DE102019118528B4 - Temperierungssystem für ein Reduktionsmittel zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie Verfahren zur Temperierung eines solchen Reduktionsmittels - Google Patents

Abstract

Temperierungssystem (80) zur Temperierung eines Reduktionsmittels (76) zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), mit einem Reduktionsmittelvorratsbehälter (74), in welchem das Reduktionsmittel (76) bevorratet ist, mit einem Kühlmittelkreislauf (62) zum Temperieren des Reduktionsmittels (76), mit einer Kühlmittelpumpe (66) zur Förderung eines Kühlmittels (82) in dem Kühlmittelkreislauf (62) sowie mit einem Steuergerät (60) zur Steuerung der Eindosierung des Reduktionsmittels (76) und/oder zur Steuerung eines elektrischen Heizelements (40) in einer Abgasanlage (22) eines Verbrennungsmotors (10) und/oder zur Steuerung eines weiteren Bauteils im Fahrzeug, wobei in dem Kühlmittelkreislauf (62) ein Wärmetauscher (68) angeordnet ist, wobei das Reduktionsmittel (76) in einem ersten Betriebszustand des Temperierungssystems (80) durch das Kühlmittel (82) erwärmt wird, und wobei das Reduktionsmittel (76) in einem zweiten Betriebszustand des Temperierungssystems (80) durch das Kühlmittel (82) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (60) von dem Kühlmittel (82) umströmt wird, wobei die Abwärme des Steuergeräts (60) auf das Kühlmittel (82) übertragen wird, um das Reduktionsmittel (76) aufzuheizen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Temperierungssystem für ein Reduktionsmittel zur Abgasnachbehandlung, insbesondere zur Temperierung von wässriger Harnstofflösung, sowie ein Verfahren zur Temperierung dieses Reduktionsmittels gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Die Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Temperierungssystem für ein Reduktionsmittel.
• Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder ein NO_x-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Um die hohen Anforderungen an minimale Stickoxidemissionen zu erfüllen, sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche zwei in Reihe geschaltete SCR-Katalysatoren aufweisen, wobei jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels vorgeschaltet ist. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
• Wässrige Harnstofflösung friert bei Temperaturen unter -11 °C ein. Zur Vermeidung eines Einfrierens der wässrigen Harnstofflösung sind Heizsysteme bekannt, mit welchen der Vorratsbehälter für die wässrige Harnstofflösung zumindest abschnittsweise beheizt wird, um die wässrige Harnstofflösung aufzutauen. Bei einem Einfrieren der Harnstofflösung können, aufgrund des Ausdehnungsverhaltens der Harnstofflösung, das dem von Wasser ähnelt, hohe Drücke auftreten, sodass die mit der Harnstofflösung befüllten Bauteile eventuell beschädigt werden können. Ferner können Eisblöcke durch die Bewegung des Kraftfahrzeuges im Vorratsbehälter gegen Sensoren und/oder Heizelemente schlagen, wodurch diese beschädigt werden können. Bei Temperaturen oberhalb von 35 °C kommt es zu einer vorzeitigen Alterung der wässrigen Harnstofflösung, wodurch die Wirksamkeit reduziert ist.
• Aus der DE 10 2007 035 983 A1 ist ein Harnstoffdosierungssystem zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors bekannt. Zur Charakterisierung der Temperatur der Reduktionsmittelflüssigkeit wird ein Temperaturparameter sowie ein Stillstand des Verbrennungsmotors erfasst. Nach einer Unterschreitung eines ersten Schwellwerts durch den Temperaturparameter wird, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Anzahl weiterer Steuerparameter, in der Zuleitung Druck abgebaut, um ein Einfrieren von Harnstofflösung in der Zuleitung zu vermeiden.
• Die EP 2 273 082 A1 offenbart ein Heizsystem für einen Harnstofftank in einem Kraftfahrzeug. Bei dem hier beschriebenen Heizsystem wird die Harnstofflösung in dem Harnstofftank entweder direkt oder nach Art eines Wärmetauschers indirekt durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors beheizt. Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass diese keine Möglichkeit bieten, die Harnstofflösung zu kühlen und somit einer vorzeitigen Alterung der Harnstofflösung entgegenzuwirken.
• Aus der DE 10 2009 009 538 A1 ist ein System zum Temperieren eines flüssigen Additivs, insbesondere wässriger Harnstofflösung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in der Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, bekannt. Das System weist Mittel zum Wärmeaustausch zwischen dem Additiv und einem Kältemittelkreislauf einer Kältemittelanlage des Kraftfahrzeugs auf, wobei ein direkter oder indirekter Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Additiv erfolgen kann.
• Die DE 20 2014 103 956 U1 offenbart ein System zur Reinigung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor. Das System umfasst einen Tank zur Lagerung einer Ammoniak-Präkursorlösung, ein Zustellmodul, welches mindestens eine elektrische Komponente umfasst und ein Steuergerät zur Steuerung der besagten elektrischen Komponente. Dabei ist das Steuergerät im Wärmeaustausch mit mindestens einer Komponente des Zustellmoduls und/oder mit mindestens einer Hydraulikleitung des Systems zur Reinigung von Abgasen.
• GB 2 471 506 A beschreibt ein Temperierungssystem zum Heizen und/oder Kühlen eines Betriebsfluids eines Kraftfahrzeugs. Das Temperierungssystem umfasst mindestens einen Heiz- oder Kühlkreislauf, in welchem ein Kompressor, ein Kondensator, ein Expansionsventil und ein Verdampfer angeordnet sind. Dabei wird die Wärme des Heiz- oder Kühlkreislaufs mittels eines Wärmetauschers auf das Betriebsfluid des Kraftfahrzeugs, insbesondere auf wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, übertragen.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Temperierungssystem für ein Reduktionsmittel vorzuschlagen, welches sowohl ein schnelles Auftauen des Reduktionsmittels als auch eine Kühlung des Reduktionsmittels ermöglicht.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Temperierungssystem zur Temperierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gelöst. Das Temperierungssystem umfasst einen Reduktionsmittelvorratsbehälter, in welchem das Reduktionsmittel bevorratet ist. Das Temperierungssystem umfasst ferner einen Kühlmittelkreislauf zum Temperieren des Reduktionsmittels mit einer Kühlmittelpumpe zur Förderung eines Kühlmittels sowie mit einem Steuergerät zur Steuerung der Eindosierung des Reduktionsmittels und/oder zur Steuerung eines elektrischen Heizelements in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors und/oder zur Steuerung eines weiteren Bauteils des Kraftfahrzeuges. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Kühlmittelkreislauf ein Wärmetauscher angeordnet ist, wobei das Reduktionsmittel in einem ersten Betriebszustand des Temperierungssystems durch das Kühlmittel erwärmt wird, und wobei das Reduktionsmittel in einem zweiten Betriebszustand des Temperierungssystems durch das Kühlmittel gekühlt wird. Durch ein erfindungsgemäßes Temperierungssystem kann sowohl sichergestellt werden, dass das Reduktionsmittel zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aufgetaut wird, um eine störungsfreie Eindosierung des Reduktionsmittels zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors zu gewährleisten. Ferner kann eine vorzeitige Alterung des Reduktionsmittels verhindert werden, wodurch die dauerhafte Wirksamkeit des Abgasnachbehandlungssystems sichergestellt werden kann.
• Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht-triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Temperierungssystems möglich.
• In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Kühlmittelkreislauf ein Wärmetauscher angeordnet ist, über welchen das Kühlmittel vor Eintritt in den Reduktionsmittelvorratsbehälter kühlbar ist. Durch einen Wärmetauscher kann das Reduktionsmittel auf einfache Art und Weise abgekühlt werden, um einer vorzeitigen Alterung des Reduktionsmittels entgegenzuwirken.
• Bevorzugt ist dabei, wenn der Wärmetauscher von einem Kältekreislauf eines Klimakompressors durchströmbar ist, um die Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in den Reduktionsmittelvorratsbehälter zu reduzieren. Das Kältemittel des Klimakompressors weist im entspannten Zustand eine niedrige Temperatur auf, welche dazu geeignet ist, das Reduktionsmittel auf eine gewünschte Temperatur von maximal 30 °C abzukühlen beziehungsweise dauerhaft unterhalb dieser Temperatur zu halten.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Steuergerät von dem Kühlmittel umströmt wird, wobei die Abwärme des Steuergeräts auf das Kühlmittel übertragen wird, um das Reduktionsmittel aufzuheizen. Dadurch kann ein kleines und kompaktes Steuergerät verwendet werden, da durch einen Kühlkreislauf deutlich mehr Wärme abgeführt werden kann als bei luftgekühlten Steuergeräten. Zudem kann diese Abwärme sinnvoll genutzt werden.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Temperierung eines Reduktionsmittels zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Temperierungssystem vorgeschlagen. Dabei ist vorgesehen, dass das Reduktionsmittel durch das Temperierungssystem erwärmt wird, wenn die Temperatur des Reduktionsmittels unterhalb einer ersten Schwellentemperatur liegt und durch das Temperierungssystem gekühlt wird, wenn die Temperatur oberhalb einer zweiten Schwellentemperatur liegt. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann sichergestellt werden, dass das Reduktionsmittel zum Zeitpunkt der Dosierfreigabe in flüssiger Form vorliegt und störungsfrei in die Abgasanlage eindosiert werden kann. Dabei kann die Abwärme des Steuergerätes eines elektrisch beheizbaren Katalysators zielführend genutzt werden, um das Aufheizen des Reduktionsmittels in dem Vorratsbehälter und der Reduktionsmittelleitung zu realisieren.
• Ferner kann eine vorzeitige Alterung des Reduktionsmittels durch zu hohe Temperaturen vermieden werden.
• In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb des Reduktionsmittels durch eine Umkehr der Förderrichtung des Kühlmittels durch die Kühlmittelpumpe erfolgt. Durch eine Umkehr der Förderrichtung des Kühlmittels im Kühlkreislauf kann auf besonders einfache und kostengünstige Art und ohne zusätzliche Bauteile zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb für das Reduktionsmittel umgeschaltet werden.
• In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher von einem Kältemittel eines Klimakompressors durchströmt wird. Das Kältemittel weist im entspannten Zustand eine hinreichend niedrige Temperatur auf, um das Kältemittel auch bei hohen Umgebungstemperaturen auf eine Temperatur von weniger als 30 °C, vorzugsweise von weniger als 25 °C, besonders bevorzugt von weniger als 20 °C abzukühlen. Somit kann das Reduktionsmittel durch ein hinreichend kaltes Kühlmittel effizient gekühlt werden.
• Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in einem Kühlbetrieb zunächst das Steuergerät umströmt wird, anschließend das Kühlmittel durch den Wärmetauscher abgekühlt wird und der Reduktionsmittelvorratsbehälter mit dem abgekühlten Kühlmittel umströmt wird, um das Reduktionsmittel mit dem abgekühlten Kühlmittel abzukühlen. Gleichzeitig kann durch das zurückgeführte Kühlmittel eine nennenswerte Abkühlung des Steuergerätes, vorzugsweise des e-Kat-Steuergerätes, erzielt werden, sodass ein Überhitzen des Steuergerätes vermieden wird.
• Darüber hinaus ist mit Vorteil vorgesehen, dass in einem Heizbetrieb das Steuergerät von dem Kühlmittel umströmt wird, wobei das Steuergerät seine Abwärme auf das Kühlmittel überträgt und unmittelbar anschließend der Reduktionsmittelvorratsbehälter von dem Kühlmittel umströmt wird, um das Reduktionsmittel in dem Reduktionsmittelvorratsbehälter mit dem erwärmten Kühlmittel aufzuheizen. Somit kann sichergestellt werden, dass das Kühlmittel mit der maximalen Temperatur zur Erwärmung des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelleitung, der Reduktionsmittelpumpe und dem Reduktionsmittelvorratsbehälter zur Verfügung steht. Hierbei ist der Wärmetauscher ohne Funktion und kann gegebenenfalls über einen Bypass umgangen werden, da das kalte Reduktionsmittel eine ausreichende Kühlwirkung auf das Kühlmittel hat.
• Erfindungsgemäß wird ferner ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, wobei das Abgasnachbehandlungssystem eine Abgasanlage umfasst, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage ein Oxidationskatalysator oder ein NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist. Stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NO_x-Speicherkatalysators ist mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Ferner umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ein Dosierelement zur Eindosierung des Reduktionsmittels in die Abgasanlage stromabwärts des Oxidationskatalysators oder stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Dabei ist das Reduktionsmittel durch ein erfindungsgemäßes Temperierungssystem temperierbar. Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem kann ein Anstieg des Reduktionsmittelverbrauchs und/oder ein Abstieg der Emissionen aufgrund eines Absinkens des Wirkungsgrads bei der selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden verhindert werden.
• Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• 1 ein erfindungsgemäßes Temperierungssystem zur Temperierung eines Reduktionsmittels für ein Kraftfahrzeug;
• 2 ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem solchen Temperierungssystem zur Temperierung von wässriger Harnstofflösung; und
• 3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperierung eines Reduktionsmittels für ein Kraftfahrzeug.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Temperierungssystem 80 für ein Reduktionsmittel 76 zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Das Temperierungssystem 80 umfasst einen Reduktionsmittelvorratsbehälter 74, in welchem das Reduktionsmittel 76 bevorratet werden kann. Der Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 ist über eine Reduktionsmittelleitung 50 mit einem Dosierelement 42, 44 verbunden, mit welchem das Reduktionsmittel 76 in einen Abgaskanal 24 eingespritzt werden kann. An oder in dem Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 ist ein Fördermodul 72 angeordnet, um das Reduktionsmittel 76 von dem Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 zu dem Dosierelement 42, 44 zu fördern. Das Temperierungssystem 80 umfasst ferner ein Steuergerät 60, über welches ein elektrisches Heizelement 40 zum elektrischen Beheizen des Abgasstroms eines Verbrennungsmotors 10 oder einer Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30, 32, 34, 36, 38 und/oder ein Dosierelement 42, 44 ansteuerbar ist. Ferner umfasst das Temperierungssystem 80 einen Kühlmittelkreislauf 62 mit einer Kühlmittelleitung 64, welche das Steuergerät 60 und den Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 zumindest abschnittsweise umschließt. Ferner kann der Kühlmittelkreislauf 62 zumindest einen Teil der Reduktionsmittelleitung 50 umschließen oder umhüllen, um auch das Reduktionsmittel 76 in der Reduktionmittelleitung temperieren zu können. Der Kühlmittelkreislauf 62 weist eine Kühlmittelpumpe 66 auf, mit welchem das Kühlmittel 82 gefördert werden kann. Der Kühlmittelkreislauf 62 weist ferner einen Wärmetauscher 68 auf, mit welchem das Kühlmittel 82 zumindest in einem Betriebszustand vor dem Umströmen oder Durchströmen des Reduktionsmittelvorratsbehälters 74 abgekühlt werden kann. Dazu wird der Wärmetauscher 68 sowohl von dem Kühlmittel 82 als auch von dem Kältemittel eines Klimakompressors 70 durchströmt, wobei die Temperatur des Kühlmittels 82 durch das Kältemittel gesenkt werden kann.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10, dessen Auslass 16 mit einer Abgasanlage 22 eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf, in welchen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Dazu ist an den Brennräumen 12 jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 vorgesehen, um einen Kraftstoff in die Brennräume 12 einzuspritzen. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels eines Abgasturboladers 18 aufgeladener Verbrennungsmotor 10 ausgeführt, wobei eine Turbine 26 des Abgasturboladers 18 stromabwärts des Auslasses 16 und stromaufwärts der ersten emissionsmindernden Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 38, angeordnet ist. Die Abgasanlage 22 umfasst einen Abgaskanal 24, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 24 stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 ein Oxidationskatalysator 28 oder ein NO_x-Speicherkatalysator 30, stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 oder des NO_x-Speicherkatalysators 30 ein Partikelfilter 32 mit einer Beschichtung 34 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und weiter stromabwärts ein weiterer SCR-Katalysator 36 angeordnet sind. Stromabwärts des weiteren SCR-Katalysators 36 ist ein Ammoniak-Sperrkatalysator 38 angeordnet, um eine unkontrollierte Ammoniakemission durch eine Überdosierung des Reduktionsmittels zu vermeiden.
• Stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 28 oder des NO_x-Speicherkatalysators 30 ist in dem Abgaskanal 24 ein elektrisches Heizelement 40 angeordnet, um einen Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in den Oxidationskatalysator 28 oder in den NO_x-Speicherkatalysator 30 zu erwärmen. Alternativ oder zusätzlich kann ein elektrisches Heizelement 40 auch stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 oder des NO_x-Speicherkatalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 32 und/oder stromabwärts des Partikelfilters 32 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 36 angeordnet sein. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 oder des NO_x-Speicherkatalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 32 mit der Beschichtung 34 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein erstes Dosierelement 42 angeordnet, mit welchem das Reduktionsmittel 76 in den Abgaskanal 24 eingespritzt werden kann. Stromabwärts des Partikelfilters 32 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 36 ist eine Verzweigung 54 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 56 einer Niederdruck-Abgasrückführung 52 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt. In der Abgasrückführungsleitung 56 ist ein Abgasrückführungsventil 58 angeordnet, über welches die zurückgeführte Abgasmenge gesteuert werden kann. Stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des SCR-Katalysator 36 ist ein zweites Dosierelement 44 vorgesehen, mit welchem alternativ zum ersten Dosierelement 42 oder zusätzlich zum ersten Dosierelement 42 das Reduktionsmittel 76 in den Abgaskanal 24 eingespritzt werden kann. Stromabwärts des jeweiligen Dosierelements 42, 44 und stromaufwärts des Partikelfilters 32 oder des SCR-Katalysators 36 kann jeweils ein Mischelement 46, 48 angeordnet sein, um die Vermischung und Verdampfung des eingespritzten Reduktionsmittels 46 mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 zu verbessern.
• Die Dosierelemente 42, 44 sind jeweils über eine Reduktionsmittelleitung 50 mit dem Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 verbunden, in welchem das Reduktionsmittel 76, insbesondere wässrige Harnstofflösung, bevorratet ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 20 umfasst ferner ein Steuergerät 60, über welches das elektrische Heizelement 40 und/oder die Eindosierung des Reduktionsmittels 76 in die Abgasanlage 22 gesteuert wird.
• Die Dosierelemente 42, 44 werden über ein Fördermodul 72 aus einem Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 mit dem Reduktionsmittel 76 versorgt, wobei das im Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 bevorratete Reduktionsmittel 76 mit dem in 1 beschriebenen Temperierungssystem 80 gekühlt oder beheizt werden kann.
• Der Betrieb des Steuergerätes 60 verursacht Verluste, die zu einer Erwärmung des Steuergerätes 60 führen. Bei kalten Umgebungstemperaturen kann das Reduktionsmittel 76, insbesondere wässrige Harnstofflösung 76, einfrieren. So gefriert wässrige Harnstofflösung 76 bei einer Temperatur von <-11 °C in dem Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 sowie in den Reduktionsmittelleitungen 50. Es sind zusätzliche Heizmaßnahmen erforderlich, um ein Auftauen vor der Dosierfreigabe zu erreichen. Gleichzeitig reduziert eine Temperatur oberhalb von 30 °C die Haltbarkeit der wässrigen Harnstofflösung 76 deutlich. Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 ist es zur Erreichung minimaler Emissionen zielführend, einen elektrisch beheizten Katalysator mit einem elektrischen Heizelement 40 einzusetzen, um die Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 38 schnellstmöglich aufzuheizen.
• Die Idee ist die Konditionierung des SCR-Systems, insbesondere der Reduktionsmittelleitung 50, des Fördermoduls 72 und/oder der Reduktionsmittelpumpe 78 sowie der im Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 bevorrateten wässrigen Harnstofflösung. Die Konditionierung ist in Heizen und Kühlen zu unterteilen.
• Um das Heizen möglichst energieoptimal zu gestalten, wird erfindungsgemäß die Wärme aus dem Steuergerät 60 an das SCR-System übertragen. Der synergetische Effekt dabei sind die aufeinander aufbauenden Funktionen: das elektrische Heizelement 40 heizt die Dosier- und Mischstrecke, sowie den Partikelfilter 32 und/oder den SCR-Katalysator 26 in der Abgasanlage 22 auf und führt auf diese Weise die Freigabebedingung für die Dosierung der wässrigen Harnstofflösung herbei. Das elektrische Heizelement 40 ist vorzugsweise mindestens so lange aktiv, bis die Dosierfreigabe für die wässrige Harnstofflösung 76 erreicht ist, besonders bevorzugt, bis der Wirkungsgrad des SCR-Systems > 90 % ist. Zum erneuten Abkühlen des Kühlmittels 82 wird das Kühlmittel 82 erfindungsgemäß über einen Wärmetauscher 68 im Kühlmittelkreislauf 62 geleitet, der mit einem Klimakompressor 70 in Wirkverbindung steht. Alternativ zu diesem Wärmetauscher 68 ist auch ein Luft-Wasser-Wärmetauscher denkbar, der das Kühlmittel 82 durch die Umgebungsluft abkühlt. Ein weiterer synergetischer Effekt ist dabei, dass das Steuergerät 60 möglichst klein dimensioniert werden kann, da es ausreichend gekühlt wird.
• Ein Kühlen ist bei einer hohen Umgebungstemperatur erforderlich. Diese kann sowohl durch eine hohe Außentemperatur, als auch von warmen/heißen Komponenten in unmittelbarer Umgebung des Reduktionsmittelvorratsbehälters 74 und der Reduktionsmittelleitung 50 hervorgerufen werden. In diesem Fall wird der Kühlkreislauf 62 in der entgegengesetzten Richtung durchströmt, sodass der Wärmetauscher 68 das Kühlmittel 82 auf eine für das SCR-System gewünschte Temperatur herunterkühlt. Ist nicht die Außentemperatur der Grund für das Erwärmen des SCR-Systems, kann analog zum Heizen auch ein Luft-Wasser-Wärmetauscher eingesetzt werden, der das Kühlmittel 82 durch die Umgebungsluft abkühlt. Im Falle eines elektrischen Beheizens der Abgasanlage 22 durch das elektrische Heizelement 40 in dieser Phase ist die Temperatur des Rücklaufs ausreichend für die Kühlung des Steuergerätes 60.
• Eine weitere Idee in diesem Zusammenhang ist das Leeren der Reduktionsmittelleitung 50 nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors 10. Dabei wird das Dosierventil 42, 44 geöffnet und die Reduktionsmittelpumpe 78 fördert die wässrige Harnstofflösung zurück in den Reduktionsmittelvorratsbehälter 74. Nachdem die Reduktionsmittelleitung 50 vollständig entleert ist, wird das Dosierventil 42, 44 geschlossen.
• Für ein schnelles Aufheizen der Komponenten 28, 30, 32, 34, 36, 38 ist ein elektrisches Heizelement 40 mit einer Leistung von vorzugsweise mehr als 3,5 kW erforderlich. Dabei erwärmt sich das Steuergerät 60 aufgrund von Verlustleistung, welche abgeführt werden muss. Diese Wärme wird genutzt, um die wässrige Harnstofflösung 76 in der Reduktionsmittelleitung 50, der Reduktionsmittelpumpe 78 und dem Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 aufzutauen. Bis zum Erreichen der Dosierfreigabe aufgrund der Temperatur des Partikelfilters 32 mit der Beschichtung 34 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und/oder des SCR-Katalysators 36 und der Dosier- und Misch-Strecke ist eine ausreichende Menge an wässriger Harnstofflösung 76 aufgetaut und somit dosierbereit.
• Anschließend wird das Kühlmittel 82 in dem Wärmetauscher 68 mittels des Kältemittels aus dem Klimakompressor 70 heruntergekühlt, um die Wärme vom Steuergerät 60 kontinuierlich auf die wässrige Harnstofflösung 76 zu übertragen. Der Volumenstrom des Kühlmittels 82 ist so einzustellen, dass am Austritt des Kühlmittelkreislaufs 62 aus dem Steuergerät 60 eine Kühlmitteltemperatur von 45 °C, bevorzugt von 40 °C, besonders bevorzugt von 35 °C nicht überschritten wird.
• Das Temperierungssystem 80 bietet zudem die Möglichkeit, das Reduktionsmittel 76 zu kühlen, um eine gute Haltbarkeit des Reduktionsmittels 76 zu gewährleisten und eine vorzeitige Alterung zu vermeiden. Ohne Kühlung besteht bei hoher Umgebungstemperatur die Gefahr des Zersetzens des Reduktionsmittels 76, was die Funktionstüchtigkeit erheblich einschränkt. Eine hohe Umgebungstemperatur kann sowohl von der Außentemperatur, als auch von warmen/heißen Komponenten in unmittelbarer Umgebung des Reduktionsmittelvorratsbehälters 74 und der Reduktionsmittelleitung 50 hervorgerufen werden. Der Volumenstrom des Kühlmittels 82 ist so einzustellen, dass am Austritt des Wärmetauschers 68 eine Kühlmitteltemperatur von 30 °C, bevorzugt von 25 °C, besonders bevorzugt von 20 °C nicht überschritten wird. Ein Umschalten zwischen der Heizfunktion und der Kühlfunktion für das Reduktionsmittel 76 kann dabei auf einfache Art und Weise durch eine Umkehr der Förderrichtung des Kühlmittels 82 im Kühlmittelkreislauf 62 realisiert werden. Dazu ist eine Kühlmittelpumpe 66 erforderlich, welche derart ausgestaltet ist, dass sie eine Umkehr der Förderrichtung ermöglicht.
• In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperierung des Reduktionsmittels 76 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird eine Temperatur T_RM des Reduktionsmittels 76 ermittelt. Die ermittelte Temperatur T_RM des Reduktionsmittels 76 wird in einem Verfahrensschritt <110> mit einer ersten Schwellentemperatur T_low verglichen, unterhalb derer eine Beheizung des Reduktionsmittels 76 erforderlich ist. Liegt die Temperatur T_RM des Reduktionsmittels 76 oberhalb dieser ersten Schwellentemperatur T_low wird die Reduktionsmitteltemperatur T_RM in einem weiteren Verfahrensschritt <120> mit einer zweiten Schwellentemperatur T_high verglichen, ab welcher ein Kühlen des Reduktionsmittels 76 erwünscht ist. Liegt die Reduktionsmitteltemperatur T_RM unterhalb der ersten Schwellentemperatur T_low, so wird in einem Verfahrensschritt <130> das elektrische Heizelement 40 durch das Steuergerät 60 aktiviert und die Abwärme des Steuergeräts 60 auf das Kühlmittel 82 übertragen. Dabei wird das Kühlmittel 82 durch die Kühlmittelpumpe 68 in der Zeichnungsdarstellung entgegen dem Uhrzeigersinn gefördert, wodurch das durch die Abwärme des Steuergeräts erwärmte Kühlmittel unmittelbar das Reduktionsmittel 76 in der Reduktionsmittelleitung 50, der Reduktionsmittelpumpe 78 sowie in dem Reduktionsmittelvorratsbehälter 74 erwärmt. Somit wird das Reduktionsmittel 76 bei kalter Umgebung aufgeheizt, um das Auftauen des Reduktionsmittels 76 sicherzustellen und/oder ein Einfrieren des Reduktionsmittels 76 zu vermeiden.
• Liegt die Temperatur des Reduktionsmittels 76 oberhalb der zweiten Schwellentemperatur T_high, so wird das Reduktionsmittel 76 in einem Verfahrensschritt <330> im Wärmetauscher 68 durch das kalte Kältemittel des Klimakompressors 70 gekühlt. Dazu wird das Kühlmittel 82 in diesem Betriebszustand in der Zeichnungsdarstellung im Uhrzeigersinn gefördert. Liegt die Reduktionsmitteltemperatur T_RM oberhalb der zweiten Schwellentemperatur T_high, ist in der Regel kein elektrisches Beheizen der Abgasanlage 22 notwendig, sodass das Steuergerät 60 keine oder nur minimale Abwärme abgibt. Durch das Abkühlen des Reduktionsmittels 76 kann eine vorzeitige Alterung des Reduktionsmittels 76 verhindert werden.
• Liegt die Reduktionsmitteltemperatur T_RM oberhalb der ersten Schwellentemperatur T_low und unterhalb der zweiten Schwellentemperatur T_high, so wird der Heizbetrieb in einem Verfahrensschritt <230> solange aufrechterhalten, bis die Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 38 ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Liegt die Reduktionsmitteltemperatur T_RM oberhalb der ersten Schwellentemperatur T_low und unterhalb der zweiten Schwellentemperatur T_high, und ist die Abgasanlage 22 hinreichend durchwärmt, so kann die Kühlmittelpumpe 68 in einem Verfahrensschritt <240> abgeschaltet werden, um Energie zu sparen.
• Bezugszeichenliste

10

Verbrennungsmotor

12

Brennraum

14

Kraftstoffinjektor

16

Auslass

18

Abgasturbolader

20

Abgasnachbehandlungssystem

22

Abgasanlage

24

Abgaskanal

26

Turbine

28

Oxidationskatalysator

30

NO_x-Speicherkatalysator

32

Partikelfilter

34

SCR-Beschichtung

36

SCR-Katalysator

38

Sperrkatalysator

40

elektrisches Heizelement

42

erstes Dosierelement

44

zweites Dosierelement

46

erster Abgasmischer

48

zweiter Abgasmischer

50

Reduktionsmittelleitung

52

Niederdruck-Abgasrückführung

54

Verzweigung

56

Abgasrückführungsleitung

58

Abgasrückführungsventil

60

Steuergerät

62

Kühlmittelkreislauf

64

Kühlmittelleitung

66

Kühlmittelpumpe

68

Wärmetauscher

70

Klimakompressor

72

Fördermodul

74

Reduktionsmittelvorratsbehälter

76

Reduktionsmittel / wässrige Harnstofflösung

78

Reduktionsmittelpumpe

80

Temperierungssystem

82

Kühlmittel

Thigh

obere Schwellentemperatur

Tlow

untere Schwellentemperatur

TRM

Reduktionsmitteltemperatur

Claims (9)

1. Temperierungssystem (80) zur Temperierung eines Reduktionsmittels (76) zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), mit einem Reduktionsmittelvorratsbehälter (74), in welchem das Reduktionsmittel (76) bevorratet ist, mit einem Kühlmittelkreislauf (62) zum Temperieren des Reduktionsmittels (76), mit einer Kühlmittelpumpe (66) zur Förderung eines Kühlmittels (82) in dem Kühlmittelkreislauf (62) sowie mit einem Steuergerät (60) zur Steuerung der Eindosierung des Reduktionsmittels (76) und/oder zur Steuerung eines elektrischen Heizelements (40) in einer Abgasanlage (22) eines Verbrennungsmotors (10) und/oder zur Steuerung eines weiteren Bauteils im Fahrzeug, wobei in dem Kühlmittelkreislauf (62) ein Wärmetauscher (68) angeordnet ist, wobei das Reduktionsmittel (76) in einem ersten Betriebszustand des Temperierungssystems (80) durch das Kühlmittel (82) erwärmt wird, und wobei das Reduktionsmittel (76) in einem zweiten Betriebszustand des Temperierungssystems (80) durch das Kühlmittel (82) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (60) von dem Kühlmittel (82) umströmt wird, wobei die Abwärme des Steuergeräts (60) auf das Kühlmittel (82) übertragen wird, um das Reduktionsmittel (76) aufzuheizen.
2. Temperierungssystem (80) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreislauf (62) ein Wärmetauscher (68) angeordnet ist, über welchen das Kühlmittel (82) vor Eintritt in den Reduktionsmittelvorratsbehälter (74) kühlbar ist.
3. Temperierungssystem (80) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (68) von einem Kältekreislauf eines Klimakompressors (70) durchströmbar ist, um die Temperatur des Kühlmittels (82) vor Eintritt in den Reduktionsmittelvorratsbehälter (74) zu reduzieren.
4. Verfahren zur Temperierung eines Reduktionsmittels zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Temperierungssystem (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (76) durch das Temperierungssystem (80) erwärmt wird, wenn die Temperatur T_RM des Reduktionsmittels (76) unterhalb einer ersten Schwellentemperatur T_low liegt und durch das Temperierungssystem (80) gekühlt wird, wenn die Temperatur T_RM oberhalb einer zweiten Schwellentemperatur T_high liegt.
5. Verfahren zur Temperierung eines Reduktionsmittels (76) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb des Reduktionsmittels (76) durch eine Umkehr der Förderrichtung des Kühlmittels (82) durch die Kühlmittelpumpe (66) erfolgt.
6. Verfahren zur Temperierung eines Reduktionsmittels (76) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (68) von einem Kältemittel eines Klimakompressors (70) durchströmt wird.
7. Verfahren zur Temperierung eines Reduktionsmittels (76) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kühlbetrieb zunächst das Steuergerät (60) von dem Kühlmittel (82) umströmt wird, anschließend das Kühlmittel (82) durch den Wärmetauscher (68) abgekühlt wird und der Reduktionsmittelvorratsbehälter (74) von dem Kühlmittel (82) umströmt wird, um das Reduktionsmittel (76) mit dem abgekühlten Kühlmittel (82) abzukühlen.
8. Verfahren zur Temperierung eines Reduktionsmittels (76) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Heizbetrieb das Steuergerät (60) von dem Kühlmittel (82) umströmt wird, wobei das Steuergerät (60) seine Abwärme auf das Kühlmittel (82) überträgt und unmittelbar anschließend der Reduktionsmittelvorratsbehälter (74) von dem erwärmten Kühlmittel (82) umströmt wird, um das Reduktionsmittel (76) mit dem erwärmten Kühlmittel (82) aufzuheizen.
9. Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (20) eine Abgasanlage (22) umfasst, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch die Abgasanlage ein Oxidationskatalysator (28) oder ein NO_x-Speicherkatalysator (30) angeordnet ist, und wobei stromabwärts des Oxidationskatalysators (28) oder des NO_x-Speicherkatalysators (30) mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (32, 34, 36) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, sowie mit einem Dosierelement (42, 44) zur Eindosierung des Reduktionsmittels (76) in die Abgasanlage (22) stromabwärts des Oxidationskatalysators (28) oder des NO_x-Speicherkatalysators (30) und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (32, 34, 36) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, wobei das Reduktionsmittel (76) durch ein Temperierungssystem (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 temperierbar ist.

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