DE102014003639A1

DE102014003639A1 - System und Verfahren für das Nachabschaltungstemperaturmanagement und die Spülung

Info

Publication number: DE102014003639A1
Application number: DE102014003639.1A
Authority: DE
Inventors: Rebecca Grzesiak; Michael J. Braun
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CN104047697B; CN104047697A; US8997467B2; US20140260199A1

Abstract

Eine Maschine (100) umfasst eine Kraftmaschine (202), welche ein Kühlmittelsystem, ein elektrisches System (258) und ein Abgassystem (200) aufweist. Ein Injektor (222) für Dieselabgasströmungsmittel (diesel exhaust fluid, DEF) führt dem Abgassystem DEF (221) zu. Der DEF-Injektor umfasst ein Gehäuse (230), welches einen durch es hindurchtretenden Kühlmitteldurchlass formt. Der Kühlmitteldurchlass ist angepasst um einen Strom von Kühlmittel durch den Kühlmitteldurchlass zur Kühlung des DEF-Injektors aufzunehmen. Eine DEF-Pumpe (226) ist angeordnet um während des Betriebs der Kraftmaschine dem DEF-Injektor DEF aus einem Reservoir (228) bereitzustellen. Ein Modul (308) für das Leistungsmanagement ist mit dem elektrischen System, dem DEF-Injektor und der DEF-Pumpe verbunden. Eine zusätzliche Leistungseinheit (306) ist mit dem Modul für das Leistungsmanagement verbunden und ist gestaltet um aktiv zu bleiben, nachdem das elektrische System der Kraftmaschine deaktiviert wurde. Das Modul für das Leistungsmanagement ist gestaltet um eine Reinigung bzw. Spülung des DEFs aus dem DEF-Injektor zu bewirken, wenn die Kraftmaschine abgeschaltet wird.

Description

Technischer Bereich
Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Kraftmaschinensysteme und genauer auf Abgasnachbehandlungssysteme und -verfahren.
Stand der Technik
Ein bekanntes Verfahren zur Verringerung bestimmter Bestandteile des Abgases von Dieselkraftmaschinen ist die Verwendung eines Abgasnachbehandlungssystems welches die selektive katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR) von Stickoxiden einsetzt. In einem typischen SCR-System wird Harnstoff oder eine harnstoffbasierte wässrige Lösung mit dem Abgas gemischt. In einigen Anwendungen wird eine Harnstofflösung direkt in einen Abgasdurchlass durch eine spezielle Einspritzvorrichtung eingespritzt. Die eingespritzte Harnstofflösung mischt sich mit dem Abgas und wird zersetzt, um Ammoniak (NH₃) in dem Abgasstrom bereitzustellen. Das Ammoniak reagiert dann an einem Katalysator mit Stickoxiden (NO_x) in dem Abgas um gasförmigen Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) bereitzustellen.
Wie beachtet werden soll erfordern SCR-Systeme das Vorhandensein einer gewissen Form von Harnstoff nahe dem Kraftmaschinensystem, sodass die Kraftmaschine während des Betriebs ständig versorgt werden kann. Verschiedene Zuführsysteme für Harnstoff oder Harnstofflösung sind bekannt und werden in Kraftmaschinenanwendungen eingesetzt. In bekannten Einspritz- bzw. Injektorsystemen für Harnstoff können temperaturbezogene Herausforderungen auftreten, die die elektronische und mechanische Hardware beeinflussen können, welche verwendet wird, um den Harnstoff einzuspritzen.
Wenn der Harnstoff typischerweise direkt in das Abgassystem der Kraftmaschine eingespritzt wird, dann kann die Nähe der Harnstoffeinspritzvorrichtung zu dem heißen Abgas der Kraftmaschine dazu führen, dass Injektorkomponenten überhitzen, sowohl während des Betriebs des Systems als auch nach einer Wärmesättigung, die auf ein Abschalten der heißen Kraftmaschine folgt. Zudem kann im Fall von Systemen, welche wasserbasierte Harnstofflösungen verwenden, das Einfrieren der Harnstofflösung eine Beschädigung von Komponenten verursachen, wenn die Kraftmaschine nicht in Betrieb ist. Andere Probleme umfassen Korrosion auf Komponenten des Harnstoffinjektors und anderen umgebenden Komponenten der Kraftmaschine und des Fahrzeugs aufgrund der Natur der Harnstofflösung.
Zusammenfassung
Die Offenbarung beschreibt in einem Aspekt eine Maschine. Die Maschine umfasst eine Kraftmaschine, welche ein Kühlmittelsystem, ein elektrisches System und ein Abgassystem aufweist. Ein Injektor für Dieselabgasströmungsmittel (diesel exhaust fluid, DEF) ist vorgesehen, um zugemessene Mengen an DEF in das Abgassystem einzuspritzen bzw. zu injizieren. Der DEF-Injektor umfasst ein Gehäuse, welches einen durch es hindurchtretenden Kühlmitteldurchlass formt. Der Kühlmitteldurchlass ist angepasst um einen Strom von Kühlmittel zur Kühlung des DEF-Injektors aufzunehmen. Eine DEF-Pumpe ist angeordnet um während des Betriebs der Kraftmaschine dem DEF-Injektor DEF aus einem Reservoir bereitzustellen. Ein Modul für das Leistungsmanagement ist mit dem elektrischen System, dem DEF-Injektor und der DEF-Pumpe verbunden. Eine zusätzliche Leistungseinheit ist mit dem Modul für das Leistungsmanagement verbunden und ist gestaltet um aktiv zu bleiben, nachdem das elektrische System der Kraftmaschine deaktiviert wurde. Das Modul für das Leistungsmanagement ist gestaltet um eine Reinigung bzw. Spülung des DEFs aus dem DEF-Injektor zu bewirken, wenn die Kraftmaschine abgeschaltet wird.
In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Wärmemanagement und für eine Spülung eines Strömungsmittels aus einem Injektor in einer Maschine, welche eine Kraftmaschine aufweist. Die Kraftmaschine weist ein Kühlmittelsystem und ein elektrisches System auf. Das Verfahren umfasst das Speichern elektrischer Energie in einer zusätzlichen Leistungseinheit aus dem elektrischen System während des Betriebs der Kraftmaschine, und das Aktivieren der zusätzlichen Leistungseinheit, um nach dem Abschalten der Kraftmaschine und der Deaktivierung des elektrischen Systems elektrische Leistung zu liefern. Eine Strömungsmittelpumpe wird angetrieben um das Strömungsmittel aus dem Injektor zu spülen, und eine Temperatur des Injektors wird abgefühlt. Basierend auf der Temperatur wird ein sekundäres Kühlsystem aktiviert, um eine Injektortemperatur zu verringern, wenn die abgefühlte Temperatur eine Schwellentemperatur übersteigt oder erwartet wird, dass sie diese übersteigen wird. Das sekundäre Kühlsystem zieht elektrische Leistung für seinen Betrieb aus der zusätzlichen Leistungseinheit. Ein Fluss elektrischer Leistung zu der Strömungsmittelpumpe und zu dem sekundären Kühlsystem wird durch ein Leistungsmanagementmodul gesteuert, welches mit der zusätzlichen Leistungseinheit, der Strömungsmittelpumpe und dem sekundären Kühlsystem assoziiert bzw. verbunden ist.
In noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zur Vermeidung des Überhitzens eines Injektors für Dieselabgasströmungsmittels (”diesel exhaust fluid”, DEF), welcher in einem Abgassystem einer Kraftmaschine angeordnet ist im Anschluss an eine Abschaltung der heißen Kraftmaschine. Das Verfahren umfasst das Aktivieren einer zusätzlichen Leistungseinheit, welche darin während des Betriebs der Kraftmaschine elektrische Energie speichert, um nach dem Abschalten der Kraftmaschine und der Deaktivierung eines elektrischen Systems der Kraftmaschine elektrische Leistung zu liefern. Eine mit dem DEF-Injektor assoziierte Temperatur wird abgefühlt. Sobald und während die Temperatur eine zuvor festgelegte Schwelle übersteigt wird Energie aus der zusätzlichen Leistungsquelle verwendet um einen Lüfter zu betreiben, der dem DEF-Injektor einen Strom von Kühlluft bereitstellt, und um eine Kühlmittelpumpe zu betreiben, welche einen Strom von Kühlströmungsmittel durch einen in dem Gehäuse des DEF-Injektors ausgebildeten Durchlass zirkuliert. Der Fluss elektrischer Leistung zu dem Lüfter und zu der Kühlmittelpumpe wird durch ein Leistungsmanagementmodul gesteuert, welches mit der zusätzlichen Leistungseinheit assoziiert bzw. verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Gesamtansicht einer Maschine gemäß der Offenbarung.
2 ist Blockdiagramm einer Kraftmaschine welche ein SCR-System gemäß der Offenbarung aufweist.
3 ist eine teilweise geschnittene Gesamtansicht eines Abgasbehandlungssystems gemäß der Offenbarung.
4 ist eine Gesamtansicht eines Injektors für Dieselabgasströmungsmittel (”diesel exhaust fluid”, DEF) gemäß der Offenbarung.
5 ist ein schematisches Diagramm eines Nachabschaltungstemperaturmanagement- und Nachabschaltungspülsystems gemäß der Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung bezieht sich auf Leistungsmanagementsysteme für Maschinen und genauer auf Leistungsmanagementsysteme und -verfahren die eine gesteuerte Abkühl- und Spülfunktionalität für die Injektion von Harnstofflösung und entsprechende Komponenten eines mit der Kraftmaschine assoziierten SCR-Systems bereitstellt. Die hierin offenbarten Leistungsmanagementsysteme wirken, indem sie die Leistung und Funktionalität bestimmter Maschinensysteme aufrechterhalten.
Eine Seitenansicht einer Maschine 100, in diesem Beispiel eines Motorgraders 101, ist in 1 gezeigt. Der Begriff ”Maschine” wird allgemein verwendet, um jegliche Maschine zu beschreiben, die zumindest ein Antriebsrad aufweist, das direkt durch einen mit dem Rad verbundenen Motor angetrieben wird, beispielsweise unter Verwendung von elektrischer oder hydrostatischer Leistung, oder welches alternativ durch mechanische Mittel mittels eines Getriebes durch eine Kraftmaschine angetrieben wird. Der in 1 gezeigte Motorgrader 101 weist im Allgemeinen einen zweiteiligen Rahmen auf, der aus einem Kraftmaschinenrahmen 102 und einem Geräteteil 104 besteht. Alternativ dazu kann der Motorgrader 101 einen einteiligen Rahmen aufweisen. Der Kraftmaschinenrahmen 102 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist mit dem Geräteteil 104 mittels eines (nicht gezeigten) Drehpunkts verbunden. Der Geräteteil 104 weist eine Bedienerkabine 106 und zwei freilaufende Räder 108 auf (von denen nur eines sichtbar ist), die mit dem Boden in Kontakt stehen. Der Kraftmaschinenrahmen 102 steht mit dem Boden mittels zweier Antriebsräder 118 in Kontakt, welche miteinander mittels eines Tandembalkens 120 verbunden sind, der an einem Dreh- bzw. Schwenkpunkt 123 mit dem Kraftmaschinenrahmen 102 verbunden ist. Eine Schaufel bzw. ein Blatt 110 ist an einem Mittelteil des Geräteteils 104 aufgehängt. Das Blatt 110 kann selektiv eingestellt werden, um mit dem Boden in verschiedenen Höhen und Winkeln in Eingriff zu treten, um eine gewünschte Stufung oder Kontur zu erzielen, während der Motorgrader 101 betrieben wird. Die Einstellung der Position des Blattes 110 wird durch ein System von Aktoren erreicht, die in 1 im Allgemeinen als 112 bezeichnet werden, während die Abstützung für die während des Betriebs auf das Blatt 110 wirkende Belastung durch einen Stab 114 erreicht wird, welcher den Geräteteil 104 schwenkbar mit dem Blatt 110 verbindet.
Der Kraftmaschinenrahmen 102 trägt eine Kraftmaschine (unten gezeigt und mit Bezug auf 2 beschrieben), die durch eine Kraftmaschinenabdeckung 116 vor den Elementen geschützt ist. Die Kraftmaschine stellt die Leistung bereit, die notwendig ist, um den Motorgrader 101 voranzutreiben, ebenso wie um die verschiedenen Aktoren und Systeme des Motorgraders 101 zu betreiben. Wie zu erkennen ist, können andere Maschinen verschiedenen Konfigurationen und/oder verschiedene andere damit assoziierte Geräte aufweisen. Die Kraftmaschinenabdeckung 116 umfasst Gitter bzw. Roste und andere Öffnungen, welche es Luft erlaubt, über Kraftmaschinenelemente zu strömen und diese zu kühlen.
2 ist ein Blockdiagramm eines Abgasnachbehandlungssystems 200, welches mit der Kraftmaschine 202 der Maschine 100 assoziiert ist. Das System 200 kann für die Nachrüstung existierender Kraftmaschinen oder alternativ für die Installation auf neuen Maschinen modular aufgebaut sein, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das System 200 ein erstes Modul 204 das strömungsmitteltechnisch mit einer Abgaskanal 206 der Kraftmaschine 202 verbunden ist. Während des Betriebs der Kraftmaschine ist das erste Modul 204 derart angeordnet, dass es im Inneren Kraftmaschinenabgas aus dem Kanal 206 empfängt. Das erste Modul 204 kann verschiedene Abgasbehandlungsvorrichtungen wie beispielsweise eine Dieseloxidationskatalysator (”diesel Oxidation catalyst”, DOC) 208 und einen Dieselpartikelfilter (”diesel particulate filter”, DPF) 210 beinhalten, es können aber auch andere Vorrichtungen verwendet werden. Dem ersten Modul 204 durch die Kraftmaschine 202 zugeführtes Abgas kann zuerst durch den DOC 208 und dann durch den DPF 210 hindurchtreten, bevor es in einen Transferkanal 212 eintritt.
Der Transferkanal 212 verbindet das erste Modul 204 strömungsmitteltechnisch mit einem zweiten Modul 214, sodass Abgas aus der Kraftmaschine 202 hintereinander durch die ersten und zweiten Module 204 und 214 hindurchtreten, bevor es in einem mit dem zweiten Modul verbundenen Auspuffrohr 220 freigesetzt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das zweite Modul 214 einen SCR-Katalysator 216 und einen Ammoniak-Oxidations-Katalysator (Ammonia Oxidation Catalyst, AMOX) 218. Der SCR-Katalysator 216 und der AMOX 218 wirken, um Abgas aus der Kraftmaschine 202 in Gegenwart von Ammoniak zu behandeln, welcher nach dem Abbau einer Harnstoff enthaltenden Lösung, welche in das Abgas in dem Transferkanal 212 injiziert wird, zur Verfügung steht.
Genauer wird eine Harnstoff enthaltende Wasserlösung, welche für gewöhnlich als Dieselabgasströmungsmittel (”diesel exhaust fluid”, DEF) 221 bezeichnet wird, durch einen DEF-Injektor 222 in den Transferkanal 212 injiziert. Das DEF 221 wird in einem Reservoir 228 aufbewahrt und wird dem DEF-Injektor 222 mittels einer Pumpe 226 bereitgestellt. Wenn das DEF 221 in den Transferkanal 212 injiziert wird, dann vermischt es sich mit dem Abgas, welches durch diesen hindurchtritt, und wird somit in das zweite Modul 214 getragen. Um die Vermischung des DEF mit dem Abgas zu unterstützen kann ein Mischer 224 entlang des Transferkanals 212 angeordnet sein.
Wie zu erkennen ist kann die Positionierung des DEF-Injektors 222 auf dem Transferkanal 212 dazu führen, dass der Injektor aufgrund der Erwärmung durch das Abgas während des Betriebs vergleichsweise hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Um eine Beschädigung des DEF-Injektors 222 während des Betriebs zu verhindern wird ein Kraftmaschinenkühlmittelstrom durch den Injektor bereitgestellt. Falls dieser Kühlmittelstrom nicht vorhanden ist während der Injektor heiß ist oder sich in einem Zustand befindet, in welchem er aufgeheizt wird, können thermische Probleme auftreten, beispielsweise wenn die Kraftmaschine abgeschaltet wird, während sie noch heiß ist. Zudem können thermische Probleme aufgrund des Einfrierens des DEF innerhalb des Injektors 222 auftreten. Diese und andere Probleme können durch die im Folgenden beschriebenen Systeme und Verfahren vermieden werden.
3 ist eine teilweise geschnittene Gesamtansicht des Systems 200, und 4 ist eine Gesamtansicht des DEF-Injektors 222, welcher zum Zwecke der Darstellung aus dem System 200 entnommen wurde. 5 ist eine schematische Diagrammansicht eines Nachabschaltungstemperaturmanagement- und Nachabschaltungspülsystems 300 gemäß der Offenbarung. Mit Bezug auf diese Zeichnungen zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, mit dem DEF-Injektor 222 und umgebenden Systemen assoziierte thermische Probleme zu behandeln. Für Bedingungen mit hohen Temperaturen stellt die Offenbarung zumindest teilweise ein System und ein Verfahren für das Management des Hitzeeintrags in den Injektor bereit, insbesondere unter den Bedingungen bei der Abschaltung einer heißen Kraftmaschine. Für Bedingungen geringer Temperaturen stellt das System sicher dass DEF, welches innerhalb des Injektors 222 vorhanden ist, nach der Abschaltung der Maschine herausgespült wird, sodass Probleme aufgrund Einfrierens vermieden werden. Das System 300 erreicht dies indem es eine sich selbst erhaltende Leistungsquelle für zusätzliche Kühl- und Spülsysteme bereitstellt, welche sich nach der Abschaltung vorteilhafterweise nicht von der Maschinenleistung speist, sondern eine ausreichende Leistung aufweist, um Kühl- und Spülsysteme zu betreiben.
Genauer ist das System 200 derart aufgebaut dass die Position des DEF-Injektors 222 vergleichsweise außerhalb der umgebenden Strukturen und sowohl während des Betriebs der Kraftmaschine als auch nach der Abschaltung einem konvektiven kühlenden Luftstrom ausgesetzt ist. Mit Bezug auf 3, in welcher gleiche oder ähnliche Strukturen wie die entsprechenden zuvor beschriebenen Strukturen aus Gründen der Vereinfachung mit den gleichen Bezugszeichen wie bisher verwendet bezeichnet sind, sind die ersten und zweiten Module 204 und 214 nebeneinander angeordnet, wobei der Transferkanal 212 zwischen ihnen angeordnet ist. Der DEF-Injektor 222 ist an einem bezüglich einer Richtung des Abgasstroms 302 in Strömungsrichtung oberhalb gelegenen Ende des Transferkanals 212 angeordnet. Eine Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels eines DEF-Injektors 222 in 4 gezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Injektor 222 einen Körperbereich 230, welcher einen elektrischen Betätiger bzw. Aktuator (nicht gezeigt) aufnimmt, welcher Ansteuersignale durch einen elektrischen Verbinder 232, welcher mit dem Körperbereich 230 verbunden ist, empfangen kann. Der Betätiger ist mit einem Ventilbauteil 234 verbunden. Das Ventilbauteil 234 lässt, wenn es offen ist, einen Strom von DEF aus dem Injektor 222 und in den Transferkanal 212 zu. Um eine Barriere für Wärmekonvektion zwischen dem Körperbereich 230 und dem Abgassystem, mit welchem der Injektor 222 verbunden ist, zu erzeugen, werden mehrere Abstandshalter 236 verwendet, um den Körperbereich 230 von einem Montageflansch 238 zu beabstanden, wodurch ein Spalt 240 zwischen dem Körperbereich 230 des Injektors 222 und dem Montageflansch 238 erzeugt wird.
DEF wird dem Ventilbauteil 234 durch den Körperbereich 230 zugeführt. Ein DEF-Einlasskanal 242 ist mit einem Kanal 245 (2) verbunden, welcher seinerseits mit dem Reservoir 228 strömungsmitteltechnisch verbunden ist. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wirkt der Fluss des DEF durch den Injektor 222 zwischen dem Einlasskanal 242 und dem Ventilbauteil 234 um in konvektiver Weise den Körperbereich 230 während des Betriebs zu kühlen. Eine zusätzliche konvektive Kühlung kann zudem bereitgestellt werden, indem Kraftmaschinenkühlmittel oder ein anderes Kühlströmungsmittel durch in dem Körperbereich 230 ausgeformte innere Durchlässe geleitet wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein innerer Kühldurchlass (nicht gezeigt), welcher sich durch den Körperbereich 230 erstreckt, strömungsmitteltechnisch durch Einlass- und Auslasskühldurchlässe 244 und 246 zugänglich. Jeder Kühlmittelanschluß 244 und 246 ist mit einem jeweiligen Kanal 248 und 250 (5) verbunden, welcher angepasst ist, um einen Fluss von Kühlmittel dort hindurch aufzunehmen, um in konvektiver Weise den Körperbereich 230 zu kühlen.
Mit Bezug nun auf 5 ist eine schematische Diagrammansicht eines Temperaturmanagementsystems 300 für den DEF-Injektor 222 gezeigt. Der DEF-Injektor 222 empfängt DEF-Strömungsmittel durch den Kanal 248, wie auch in 2 gezeigt, um empfängt Kühlmittel durch die Kanäle 248 und 250. Ein Lüfter 252 stellt einen kühlenden Luftstrom 254 bereit, welcher in konvektiver Weise den DEF-Injektor 222 von außen kühlt. Wenn die Kraftmaschine 202 in Betrieb ist, wird der Kühlmittelfluss zu und von dem DEF-Injektor 222 durch ein Kühlmittelsteuermodul 256 gesteuert. Die Leistung für den Betrieb des Lüfters 252 wird durch ein elektrisches System 258 der Maschine bereitgestellt, welches auch die Leistung für den Betrieb der Pumpe 226 bereitstellt, welche dem Injektor 222 DEF zuführt, wenn die Maschine 202 in Betrieb ist.
Wenn jedoch die Kraftmaschine 202 abgeschaltet wird, dann wird die Leistung für das elektrische System 258 der Maschine unterbrochen. Unter Betriebsbedingungen der heißen Kraftmaschine kann die Wärmesättigung des Injektors 222 nach dem Abschalten der Kraftmaschine die Injektor 222 über wünschenswerte Grenzen hinaus erhöhen, insbesondere wenn der Injektor hoch in dem Motorraum unterhalb einer Kraftmaschinenabdeckung und entfernt von Lüftungsöffnungen angeordnet ist, wie es manchmal der Fall ist. Um solche Probleme zu vermeiden weist das System 300 eine sekundäre Leistungsquelle 304 auf, welche im Allgemeinen unabhängig von dem elektrischen System 258 der Maschine ist, und welche gestaltet ist, um sicher Leistung zurückzuhalten, selbst wenn die Maschine abgeschaltet wird.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das System 300 eine Leistungsspeicherungsvorrichtung oder Batterieanordnung 306. Die Batterieanordnung 306 ist gestaltet, um während des Betriebs der Kraftmaschine aus dem elektrischen System 258 der Maschine mit elektrischer Energie geladen zu werden, aber von diesem isoliert zu sein, wenn die Kraftmaschine 202 nicht in Betrieb ist. Wenn das elektrische System 258 der Maschine abgeschaltet wird, dann ist die Batterieanordnung 306 direkt oder mittels eines Leistungsmanagementmoduls 308 eingerichtet, um bestimmten Nachabschaltungstemperaturmanagement- und Nachabschaltungsspülsystemen und den entsprechenden Komponenten Leistung bereitzustellen.
Genauer ist das Leistungsmanagementmodul 308 mit dem Lüfter 252 mittels einer zusätzlichen Lüfterleistungsleitung 310 verbunden, und eingerichtet um diesen anzutreiben. Das Leistungsmanagementmodul 308 ist mit der DEF-Pumpe 226 und optional mit dem Injektor 222 verbunden und eingerichtet, um diese zu anzutreiben. Eine sekundäre Kühlmittelpumpe 314 ist mittels eines Ventils 316 mit dem Kühlmittelsystem der Kraftmaschine 202 verbunden, und ein Auslass der sekundären Kühlmittelpumpe 314 ist mit dem Einlasskühlmittelkanal 248 des Injektors 222 verbunden. Das Ventil 316 kann ein elektrisch betriebenes Ventil sein, oder kann alternativ ein druckaktiviertes Ventil sein, welches sich öffnet, um Kühlmittel aus der Kraftmaschine an dem Einlass der Pumpe 314 bereitzustellen, wenn die Pumpe 314 aktiviert ist.
Während des Betriebs kann das System 300 aktiviert werden, wenn die Kraftmaschine 202 abgeschaltet wurde, was ebenfalls das elektrische System 258 der Maschine zu aktivieren. Ein Temperatursensor 318, welcher angeordnet ist, um eine Bauteiltemperatur zu messen, welche einen thermischen Zustand kritischer Komponenten und Systeme des Systems 300 wie beispielsweise des DEF-Injektors 222 anzeigt, stellt dem Leistungsmanagementmodul 308 ein Temperatursignal 320 zur Verfügung. Das Leistungsmanagementmodul 308 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst zusätzlich zu anderen elektrischen Komponenten wie beispielsweise Schalter und Relais eine elektrische Steuereinheit. Die elektronische Steuereinheit, welche in dem Leistungsmanagementmodul 308 integriert ist, kann eine einzelne Steuereinheit sein, oder kann eine oder mehrere Steuereinheiten aufweisen, welche angeordnet sind, um verschiedene Funktionen und/oder Eigenschaften einer Maschine zu steuern. Beispielsweise kann eine Hauptsteuereinheit, welche verwendet wird, um den gesamten Betrieb und die Funktion der Maschine zu steuern, mit einer Motor- oder Kraftmaschinensteuereinheit, welche verwendet wird und die Kraftmaschine 202 und/oder Komponenten und Systeme des Systems 300 zu steuern, zusammenwirkend eingesetzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausdruck ”Steuereinheit” derart zu verstehen, dass er eine, zwei oder mehr Steuereinheiten, welche mit der Maschine 100 assoziiert sind und welche bei der Steuerung verschiedener Funktionen und Betriebsarten der Maschine 100 (1) zusammenwirken können, umfassen kann. Die Funktionalität der Steuereinheit kann, obgleich sie zu Zwecken der Darstellung hierin konzeptuell derart gezeigt ist, dass sie verschiedene diskrete Funktionen umfasst, derart in Hard- und/oder Software umgesetzt werden kann, ohne sich auf die gezeigte diskrete Funktionalität zu beziehen. Dementsprechend sind verschiedene Schnittstellen des Steuereinheit mit Bezug auf verschiedene Komponenten des Systems 300, welche in dem Blockdiagramm der 5 gezeigt sind, beschrieben. Solche Schnittstellen sollen weder die Anzahl und Art der verbundenen Komponenten einschränken, noch die Anzahl der beschriebenen Steuereinheiten.
Während des Betriebs kann das Leistungsmanagementmodul 308 die Pumpe 226, den Lüfter 252, die Kühlmittelpumpe 314 und den DEF-Injektor 222 nach dem Abschalten der Kraftmaschine je nach Notwendigkeit aktivieren, sodass verschiedene Wartungsvorgänge durchgeführt werden können, welche die Wahrscheinlichkeit von Bauteilschäden aufgrund der Effekte hoher oder niedriger Temperatur verringern können. Wenn beispielsweise die Kraftmaschine abgeschaltet wird, während DEF innerhalb des Injektors 222 und der entsprechenden Strömungsmittelkanälen vorhanden ist, kann das Leistungsmanagementmodul 308 die DEF-Pumpe 226 in umgekehrter Richtung aktivieren und auch ein Ventil des Injektors 222 öffnen, um in effektiver Weise das System zu reinigen bzw. zu spülen, oder anders ausgedrückt, um jegliches DEF-Strömungsmittel, welches in den DEF-Strömungsmittelkanälen und innerhalb des Injektors 222 vorhanden ist, zu entfernen, und jegliches solches DEF zurück in das Reservoir 228 zurückzuführen.
Das Leistungsmanagementmodul 308 kann zudem die Temperatur verschiedener Systemkomponenten nach dem Abschalten steuern, indem es selektiv bewirkt, dass eine aktive Kühlung bereitgestellt wird. Genauer können zwei Kühlsysteme, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt sind, verwendet werden. Das erste in ein Luftkühlungssystem, welches den Lüfter 252 umfasst, der den kühlenden Luftstrom 254 bereitstellt. In einem Ausführungsbeispiel kann, wenn durch die Steuereinheit innerhalb des Leistungsmanagementmoduls 308 festgestellt wird, dass die durch den Temperatursensor 318 angezeigte Temperatur oberhalb einer Schwellentemperatur liegt oder alternativ mit einer Geschwindigkeit ansteigt, bei welcher erwartet werden kann, dass daraus eine Sättigungstemperatur resultieren kann, welche oberhalb der Schwellentemperatur liegen wird, das Leistungsmanagementmodul 308 einen DEF-Kühlkreislauf 322 aktivieren.
Der DEF-Kühlkreislauf 322 kann Kraftmaschinenkühlkanäle des Kühlkreislaufes, welche normalerweise während des Betriebs der Kraftmaschine verwendet werden, beispielsweise die Kanäle 248 und 250 teilen, und alternative Mittel für die Zuführung und Leitung dort hindurch bereitstellen, während die Kraftmaschine 202 nicht in Betrieb ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der DEF-Kühlkreislauf 322 das Ventil 316, welches mit einer Kühlmittelquelle der Kraftmaschine 202 verbunden ist, und welches gestaltet ist, um Kühlmittel von dieser zu der Pumpe 314 zu leiten Die Pumpe 314 kann, wie zuvor beschrieben, eine elektrische Pumpe welche mit Leistung betrieben wird, die mittels des Leistungsmanagementmoduls 308 durch die Battterieanordnung 306 bereitgestellt wird. Wie gezeigt kann die Batterieanordnung 306 während des Betriebs der Kraftmaschine eine Erhaltungsladung von dem Leistungsmanagementmodul 308 empfangen, und kann entladen werden, um die Pumpe 314 während eines Modus des Temperaturmanagements nach der Abschaltung zu betreiben.
Kühlmittel, das aus der Kraftmaschine mittels des Ventils 316 durch die Pumpe 314 gezogen wird, wird mittels eines Transferkanals 324 dem Einlasskühlmittelkanal 248 des DEF-Injektors 222 zugeführt. Somit kann ein Pfad des Kühlmittels von der Kraftmaschine 202 ausgehend durch das Ventil 316 und die Pumpe 314, durch den Transferkanal 324, und dann durch den Einlasskühlmittelkanal 248, den DEF-Injektor 222, den Rückleitungskühlmittelkanal 250 (5) und schließlich die Kraftmaschine 202 definiert werden. Dieser Kreislauf kann wirken in konvektiver Weise Wärmeenergie zu entfernen, die sich nach dem Abschalten der Kraftmaschine in dem DEF-Injektor 222 ansammelt, sodass ein Zustand der Wärmesättigung bei zu hoher Temperatur vermieden werden kann. Dieser sekundäre Kühlmittelpfad durch den DEF-Injektor 222 kann verwendet werden, während eine Systemtemperatur höher als eine Schwellentemperatur ist oder erwartet wird, dass diese überschritten werden wird. Wenn die tatsächliche oder erwartete Temperatur des DEF-Injektors unter den Schwellenwert sinkt, kann das System deaktiviert werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das System auch während des Betriebs der Kraftmaschine in einem Fehlerbetriebszustand aktiviert werden, beispielsweise wenn das Leistungsmanagementmodul 308 feststellt, dass ein Systemfehler oder eine Umweltbedingung vorliegt, welche einen Überhitzungszustand des DEF-Injektors 222 verursachen kann. Mit anderen Worten kann das System 300 aufgrund seiner Autonomie dem DEF-Injektor 222 eine zusätzliche oder Notkühlfunktion zur Verfügung stellen, wenn die normalen Maschinensysteme nicht oder in unzureichender Weise in der Lage sind, eine ausreichende Kühlung des DEF-Injektors bereitzustellen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung ist auf Systeme anwendbar, um Wartungsvorgänge für mechanische und elektronische Komponenten und Systeme nach dem Abschalten des Hauptbetriebsvorgangs einer Maschine durchzuführen. Die speziellen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf den Reinigungs- bzw. Spülvorgang eines Arbeitsströmungsmittels aus einem Injektor in einem SCR-System zur Behandlung des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, und auf den Vorgang des Verwaltens der Temperatur zur Vermeidung des Überhitzens, insbesondere in einem Modus des heißen Abschaltens.
In einem offenbarten Ausführungsbeispiel wird ein Leistungsmanagementmodul, welches eine unabhängige Leistungsquelle aufweist, die nach dem Abschalten der Maschine aktiv bleiben kann, verwendet, um bestimmte Komponenten mit Leistung zu versorgen, welche das Spülen des DEF aus einem entsprechenden Injektor ausführen können. Ein solches Spülen kann sofort nach dem Abschalten der Kraftmaschine abgeschlossen werden, beispielsweise innerhalb von zwei Minuten, und es ist hilfreich bei der Vermeidung von Rissproblemen unter Bedingungen mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, Leckagen wenn die Maschine für einen längeren Zeitraum nicht betrieben wurde, oder bei jedem anderen Mangel oder Effekt des Behaltens des DEFs innerhalb des Injektors und der entsprechenden Kanäle nachdem die Kraftmaschine abgeschaltet wurde. Zu diesem Zweck aktiviert das Leistungsmanagementmodul eine DEF-Pumpe in umgekehrter Richtung und versorgt diese mit Energie, und öffnet auch ein DEF-Injektorventil, um jegliches in den entsprechenden Kanälen verbleibendes DEF herauszuspülen und es zur Aufbewahrung in einem DEF-Reservoir zurückzuführen.
Das Leistungsmanagementmodul ist auch gestaltet um dem DEF-Injektor nach einem Abschalten der heißen Maschine eine Kühlung bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann das Leistungsmanagementmodul eine Temperatur des DEF-Injektors überwachen und basierend auf der Temperatur oder einer Ableitung derselben ein luft- und/oder wassergekühltes System zur Steuerung der Temperatur des DEF-Injektors aktivieren. In einem Ausführungsbeispiel verwendet das luftgekühlte System einen Lüfter welcher von der unabhängigen Leistungsquelle angetrieben werden kann, um dem DEF-Injektor einen kühlenden Luftstrom zuzuführen. Zusätzlich kann ein wassergekühltes System eine elektrische Pumpe verwenden, um Kühlmittel durch den DEF-Injektor hindurchzuleiten, wenn die Kraftmaschine nicht in Betrieb ist. Eine der beiden Kühlanordnungen oder beide können so lange wie nötig betrieben werden, um einen Zustand einer überhöhten Temperatur in dem DEF-Injektor zu vermeiden.
Es ist festzustellen, dass die vorhergehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch vorgesehen, dass andere Umsetzungen der Offenbarung in Details von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele davon sollen sich auf das besondere, gerade zu diesem Zeitpunkt beschriebene Beispiel beziehen, und sollen keinerlei weitergehende Einschränkung des Umfangs der Offenbarung andeuten. Jegliche Erwähnung einer Hervorhebung oder einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Eigenschaften soll einen Mangel an Bevorzugung der fraglichen Eigenschaften anzeigen, dies aber keinesfalls so, dass diese gänzlich vom Umfang der Offenbarung ausgeschlossen werden sollen, falls dies nicht anderweitig angezeigt wird.
Die Angabe von Wertebereichen hierin sollen lediglich als verkürzte Methode dienen, um sich auf jeden Wert, der in den Bereich fällt, individuell zu beziehen, falls nicht anderweitig angezeigt, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als wäre er individuell hierin angegeben worden. Alle hierin beschriebenen Methoden können in jeder geeigneten Abfolge durchgeführt werden, falls hierin nicht anders angezeigt, oder falls dem nicht durch den Zusammenhang in anderer Weise klar widersprochen wird.

Claims

Eine Maschine (100) welche folgendes aufweist: eine Kraftmaschine (202), welche damit verbunden ein Kühlmittelsystem (256), ein elektrisches System (258) und ein Abgassystem (206) aufweist; einen Injektor (222) für Dieselabgasströmungsmittel (DEF), welcher angeordnet ist um dem Abgassystem (206) zugemessene Mengen von DEF (221) zuzuführen, wobei der Injektor (222) für DEF ein Gehäuse (230) aufweist, welches einen durch es hindurchführenden Kühldurchlass aufweist, wobei der genannte Kühldurchlass angepasst ist um einen Kühlmittelstrom durch ihn hindurch aufzunehmen, um den Injektor (222) für DEF zu kühlen; eine DEF-Pumpe (226), die angeordnet ist um während des Betriebs der Kraftmaschine (202) dem DEF-Injektor (222) DEF (221) aus einem Reservoir (228) bereitzustellen; ein Modul (308) für das Leistungsmanagement, das mit dem elektrischen System (258), dem DEF-Injektor (222) und der DEF-Pumpe (226) verbunden ist; eine zusätzliche Leistungseinheit (306), die mit dem Modul für das Leistungsmanagement (308) verbunden ist, wobei die genannte zusätzliche Leistungseinheit (306) gestaltet ist um aktiv zu bleiben, nachdem das elektrische System der Kraftmaschine deaktiviert wurde; wobei das Modul (308) für das Leistungsmanagement gestaltet ist um eine Reinigung bzw. Spülung des DEF (221) aus dem DEF-Injektor (222) zu bewirken, wenn die Kraftmaschine (202) abgeschaltet wird.
Die Maschine (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Modul (308) für das Leistungsmanagement betrieben wird, um das DEF (221) nach dem Abschalten der Kraftmaschine (202) aus dem DEF-Injektor (222) zu spülen bzw. zu entfernen, indem es: Leistung aus der zusätzlichen Leistungseinheit (306) bereitstellt, um die DEF-Pumpe (226) zu betreiben; bewirkt, dass die DEF-Pumpe (226) in umgekehrter Richtung betrieben wird, sodass sie DEF (221) aus dem DEF-Injektor (222) abzieht und das DEF (221) in dem Reservoir (228) speichert; bewirkt, dass sich ein DEF-Injektorventil (234) öffnet, während das DEF (221) entfernt bzw. herausgespült wird.
Die Maschine (100) gemäß Anspruch 1, welche zudem einen Lüfter (252) aufweist, welcher angeordnet ist, um dem DEF-Injektor (222) einen kühlenden Luftstrom (254) zuzuführen, wobei der genannte Lüfter (252) mit dem elektrischen System verbunden und gestaltet ist, um den kühlenden Luftstrom (254) während des Betriebs der Kraftmaschine (202) bereitzustellen.
Die Maschine (100) gemäß Anspruch 3, welche zudem umfasst: einen Temperatursensor (318), welcher angeordnet ist, um eine Bauteiltemperatur zu messen, die mit einer Temperatur des DEF-Injektors (222) assoziiert ist, und um dem Leistungsmanagementmodul (308) ein Temperatursignal (320) zur Verfügung zu stellen, welches die genannte Temperatur darstellt, wobei das Leistungsmanagementmodul (308) zudem gestaltet ist um den genannten Lüfter (252) unter Verwendung von Leistung, die durch die zusätzliche Leistungseinheit (306) zur Verfügung gestellt wird, zu aktivieren, wenn das Temperatursignal (320) einen Zustand anzeigt, in welchem die Temperatur des DEF-Injektors (222) eine Schwellentemperatur übersteigt oder erwartet wird, dass sie diese überschreiten wird.
Die Maschine (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kraftmaschine (202) gestaltet ist um einen Fluss von Kühlmittel durch den Kühlmitteldurchlass des Gehäuses bereitzustellen, wenn die Kraftmaschine (202) in Betrieb ist, wobei der genannte Fluss an Kühlmittel dazu dient den DEF-Injektor (222) zu kühlen.
Die Maschine (100) gemäß Anspruch 5, welche zudem umfasst: einen Temperatursensor (318), welcher angeordnet ist, um eine Bauteiltemperatur zu messen, die mit einer Temperatur des DEF-Injektors (222) assoziiert ist, und um dem Leistungsmanagementmodul (308) ein Temperatursignal (320) zur Verfügung zu stellen, welches die genannte Temperatur darstellt, und eine Kühlmittelpumpe (314), welche mit dem Leistungsmanagementmodul (308) assoziiert ist, wobei die genannte Kühlmittelpumpe (314) nach dem Abschalten der Kraftmaschine (202) durch die zusätzliche Leistungseinheit mit Leistung versorgt wird und dazu dient, einen zusätzlichen Fluss von Kühlmittel durch den Kühlmitteldurchlass des Gehäuses zu leiten, wobei das Leistungsmanagementmodul (308) zudem gestaltet ist um die genannte Kühlmittelpumpe (314) unter Verwendung von Leistung, die durch die zusätzliche Leistungseinheit zur Verfügung gestellt wird, zu aktivieren, wenn das Temperatursignal (320) einen Zustand anzeigt, in welchem die Temperatur des DEF-Injektors (222) eine Schwellentemperatur übersteigt oder erwartet wird, dass sie diese überschreiten wird.
Die Maschine (100) gemäß Anspruch 6, welche zudem ein Ventil (316) aufweist, welches zwischen der Kühlmittelpumpe (314) und der Kraftmaschine (202) angeordnet ist, wobei das genannte Ventil (316) betrieben wird, um die Strömungsmittelpumpe (314) strömungsmitteltechnisch mit dem Kühlmittelsystem der Kraftmaschine (202) zu verbinden, wenn die Kühlmittelpumpe (314) aktiviert ist.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Maschine (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches umfasst: das Speichern elektrischer Energie in der zusätzlichen Leistungseinheit aus dem elektrischen System während des Betriebs der Kraftmaschine (202); das Aktivieren der zusätzlichen Leistungseinheit, um nach dem Abschalten der Kraftmaschine (202) und der Deaktivierung des elektrischen Systems (258) elektrische Leistung zu liefern; das Antreiben einer Strömungsmittelpumpe (226) um das Strömungsmittel aus dem Injektor (222) zu spülen; das Abfühlen einer Temperatur des Injektors (222) und, basierend auf der Temperatur, das Aktivieren eines sekundären Kühlsystems um eine Temperatur des Injektors (222) zu reduzieren, wenn die abgefühlte Temperatur eine Schwellentemperatur übersteigt oder erwartet wird, dass sie diese übersteigen wird; wobei das sekundäre Kühlsystem elektrische Leistung für seinen Betrieb aus der zusätzlichen Leistungseinheit (306) zieht, und wobei ein Fluss elektrischer Leistung zu der Strömungsmittelpumpe und zu dem sekundären Kühlsystem durch ein Leistungsmanagementmodul (308) gesteuert wird, welches mit der zusätzlichen Leistungseinheit (306), der Strömungsmittelpumpe und dem sekundären Kühlsystem assoziiert bzw. verbunden ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das DEF eine wässrige Harnstofflösung enthält.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Modul (308) für das Leistungsmanagement betrieben wird, um das DEF (221) nach dem Abschalten der Kraftmaschine (202) aus dem DEF-Injektor (222) zu spülen bzw. zu entfernen, indem es: Leistung aus der zusätzlichen Leistungseinheit bereitstellt, um die Strömungsmittelpumpe (226) zu betreiben; bewirkt, dass die Strömungsmittelpumpe (226) in umgekehrter Richtung betrieben wird, sodass sie DEF (221) aus dem DEF-Injektor (222) abzieht und das DEF (221) in einem Reservoir (228) speichert; bewirkt, dass sich ein DEF-Injektorventil (234) öffnet, während das DEF (221) entfernt bzw. herausgespült wird.
Ein Verfahren zur Vermeidung des Überhitzens eines DEF-Injektors (222), welcher in einem Abgassystem einer Kraftmaschine angeordnet ist, im Anschluss an eine Abschaltung der heißen Kraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen, welches folgendes umfasst: das Aktivieren einer zusätzlichen Leistungseinheit (306), welche darin während des Betriebs der Kraftmaschine elektrische Energie speichert, um nach dem Abschalten der Kraftmaschine und der Deaktivierung eines elektrischen Systems (258) der Kraftmaschine elektrische Leistung zu liefern; das Abfühlen einer mit dem DEF-Injektor (222) assoziierten Temperatur und, sobald und während die Temperatur einen zuvor festgelegten Schwellenwert übersteigt: das Verwenden von Energie aus der zusätzlichen Leistungseinheit um einen Lüfter (252) zu betreiben, der dem DEF-Injektor (222) einen kühlenden Luftstrom (254) zuführt; das Verwenden von Energie aus der zusätzlichen Leistungseinheit um eine Kühlmittelpumpe (314) zu betreiben, welche einen Fluss von Kühlströmungsmittel durch einen in dem Gehäuse des DEF-Injektors (222) ausgeformten Durchlass zu zirkulieren; wobei der Fluss elektrischer Leistung zu dem Lüfter (252) und zu der Kühlmittelpumpe (314) durch ein Modul (308) für das Leistungsmanagement gesteuert wird, welches mit der zusätzlichen Leistungseinheit (306) assoziiert bzw. verbunden ist.