunt-Widerstandes. Durch Multiplikation des erfassten Stromwertes und der Spannung über das Heizelement kann die dem Heizelement zugeführte Energie jetzt durch Integration berechnet werden. Nach Abzug von (geschätzten) Wärmeverlusten kann nun durch Division mit der Schmelzenthalpie des Reduktionsmittels (im Falle der Verwendung von AdBlue 270 J/g) die geschmolzene Menge von Reduktionsmittel berechnet werden. Diese berechnete Menge von geschmolzenem Reduktionsmittel wird dann regelmäßig, zum Beispiel jede Sekunde, mit einer vorbestimmten Mindestmenge von Reduktionsmittel verglichen. Wenn es festgestellt wird, dass die (geschätzte) geschmolzene Menge von Reduktionsmittel größer als die vorbestimmte Mindestmenge ist, wird eine dosierte Menge von Reduktionsmittel in den Abgasstrom vom Motor durch Öffnen der Ventile 14 über den Schlauch 12 hineingespritzt.
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Die dosierte Menge von Reduktionsmittel, die pro Zeit eingespritzt wird, wird so begrenzt, dass die zum Einspritzen entnommene Menge pro Zeit geringer ist als die pro Zeit geschmolzene Menge von Reduktionsmittel. Hierzu wird die Schmelzrate von Reduktionsmittel regelmäßig berechnet und als Deckelwert für die dosierte Menge von Reduktionsmittel verwendet.
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Wenn nach einer gewissen Zeit nur flüssiges Reduktionsmittel in dem Behälter 10 vorhanden ist, wird das Heizelement ganz ausgeschaltet oder in Abhängigkeit einer gemessenen Außentemperatur auf eine niedrigere Leistungsstufe eingestellt. Ab diesem Zeitpunkt wird die für eine optimale Stickstoffreduktion im Abgas erforderliche Menge von Reduktionsmittel in den Abgasstrom vom Motor eingespritzt.
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Mit Bezug auf die 1B und 1C kann die vorbestimmte Mindestmenge von Reduktionsmittel so gewählt werden, dass sie etwa einen Ring mit Dicke d3 und höhe h/4 um das Heizelement 18 bildet. Mit anderen Worten kann die Mindestmenge MM wie folgt geschätzt werden: MM = π·(d22 – d12)·(h/4)·D, wobei D die Densität von Reduktionsmittel bezeichnet.
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Die Mindestmenge MM ist eine kalibrierbare Größe und wird in der Steuerung gespeichert.
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In dieser Ausführungsform wird MM auf 550 g gesetzt. Die Spannung über das Heizelement beträgt typisch 12 V. Bei einem typischen Stromwert von 10 A ist die dem Heizelement zugeführte Leistung 120 W. Bei einem typischen Wert der Verluste von 10%, leistet das Heizelement folglich 104 W zum Schmelzen des gefrorenen Reduktionsmittels. Durch Division mit der Schmelzenthalpie ergibt sich, im Falle der Verwendung von AdBlue, eine Schmelzrate von etwa 0,4 g/s. Zusätzlich zu der oben erwähnten Mindestmenge MM, befindet sich auch eine gewisse Menge von Reduktionsmittel in dem Schlauch 12 und in der Ventile 14. Diese Menge beträgt in diesem Beispiel schätzungsweise 32 g. Eine typische dosierte Menge von Reduktionsmittel ist 270 g pro Stunde oder 0,075 g/s. Aus allen diesen Werten kann nun die Zeit, die für das Schmelzen der notwendige Menge von Reduktionsmittel benötigt wird, vor das Einspritzen in den Abgasstrom freigegeben werden kann, berechnet werden: Zeit = (550 g + 32 g + 0,075 g)/0,4 g/s = 1455 s (oder knappe 25 Minuten).
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Mit anderen Worten kann die Zeit durch Division der gewählten Mindestmenge plus Menge i Schläuchen etc. (MS) plus maximale dosierte Menge pro Zeit (MD) mit der Schmelzrate geschätzt werden, dass heißt Zeit = (MM + MS + MD)/Schmelzrate.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Reduktionsmittel-Behälter
- 12
- Schlauch
- 14
- Ventile
- 16
- Gefrorenes Reduktionsmittel
- 18
- Heizelement
- 20
- Geschmolzenes Reduktionsmittel
- 22
- Luft
- h
- Höhe des Heizelements
- a1
- Durchmesser des Heizelements
- a2
- äußerer Rand des geschmolzenen Reduktionsmittels
- a3
- Dicke des geschmolzenen Reduktionsmittels
