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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung einer Restmenge eines zu dosierenden Reduktionsmittels, welches nach einem Abschalten einer Förderpumpe in einer Dosiereinheit eines SCR-Dosiersystems verbleibt, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium sowie ein elektronisches Steuergerät.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, insbesondere mit Dieselmotoren, benötigen aufgrund der sich stetig verschärfenden Abgasgrenzwerte eine aufwändige Abgasnachbehandlung, um zum Beispiel Stickoxide (NOx) im Abgasstrom zumindest teilweise abzubauen. Eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die sich zur Entstickung von Kraftfahrzeugabgasen besonders eignet, ist ein so genanntes SCR-System („Selective Catalytic Reduction“-System).
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In einem SCR-Katalysator, der in das Abgasrohr des Verbrennungsmotors eingeschliffen ist, wird NOx mit Hilfe von NH3 in N2 und H2O umgewandelt, wobei das NH3 in Form einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue®“) als Reduktionsmittel dem SCR-Katalysator mittels eines Dosiermoduls in exakt der benötigten Menge zugeführt wird. Im Dosiermodul sind im Wesentlichen eine Düse und ein Filter zusammengefasst. In einem Fördermodul sind die wesentlichen, zur Bereitstellung des AdBlue® notwendigen Komponenten, wie zum Beispiel ein Vorratstank, eine elektrische (Membran-) Förderpumpe, ein 4/2-Wegeventil, eine Drossel, Filter, Druckmesssensoren, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie diverse Rohr- und Schlauchleitungen zusammengefasst. Das Fördermodul und das Dosiermodul bilden gegebenenfalls mit weiteren Komponenten das SCR-System. Ein Problem der wässrigen Harnstoff-Wasserlösung (HWL) liegt darin, dass diese bei Temperaturen unterhalb von -12 °C vom flüssigen in den festen Aggregatzustand übergeht, wobei der Feststoff im Vergleich zur flüssigen Phase ein deutlich größeres Volumen hat. Dies kann zu Berstschäden innerhalb des SCR-Systems und damit zumindest zu einer temporären Funktionsbeeinträchtigung führen. Um solche Berstschäden zu vermeiden, kann das Fördermodul vom normalen Förderbetrieb in einen Rücksaugbetrieb zur Restentleerung des SCR-Systems umgeschaltet werden. Hierdurch wird die Fließrichtung im SCR-System bei gleichbleibender Förderrichtung einer Membranpumpe umgekehrt, so dass das Reduktionsmittel aus dem SCR-System abgesaugt und in den Vorratstank zurückgeführt werden kann. Hierbei verbleiben jedoch Restmengen der HWL im Dosiermodul, die durch Kristallisierung und/oder Verunreinigung zu einem Klemmen oder Verstopfen des Dosiermoduls führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren dient der Minimierung einer Restmenge eines zu dosierenden Reduktionsmittels, welches nach einem Abschalten einer Brennkraftmaschine in einer Dosiereinheit eines SCR-Dosiersystems verbleibt. Die Minimierung der Restmenge eines zu dosierenden Reduktionsmittels, welches nach einem Abschalten einer Brennkraftmaschine in einer Dosiereinheit eines SCR-Dosiersystems verbleibt, wird auch Restentleerung genannt.
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Die Förderpumpe läuft im sogenannten Fahrzeugnachlauf, d.h. nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine eine vorgegebene Zeit weiter.
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Das Verfahren weist als einen ersten Schritt ein erstes Rücksaugen auf, welches einerseits dem Rücksaugen von Reduktionsmittel, d.h. eines Dosiermediums, bei einem Unterdruck und andererseits dem Einbringen von Luft in eine Förderleitung dient. Hierbei erfolgt der erste Schritt des Verfahrens zeitlich nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine. Als einen zweiten Schritt weist das Verfahren ein erstes Fördern des Reduktionsmittels bei einem Überdruck auf. Als einen dritten Schritt weist das Verfahren ein zweites Rücksaugen des Reduktionsmittels bei einem Unterdruck auf.
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Der erste Schritt des Verfahrens hat unter anderem den Vorteil, dass durch das Rücksaugen bei einem Unterdruck eine gewisse Menge an Luft und eine gewisse Menge des Reduktionsmittels in die Leitung des Dosiersystems, d.h. einer Förderleitung, eingebracht wird. Hierbei ist beim Rücksaugen im Normalfall die Leitung schon mit dem Reduktionsmittel befüllt und es findet bei Unterdruck und geöffnetem Ventil bereits eine Entleerung der Leitung sowie des Ventils statt. Nachdem das Ventil, bevorzugt zeitgesteuert, entleert wurde, wird es wieder geschlossen. Die Luftmenge und die Menge des Reduktionsmittels werden im Dosiersystem behalten, indem die Dosiereinheit luftdicht verschlossen wird.
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Im zweiten Schritt des Verfahrens wird die Förderrichtung nach vorne umgeschaltet, was einen erneuten Druckaufbau bewirkt, sodass bei ausreichend hoher Komprimierung der Luft, die am Ausgang der Dosiereinheit, d. h. am Dosierventil, anliegt, das Dosierventil für eine vorgegebene Zeit geöffnet werden kann, wodurch die unter hohem Druck durch die Dosiereinheit entweichende Luft die Dosiereinheit von der verbliebenen Restmenge des Dosiermediums befreit.
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Somit bewirkt der erste Schritt zusammen mit dem zweiten Schritt des Verfahrens die Befreiung der Dosiereinheit von der verbliebenen Restmenge des Dosiermediums.
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Bevorzugt erfolgt im dritten Schritt des Verfahrens die Entleerung der Förderleitung weiter bis zur gewünschten Systementleerung und dem Schließen der Dosiereinrichtung. Das Rücksaugen und die Restentleerung mindestens einer Dosiereinheit sind damit beendet. Eine weitere Entleerung der Systemkomponenten, z.B. des Fördermoduls, kann danach erfolgen.
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Das Verfahren weist folgende Vorteile auf. Das Verfahren kann mit vorhandenen Komponenten eines SCR-Katalysatorsystems realisiert werden. Durch die Entfernung des Reduktionsmittels aus der Dosiereinheit erreicht man einen Schutz vor Kristallisierung und Verstopfung sowie Schutz vor Einfrieren und Eisdruckschäden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Verfahren für Dosiereinheiten von unterschiedlichen Herstellern anwendbar ist. Schließlich besteht ein weiterer Vorteil darin, dass das Verfahren durch Software realisierbar ist.
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Die Effizienz der Restentleerung hängt von mehreren Parametern ab. Die Parameter sind unter anderem eine Temperatur der Dosiereinrichtung, z.B. eine Spulentemperatur, eine Temperatur einer Dosierflüssigkeit, d. h. des Reduktionsmittels, eine Temperatur einer Kühlflüssigkeit, eine Umgebungstemperatur, ein Umgebungsdruck und eine Luftfeuchtigkeit.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren nur dann durchgeführt, wenn eine Temperatur des Reduktionsmittels größer als eine vorgegebene erste Temperatur ist, eine Menge einer Kühlflüssigkeit einer Brennkraftmaschine größer als eine vorgegebene Menge ist, eine Temperatur eines SCR-Katalysators größer als eine vorgegebene zweite Temperatur ist, eine Umgebungstemperatur größer als eine vorgegebene dritte Temperatur ist oder eine Temperatur einer Spule einer Dosiervorrichtung größer als eine vorgegebene vierte Temperatur ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen können weitere Bedingungen verwendet werden. Dies können zum Beispiel ein Umgebungsdruck und eine Luftfeuchtigkeit sein.
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Die erste Temperatur liegt bevorzugt zwischen -11°C und 90°C. Die zweite Temperatur ist bevorzugt größer als 200°C. Die vierte Temperatur liegt bevorzugt über 80°C. Eine Motorkühlwassertemperatur ist bevorzugt größer als 80°C.
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Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird das Verfahren nur dann durchgeführt, wenn eine beliebige Kombination der fünf oben stehend genannten Bedingungen erfüllt ist, wobei hierbei auch Kombination von zwei Bedingungen erfasst sein sollen, und wobei die einzelnen Bedingungen mit „und“ oder „oder“ verknüpft sein können.
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Gemäß einer anderen, bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren nur dann durchgeführt, wenn eine Temperatur des Reduktionsmittels größer als eine vorgegebene erste Temperatur ist, eine Menge einer Kühlflüssigkeit einer Brennkraftmaschine größer als eine vorgegebene Menge ist, eine Temperatur eines SCR-Katalysators größer als eine vorgegebene zweite Temperatur ist, eine Umgebungstemperatur größer als eine vorgegebene dritte Temperatur ist und eine Temperatur einer Spule einer Dosiervorrichtung größer als eine vorgegebene vierte Temperatur ist.
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Durch dieses Merkmal wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Effizienz der Restentleerung bei geeigneter Wahl der Parameter größer als ein vorgegebener Wert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schritt des erstes Rücksaugens zum Rücksaugen von Reduktionsmittel bei einem Unterdruck und zum Einbringen vom Luft in eine Förderleitung auf: ein erstes Schließen der Dosiereinheit, ein erstes inverses Betreiben der Förderpumpe und ein erstes Öffnen der Dosiereinheit. Das inverse Betreiben der Förderpumpe wird auch Rücksaugbetrieb genannt. Hierbei erfolgt das erste Schließen der Dosiereinheit bevorzugt luftdicht. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass durch das inverse Betreiben der Förderpumpe ein Unterdruck in einer Förderleitung aufgebaut werden kann. Nach dem ersten Öffnen der Dosiereinheit wird Luft in die Förderleitung eingebracht, sodass sich in der Förderleitung nunmehr eine gewisse Menge Luft und eine gewisse Menge Reduktionsmittel befinden. Diese Schritte dienen der Vorbereitung des zweiten Schritts des Verfahrens und bewirken, dass in der Förderleitung Reduktionsmittel mit einer gewissen Menge Luft vorhanden ist, welche nachfolgend zur Komprimierung bzw. Druckerhöhung verwendet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schritt des ersten Förderns des Reduktionsmittels bei einem Überdruck auf:
- ein zweites Schließen der Dosiereinheit, ein erstes Betreiben der Förderpumpe,
- ein zweites Öffnen der Dosiereinheit.
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Dieser Schritt umfasst neben dem Fördern des Reduktionsmittels selbstverständlich auch ein Fördern der eingeschlossenen Luft. Um eine Druckerhöhung zu erreichen, ist es notwendig die Dosiereinheit luftdicht zu verschließen. Durch das erste Betreiben der Förderpumpe stehen das Reduktionsmittel und die eingeschlossenen Luft unter einem hohen Druck. Durch das zweite Öffnen der Dosiereinheit wird vorteilhafterweise erreicht, dass die unter hohem Druck durch die Dosiereinheit entweichende Luft die Dosiereinheit von der verbliebenen Restmenge des Dosiermediums befreien kann. Somit erreicht der zweite Schritt des Verfahrens eine Befreiung der Dosiereinheit von dem Reduktionsmittel bzw. dem Dosiermedium.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schritt des zweiten Rücksaugens des Reduktionsmittels bei einem Unterdruck auf:
- ein drittes Schließen der Dosiereinheit und ein zweites inverses Betreiben der Förderpumpe. Dieser dritte Schritt des Verfahrens erreicht nach dem Reinigen der Dosiereinrichtung vorteilhafterweise, dass das Reduktionsmittel aus der Dosiereinheit und bevorzugt auch aus der Förderpumpe unter dem Fördermodul entfernt werden kann.
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Bevorzugt ist das Reduktionsmittel HWL. Dies erreicht vorteilhafterweise, dass der SCR-Katalysator betrieben werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden ein Betreiben der Förderpumpe und ein inverses Betreiben der Förderpumpe mithilfe eines 4/2-Wegeventils ineinander überführt. Hierbei sind die vier Leitungen des 4/2-Wegeventils wie folgt angeschlossen. Auf einer Seite des 4/2-Wegeventils werden eine Leitung zur Förderpumpe und eine Leitung von der Förderpumpe, insgesamt also 2 Leitungen, angeschlossen. Auf einer anderen Seite des 4/2-Wegeventils ist eine Leitung zum Vorratstank und eine Leitung zur Dosiereinheit angeschlossen. In einer Stellung des 4/2-Wegeventils ist die Leitung vom Vorratstank mit der Leitung zur Förderpumpe und die Leitung von der Förderpumpe mit der Leitung zur Dosiereinheit verbunden. In einer zweiten Stellung des 4/2-Wegeventils ist die Leitung vom Vorratstank mit der Leitung von der Förderpumpe und die Leitung zur Förderpumpe mit der Leitung zur Dosiereinheit verbunden.
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Der ersten Stellung des 4/2-Wegeventils wird die das Reduktionsmittel zur Dosiereinheit gefördert und in der zweiten Stellung des 4/2-Wegeventils wird das Reduktionsmittel zurück in den Vorratstank gepumpt.
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Dieses Merkmal erreicht vorteilhafterweise, dass eine Änderung der Förderrichtung der Förderpumpe durch einfaches Umschalten des 4/2-Wegeventils erreicht werden kann.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem elektronischen Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, das Verfahren zur Minimierung einer Restmenge eines zu dosierenden Reduktionsmittels, welches nach einem Abschalten einer Förderpumpe in einer Dosiereinheit eines SCR-Dosiersystems verbleibt, durchzuführen.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt ein hydraulisches Blockschaltbild eines SCR-Systems mit einem Absperrventil, mit welchen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
- 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Die 1 zeigt ein hydraulisches Blockschaltbild eines SCR-Systems 10 zur Abgasnachbehandlung. Dieses umfasst unter anderem ein Fördermodul 12, eine Dosiereinheit 14 sowie einen Katalysator 16 zur Entstickung eines Abgasstroms 18 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Das Fördermodul 12 beinhaltet im Wesentlichen einen Tank 20 mit einem Reduktionsmittel 22, mehrere Filter 24 und Leitungen 26 bzw. Schlauchleitungen, eine Drossel 28 mit einem Rücklauf 30, eine Förderpumpe 32, ein 4/2-Wegeventil 34, einen Drucksensor 36 sowie ein Absperrventil 38 (bidirektionales 2/2-Wegeventil). Wie durch den kleinen schwarzen Doppelpfeil im Symbol des Absperrventils 38 angedeutet, kann das Reduktionsmittel 22 das Absperrventil 38 im Durchlasszustand in beiden Richtungen (bidirektional) durchströmen. Die Dosiereinheit 14 beinhaltet einen weiteren Filter 24 mit einer nachgeschalteten Düse 40. Ferner benötigt das SCR-System 10 eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung. Mittels der Düse 40 wird das Reduktionsmittel 22 fein zerstäubt und in einer dem jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors exakt angepassten Dosierung in den Abgasstrom 18 eingegeben. In der mit durchgezogenen Linien angedeuteten Stellung des 4/2-Wegeventils 34 mit den beiden gekreuzten internen Leitungszweigen befindet sich das SCR-System 10 im so genannten Rücksaugbetrieb bei abgestelltem Verbrennungsmotor. Hierbei wird das Reduktionsmittel 22 ausgehend von der Düse 40 und dem Filter 24, über das geöffnete Absperrventil 38, den linken Leitungszweig des 4/2-Wegeventils 34, die Pumpe 32, den Filter 24, den rechten Leitungszweig des 4/2-Wegeventils 34 und die Filter 24 bis zurück in den Tank 20 gefördert. Der Rücksaugbetrieb dient zur vollständigen Restentleerung des SCR-Systems, um etwaige Berstschäden durch gefrierendes Reduktionsmittels 22 zu verhindern. Wird das 4/2-Wegeventil 34 in die mit gestrichelten Linien angedeutete Position mit zwei parallelen Leitungszweigen verbracht, so befindet sich das SCR-System 10 im normalen Förderbetrieb. Im Förderbetrieb wird das Reduktionsmittel 22 aus dem Tank 20 über die Filter 24, den rechten Leitungsweg des 4/2-Wegeventils 34, die Pumpe 32, einen weiteren Filter 24, den linksseitigen Leitungsweg des 4/2-Wegeventils 34, das offene Absperrventil 38, den Filter 24 bis in die Düse 40 gefördert. Überschüssiges Reduktionsmittel 22 fließt hinter der Pumpe 32 und dem Filter 24 durch den Abzweig zur Drossel 28 und von dort über die Rückleitung 30 in den Tank 20 ab. Beim Umschalten zwischen Rücksaugbetrieb und Förderbetrieb ändert sich lediglich die Fließrichtung des Reduktionsmittels 22, wohingegen die Förderrichtung der (Membran-)Pumpe 32 unverändert beibehalten wird.
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2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 zur Minimierung einer Restmenge des zu dosierenden Reduktionsmittels 22, welches nach einem Abschalten des Verbrennungsmotors in der Dosiereinheit 14 des SCR-Dosiersystems 10 verbleibt.
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Das Verfahren 100 beginnt mit Schritt 102, in dem abgefragt wird, ob ein Triggersignal vorhanden ist. Das Triggersignal kann zum Beispiel ein externes Signal, ein „Motor aus“-Signal oder ein Signal, dass ein Zündstartschalter (Klemme 15) ausgeschaltet ist, sein. Falls kein Triggersignal vorhanden ist, kehrt das Verfahren so lange zu Schritt 102 zurück, bis ein Triggersignal vorhanden ist, wonach das Verfahren mit Schritt 104 fortfährt. Somit dient das Triggersignal dem eigentlichen Start des Verfahrens 100. Ein Haken bedeutet eine Bejahung der Abfrage, ein Kreuz bedeutet eine Verneinung der Abfrage.
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In Schritt 104 wird die Förderpumpe 32 gestoppt und im nachfolgenden Schritt 106 wird die Dosiereinheit 14 geschlossen.
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Im nächsten Schritt 108 wird abgefragt, ob eine Temperatur des Reduktionsmittels 22 größer als eine vorgegebene erste Temperatur ist, eine Menge einer Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine größer als eine vorgegebene Menge ist, eine Temperatur des SCR-Katalysators 16 größer als eine vorgegebene zweite Temperatur ist, eine Umgebungstemperatur größer als eine vorgegebene dritte Temperatur ist und eine Temperatur einer Spule der Dosiereinheit 14 größer als eine vorgegebene vierte Temperatur ist.
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Falls dies nicht der Fall ist, so kehrt das Verfahren zu Schritt 102 zurück. Falls dies der Fall ist, so fährt das Verfahren mit Schritt 110 fort, in welchem die Förderpumpe 32 zum ersten Mal invers betrieben wird, so dass das Reduktionsmittel 22 aus der Dosiereinheit 14 zurückgepumpt wird.
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Im nächsten Schritt 112 wird abgefragt, ob ein vom Drucksensor 36 gemessener Druck kleiner als ein vorgegebener Druck p0, dem sogenannten Unterdruckschwellenwert, ist oder ob die Zeit t des ersten inversen Betreibens der Förderpumpe 32 größer als eine vorgegebene Zeit Rt1 ist. Falls dies nicht der Fall ist, so kehrt das Verfahren zu Schritt 110 zurück. Falls dies der Fall ist, so fährt das Verfahren mit Schritt 114 fort, in dem die Dosiereinheit 14 zum ersten Mal geöffnet wird.
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Nach Schritt 114 folgt der Schritt 116, in dem abgefragt wird, ob der vom Drucksensor 36 gemessene Druck gleich einem vorgegebenen Druck p1 ist oder ob eine vorgegebene Zeit Rt2, welche ab der Öffnung der Dosiereinheit 14 in Schritt 114 gemessen wird, erreicht ist.
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Falls dies nicht der Fall ist, so kehrt das Verfahren zu Schritt 114 zurück. Falls dies der Fall ist, so fährt das Verfahren mit Schritt 118 fort, in dem die Dosiereinheit 14 zum zweiten Mal geschlossen wird. Nach Schritt 118 folgt Schritt 119, in dem die Fördervorrichtung der Förderpumpe 32 umgeschaltet wird, sodass die Förderpumpe 32 zum ersten Mal während des Verfahrens fördert und einen Überdruck im System generiert.
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Nach Schritt 119 folgt Schritt 120, in dem abgefragt wird, ob der Druckaufbau des Schritts 119 länger als eine vorgegebene Zeit Pt erfolgt ist oder ob eine vorgegebene Druckschwelle p2 erreicht wurde.
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Falls dies nicht der Fall ist, so kehrt das Verfahren zu Schritt 118 zurück. Falls dies der Fall ist, so fährt das Verfahren mit Schritt 122 fort, in dem die Dosiereinheit 14 zum zweiten Mal geöffnet wird.
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Nach Schritt 122 folgt Schritt 124, in welchem abgefragt wird, ob die Zeit, für welche die Dosiereinheit in Schritt 122 geöffnet ist, größer als eine vorgegebene Zeit Vt ist.
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Falls dies nicht der Fall ist, so kehrt das Verfahren zu Schritt 122 zurück. Falls dies der Fall ist, so fährt das Verfahren mit Schritt 126 fort, in welchem die Dosiereinheit 14 zum dritten Mal geschlossen wird.
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Nach Schritt 126 fährt das Verfahren mit Schritt 127 fort, in welchem die Förderpumpe 32 zum zweiten Mal invers betrieben wird.
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Im nachfolgenden Schritt 128 wird abgefragt, ob das inverse Betreiben der Förderpumpe 32 von Schritt 127 für eine vorgegebene Zeit t2 erfolgt ist. Falls dies nicht der Fall ist, so kehrt das Verfahren zu Schritt 127 zurück. Falls dies der Fall ist, so fährt das Verfahren mit Schritt 130 fort, in dem Verfahren beendet wird, indem das Gesamtsystem abgeschaltet wird.
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Das inverse Betreiben der Förderpumpe 32 in Schritt 127 geschieht bevorzugt bis zur vollständigen Entleerung des Gesamtsystems, d. h. der Dosiereinheit 14, der Förderleitungen 26 und der Förderpumpe 32.
