DE102017201867B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Heizung für eine Abgasreinigungsanlage - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Heizung für eine Abgasreinigungsanlage Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer aktuellen Temperatur eines Heizelements mit Kaltleiter-Eigenschaft (PTC) mit welchem eine Harnstoff-Wasser-Lösung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden beheizt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor aus dem Quotienten des minimalen Widerstands des Heizelements und des minimalen Widerstands eines Referenz-Heizelements gebildet wird, dass ein bei einer aktuellen Temperatur des Heizelements bestimmter Widerstand mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird und dass aus dem korrigierten Widerstandswert und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Referenz-Heizelements die aktuelle Temperatur des Heizelements bestimmt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer aktuellen Temperatur eines Heizelements mit Kaltleiter-Eigenschaft (PTC) mit welchem eine Harnstoff-Wasser-Lösung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden beheizt werden kann.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Temperatur eines Heizelements mit Kaltleiter-Eigenschaft (PTC), welches die Harnstoff-Wasser-Lösung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden beheizt und wobei in einem Steuergerät für das Heizelement eine Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines Referenz-Heizelements gespeichert ist.
  • Abgasreinigungssysteme zur Entstickung von Abgas einer Brennkraftmaschine nutzen eine Harnstoff-Wasser-Lösung, die vor einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) dem Abgas zudosiert wird. Die Harnstoff-Wasser-Lösung („Ad-Blue“) gefriert unter einer Temperatur von -11°C und muss daher bei kalten Umgebungsbedingungen beheizt werden. Eine gefrierende Lösung dehnt sich aus und kann so das Dosiersystem schädigen. Weiterhin kann sie nicht dosiert werden und das Abgas würde unzulässig hohe Werte an Stickoxid enthalten. Zur Beheizung der Harnstoff-Wasser-Lösung wird wegen dessen Eigensicherheit ein Heizelement mit Kaltleiter-Charakteristik (PTC-Heizer, positive temperature coefficient) eingesetzt. Ab einer materialabhängigen Schalttemperatur steigt der Widerstand des Heizelements mit der Temperatur stark an und vermindert bei konstanter Betriebsspannung so die Heizleistung, so dass die Schalttemperatur im Wesentlichen nicht überschritten werden kann. Je nach erforderlicher Heizleistung kann das Heizelement aus mehreren parallel geschalteten PTC-Heizelementen bestehen. Auch im Fall eines nicht von Harnstoff-Wasser-Lösung bedeckten Heizelements wird durch die PTC-Charakteristik verhindert, dass sich durch die verminderte Wärmeabfuhr das Heizelement zu stark erhitzt. Für ein Auftauen der Harnstoff-Wasser-Lösung ist eine weit niedrigere Temperatur erforderlich als die Schalttemperatur des PTC-Heizelements. Es ist daher wünschenswert, ohne einen zusätzlichen Temperaturfühler eine Regelung und Begrenzung der Temperatur des Heizelements und der Harnstoff-Wasser-Lösung zu verwirklichen.
  • Die Schrift DE 10 2013 108 501 A1 beschreibt Verfahren zur Herstellung eines Fördermoduls mit einer elektrischen PTC-Heizung, zum Einbau in einen Tank und zur Speicherung eines flüssigen Additivs, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
    1. a) Festlegen einer maximalen elektrischen Leistung, die dem Fördermodul zur Verfügung gestellt wird,
    2. b) Feststellen einer Wärmeleitfähigkeit des Fördermoduls von einem Ort der elektrischen PTC-Heizung in den Tank,
    3. c) Berechnen einer Schalttemperatur der PTC-Heizung aus der maximalen elektrischen Leistung und der Wärmeleitfähigkeit, und
    4. d) Montage eines PTC-Materials mit einer entsprechenden Schalttemperatur für die PTC-Heizung an dem Ort.
  • In der DE 10 2013 108 501 A1 wird eine Arbeits-Temperatur eines PTC-Heizelements bestimmt, die bei einer vorgegebenen gewünschten Heizleistung erreicht wird. Als Material für das Heizelement wird ein PTC-Material mit einer Schalt-Temperatur gewählt, die der Arbeitstemperatur entspricht. Hierdurch wird die von der Heizung aufgenommene Leistung auf den gewünschten Wert begrenzt.
  • Die Schrift DE 10 2012 110 985 B4 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Temperaturbereichs eines in einem Tank befindlichen Reduktionsmittels für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor offenbart, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
    1. a.) Erfassen einer Temperatur (TT) des Tanks,
    2. b.) Erfassen einer Umgebungstemperatur (TU) des Kraftfahrzeugs,
    3. c.) Erfassen der Differenz der Temperatur (TD) des Tanks und der Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs,
    4. d.) Festlegen einer Temperatur (TR) des im Tank befindlichen Reduktionsmittels anhand der in den Schritten a) bis c) erfassten Temperaturen und
    5. e.) Speichern der in den Schritten a) bis d) erfassten oder festgelegten Temperaturen und
    6. f.) Wiederholen der Schritte a) bis e) nach einer vordefinierten Zeitspanne.
  • Die Temperatur des Reduktionsmittels wird für dessen optimale Dosierung zur Abgasnachbehandlung bestimmt.
  • Die Schrift DE 10 2010 038 361 A1 offenbart ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines Mediums, wobei das Medium in Kontakt mit wenigstens einer Heizeinrichtung (18) steht und die Heizeinrichtung (18) wenigstens ein PTC-Element aufweist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
    • - Erfassen von wenigstens einer Größe, die den Strom und/oder die Spannung und/oder den Widerstand am PTC-Element während des Betriebs der Heizeinrichtung (18) charakterisiert,
    • - Bilden wenigstens eines Leitwerts aus den erfassten Werten,
    • - Bilden wenigstens eines Prädiktors (100; 200) aus dem von der Zeit abhängigen Leitwert und
    • - Auswerten des wenigstens einen Prädiktors (100; 200) zum Rückschluss auf die Temperatur des Mediums.
  • In der Schrift wird erwähnt, dass aus dem Leitwert der Heizeinrichtung auf die Temperatur des sie umgebenden Mediums geschlossen werden kann. Daher kann auch aus dem Widerstand des Heizelements auf dessen Temperatur, die weitgehend der Temperatur des umgebenden Mediums entspricht, geschlossen werden.
  • Weitere Verfahren zur Temperaturbestimmung sind aus der DE 10 2008 047 954 B3 , der EP 1 321 751 A1 , der DE 10 2006 040 409 A1 und der DE 10 2008 044 271 A1 bekannt.
  • Heizelemente mit PTC-Charakteristik unterliegen jedoch Fertigungstoleranzen, wodurch auch der Zusammenhang von deren Widerstand und deren Temperatur Toleranzen unterliegt.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genaueren Regelung und Begrenzung der Temperatur eines Heizelements in einer Heizeinrichtung für eine Flüssigkeit zur Entstickung von Abgas einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Korrekturfaktor aus dem Quotienten eines minimalen Widerstands des Heizelements und eines minimalen Widerstands eines Referenz-Heizelements gebildet wird, dass ein bei einer aktuellen Temperatur des Heizelements bestimmter Widerstand mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird und dass aus dem korrigierten Widerstandswert und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Referenz-Heizelements die aktuelle Temperatur des Heizelements bestimmt wird. Durch die Korrektur des Einflusses von Fertigungsstreuungen auf den Widerstand des Heizelements kann die Temperatur des Heizelements genauer bestimmt werden. Eine Regelung und Begrenzung der Temperatur kann somit verbessert werden. Die Begrenzung und Regelung der Temperatur ist nicht nur auf die Schalttemperatur des PTC-Heizelements, sondern auch auf eine andere niedrigere Temperatur möglich.
  • Wird bei der Bestimmung des Widerstands des Heizelements ein Kabelwiderstand der Zuleitungskabel abgezogen, kann der Widerstand des Heizelements und damit die aktuelle Temperatur des Heizelements genauer bestimmt werden. Die PTC-Heizelemente sind vergleichsweise niederohmig, so dass der Kabelwiderstand der Zuleitungskabel den wahren Wert des Widerstands des Heizers verfälschen kann.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in dem Steuergerät ein Schaltkreis oder ein Programmablauf zur Bestimmung eines Korrekturfaktors aus dem Quotienten eines minimalen Widerstands des Heizelements und eines minimalen Widerstands des Referenz-Heizelements, zur Multiplikation eines bei einer aktuellen Temperatur des Heizelements bestimmten Widerstand mit dem Korrekturfaktor und zur Bestimmung der aktuellen Temperatur aus dem korrigierten Widerstandswert und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Referenz-Heizelements vorhanden ist. Ist die Steuerung so eingestellt, dass die Temperatur des Heizelements auf einen niedrigeren Wert als dessen Schalttemperatur geregelt und/oder begrenzt wird, kann dessen Lebensdauer verbessert werden. Auch in einem Fall, dass das Heizelement nicht mit der Harnstoff-Wasser-Lösung bedeckt ist, kann ein Temperaturanstieg vermieden werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 ein Widerstandsdiagramm für ein PTC-Heizelement
  • 1 zeigt ein Widerstandsdiagramm 10 für ein mit einem Kaltleiter (PTC positive temperature coefficient) beheiztes Heizelement für eine Harnstoff-Wasser-Lösung zur Entstickung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ein solches Heizelement ist erforderlich, da die Harnstoff-Wasser-Lösung bei -11°C gefriert und dann nicht mehr in den Abgaskanal dosiert werden kann. Weiterhin dehnt sich gefrierende Harnstoff-Wasser-Lösung aus und kann das Dosiersystem beschädigen. In dem Widerstandsdiagramm 10 ist entlang einer Widerstandsachse 11 und einer Temperaturachse 15 eine Widerstandskurve 12 des PTC-Heizelements eingetragen. Der Widerstand ist entlang der Widerstandsachse 11 logarithmisch abgetragen. Bei niedrigen Temperaturen ist der Widerstand gering und steigt ab einer Schalttemperatur 16 stark an. Die Schalttemperatur 16 ist abhängig vom Material des PTC. Durch den Anstieg des Widerstands ab der Schalttemperatur 16 nimmt bei konstanter Betriebsspannung des Heizelements die Heizleistung ab, so dass sich eine Temperatur im Bereich der Schalttemperatur 16 einstellt. Bedingt durch Fertigungstoleranzen liegt die Widerstandskurve eines realen Heizelements aus einer Serienproduktion im Bereich zwischen einem unteren Toleranzband 13 und einem oberen Toleranzband 14. Die Widerstandskurve 12 stellt daher die Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines Referenz-Heizelements dar. Ebenso ist auch die Temperatur, die sich im Gleichgewicht des Systems einstellt, bei Betrachtung einer Serienproduktion von Toleranzen behaftet und liegt in einem Toleranzbereich um die Schalttemperatur 16.
  • Im Betrieb der Heizung für ein Entstickungssystem reicht eine weit niedrigere Temperatur als die Schalttemperatur 16 aus. Daher wird der Widerstand des Heizelements bestimmt und aus diesem eine Temperatur des Heizelements. Während des Auftauens und Beheizens der Harnstoff-Wasser-Lösung kann dann eine maximale mögliche Heizleistung abgegeben werden, die einen sicheren Betrieb darstellt, solange die Temperatur des Heizelements eine maximal zulässige Temperatur nicht überschreitet. Bedingt durch die Fertigungstoleranzen ist die Temperaturbestimmung mit Toleranzen versehen. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, für das im System eingebaute individuelle Heizelement den minimalen Widerstandswert Rmin,HE zu bestimmen und in Relation zu dem minimalen Widerstandswert Rmin,Ku für ein Referenz-Heizelement aus der Widerstandskurve 12 zu setzen. Der so gebildete Korrekturfaktor K = R min ,HE / R min ,Ref
    Figure DE102017201867B4_0001
    wird zur Korrektur der an dem individuellen Heizelement ermittelten Widerstandswerte verwendet. Hierdurch verbessert sich die Bestimmung der aktuellen Temperatur des Heizelements und damit auch die Temperaturregelung und -begrenzung.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer aktuellen Temperatur eines Heizelements mit Kaltleiter-Eigenschaft (PTC) mit welchem eine Harnstoff-Wasser-Lösung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden beheizt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor aus dem Quotienten des minimalen Widerstands des Heizelements und des minimalen Widerstands eines Referenz-Heizelements gebildet wird, dass ein bei einer aktuellen Temperatur des Heizelements bestimmter Widerstand mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird und dass aus dem korrigierten Widerstandswert und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Referenz-Heizelements die aktuelle Temperatur des Heizelements bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Widerstands des Heizelements ein Kabelwiderstand der Zuleitungskabel abgezogen wird.
  3. Vorrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Temperatur eines Heizelements mit Kaltleiter-Eigenschaft (PTC), welches eine die Harnstoff-Wasser-Lösung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine von Stickoxiden beheizt, wobei in einem Steuergerät für das Heizelement die Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines Referenz-Heizelements gespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät ein Schaltkreis oder ein Programmablauf zur Bestimmung eines Korrekturfaktors aus dem Quotienten des minimalen Widerstands des Heizelements und des minimalen Widerstands des Referenz-Heizelements, zur Multiplikation eines bei einer aktuellen Temperatur des Heizelements bestimmten Widerstand mit dem Korrekturfaktor und zur Bestimmung der aktuellen Temperatur aus dem korrigierten Widerstandswert und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Referenz-Heizelements vorhanden ist.
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