DE102020212620A1

DE102020212620A1 - Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE102020212620A1
Application number: DE102020212620.8A
Authority: DE
Inventors: Shigehiro Ohno; Yuki Mano; Keisuke Toda
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2021-04-22
Also published as: JP7403274B2; JP2021063489A

Abstract

Es wird eine Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung zur Verfügung gestellt, die es ermöglicht, zu verhindern, dass beim Füllen eines Reduktionsmittels in Reduktionsmittelzuführleitungen, die jeweils zu einem der stromaufwärts vor den Reduktionskatalysatoren liegenden Einspritzventile führen, in den Reduktionsmittelzuführleitungen Luft bzw. Abgas verbleibt und Reduktionsmittel in die Abgasleitung ausläuft.[Lösungsmittel]Ein Luftauslasssteuerteil (63) einer Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung (30) ist so angelegt, dass es dann, wenn eine erste Bedingung, dass eine Temperatur eines ersten Reduktionskatalysators (17) eine erste Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine erste Luftauslasssteuerung ausführen kann, die eine Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung eines ersten Einspritzventils (31) startet, wobei einer zum ersten Einspritzventil (31) führenden Reduktionsmittelzuführleitung (45) Reduktionsmittel zugeführt und Luft abgelassen wird, dass es dann, wenn eine zweite Bedingung, dass eine Temperatur eines zweiten Reduktionskatalysators (13) eine zweite Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine zweite Luftauslasssteuerung ausführen kann, die eine Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung eines zweiten Einspritzventils (33) startet, wobei einer zum zweiten Einspritzventil (33) führenden Reduktionsmittelzuführleitung (47) Reduktionsmittel zugeführt und Luft abgelassen wird, wobei, nachdem entweder die erste Luftauslasssteuerung oder die zweite Luftauslasssteuerung, die jeweils ausgeführt werden, wenn die erste Bedingung oder die zweite Bedingung erfüllt ist, beendet wurde, die jeweils andere Luftauslasssteuerung ausführbar ist.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung zum Steuern eines Zuführens von Reduktionsmittel in eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine.
[Stand der Technik]
Es kommt vor, dass in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors oder dergleichen, NOx (Stickstoffoxide) enthalten sind. Als Vorrichtungen zum Reinigen von Abgas durch Aufspalten des im Abgas enthaltenen NOx in Stickstoff und Wasser mithilfe einer Reduktionsreaktion werden Harnstoff-SCR (Selective Catalytic Reduction)-Systeme implementiert. In Harnstoff-SCR-Systemen wird eine wässrige Harnstofflösung als Reduktionsmittel verwendet, wobei aus der wässrigen Harnstofflösung entstehendes Ammoniak mit im Abgas vorhandenem NO_x reagiert, wodurch das NOx aufgespaltet wird.
Harnstoff-SCR-Systeme weisen einen in der Abgasleitung angebrachten Reduktionskatalysator und eine Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung zum Zuführen einer wässrigen Harnstofflösung in die Abgasleitung stromaufwärts des Reduktionskatalysators auf. Der Reduktionskatalysator hat die Funktion, Ammoniak zu adsorbieren und eine Reduktionsreaktion von im einströmenden Abgas enthaltenen NOx und Ammoniak zu beschleunigen. Die Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung umfasst eine Pumpe zum Fördern der wässrigen Harnstofflösung, ein Einspritzventil für die durch die Pumpe geförderte wässrige Harnstofflösung und eine Steuervorrichtung zur Antriebsregelung der Pumpe und des Einspritzventils.
Die mögliche Ammoniak-Adsorptionsmenge und die Reduktionsrate des Reduktionskatalysators können sich abhängig von Abgastemperatur, Katalysatortemperatur und Zuführmenge der wässrigen Harnstofflösung ändern. Wenn die Zuführmenge der wässrigen Harnstofflösung nicht ausreicht, kann es dazu kommen, dass nicht gereinigtes NO_x stromabwärts des Reduktionskatalysators ausströmt. Ist andererseits die Zuführmenge der wässrigen Harnstofflösung übermäßig hoch, so wird dem Reduktionskatalysator eine Menge von Ammoniak zugeführt, welche die mögliche Ammoniak-Adsorptionsmenge des Reduktionskatalysators übersteigt, so dass es vorkommen kann, dass überschüssiges Ammoniak stromabwärts des Reduktionskatalysators ausströmt. Deshalb wird die Zuführmenge der wässrigen Harnstofflösung von der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung basierend zumindest auf der NOx-Menge im Abgas der Brennkraftmaschine so gesteuert, dass sie weder zu hoch noch zu niedrig ist.
Der Gefrierpunkt der wässrigen Harnstofflösung liegt beispielsweise für eine wässrige Harnstofflösung mit einer Konzentration von 32,5 % bei etwa -11 °C. Falls die wässrige Harnstofflösung gefriert und ihr Volumen zunimmt, während die Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gestoppt ist, so kann es vorkommen, dass die Pumpe und das Einspritzventil sowie eine Leitung usw., durch welche die wässrige Harnstofflösung fließt, beschädigt werden. Deshalb wird dann, wenn die Brennkraftmaschine abgestellt wird, eine Steuerung ausgeführt, mit welcher noch in der Pumpe, im Einspritzventil usw. verbliebene wässrige Harnstofflösung in einen Speichertank zurückgeführt wird. Andererseits ist es beim Anlassen der Brennkraftmaschine nötig, in einer zum Einspritzventil führenden Reduktionsmittelzuführleitung befindliche Luft abzulassen, damit wässrige Harnstofflösung in die Reduktionsmittelzuführleitung eingefüllt und der Druck der wässrigen Harnstofflösung auf einen Soll-Druck gebracht werden kann. Nun offenbart beispielsweise Patentdokument 1 ein Verfahren, bei welchem wässrige Harnstofflösung eingefüllt wird, während das Einspritzventil geöffnet ist und Luft abgelassen wird.
[Dokument zum Stand der Technik]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] JP 2015-078643 A
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Zu lösende Aufgabe der Erfindung]
Seit einigen Jahren werden Harnstoff-SCR-Systeme erforscht, bei welchen in der Abgasleitung zwei oder mehr Reduktionskatalysatoren vorgesehen sind. Beispielsweise ist ein Harnstoff-SCR-System vorstellbar, das umfasst, einen Partikelfilter, der in unmittelbarer Nähe der Brennkraftmaschine angeordnet ist, nach Anlassen der Brennkraftmaschine zügig erwärmt werden kann und die Funktion eines ersten Reduktionskatalysators übernimmt, und einen zweiten Reduktionskatalysator, der stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators angebracht ist.
Wenn in einem solchen Harnstoff-SCR-System mit zwei oder mehr Reduktionskatalysatoren beim Anlassen der Brennkraftmaschine eine Vielzahl von stromaufwärts jedes der Reduktionskatalysatoren angebrachten Einspritzventilventilen gleichzeitig geöffnet werden und Luft bzw. Abgas abgelassen wird, während einer Reduktionsmittelzuführleitung Reduktionsmittel zugeführt wird, und hierbei versucht wird, alle zu der Vielzahl von Einspritzventilen führenden Reduktionsmittelleitungen gemeinsam mit Reduktionsmittel vollzufüllen, so besteht die Gefahr, dass aus einem der Einspritzventile Reduktionsmittel in die Abgasleitung ausläuft. Das Befüllen von Reduktionsmittelzuführleitungen mehrerer Einspritzventile gleichzeitig zu Ende zu bringen, wird beispielsweise dadurch erschwert, dass Unterschiede in Länge und Kapazität der zu den einzelnen Einspritzventilen führenden Reduktionsmittelzuführleitungen vorliegen, dass es Differenzen in Restmengen zum Zeitpunkt der Reduktionsmittelrückführung gibt, dass die Einspritzöffnungen der Einspritzventile beim Befüllen mit Reduktionsmittel unterschiedlich stark verstopft sind, und dass eine Abweichung vom steuerungsrelevanten Entwurfswert auftritt usw.
Wenn bei niedrigen Temperaturen in der Umgebung der Einspritzventile und in der Abgasleitung Reduktionsmittel aus den Einspritzventilen ausläuft, so besteht die Gefahr, dass aufgrund von Kristallisation der wässrigen Harnstofflösung Rohre korrodieren, Rohre und Einspritzventile verstopfen und im Inneren der Abgasleitung Kristallablagerungen auftreten. Auch außer bei niedrigen Temperaturen in der Umgebung der Einspritzventile und in der Abgasleitung besteht die Gefahr, dass ein Auslaufen eines Reduktionsmittels aus den Einspritzventilen zu Abweichungen bei Berechnungen von Speichermengen der Reduktionskatalysatoren durch Entstehen von nicht einkalkuliertem Ammoniak und zu Ausströmen von Ammoniak führt, das von den Reduktionskatalysatoren nicht mehr gespeichert werden konnte.
Andererseits besteht dann, wenn in einer der jeweils zu einem der Einspritzventile führenden Reduktionsmittelzuführleitungen beim Befüllen mit Reduktionsmittel noch Luft bzw. Abgas verblieben ist, die Gefahr, dass diese verbliebene Luft usw. nach dem Starten der Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung das Einspritzventil erreicht und dadurch der Druck im Inneren der Reduktionsmittelzuführleitung sinkt. Ein Absinken des Drucks in einer Reduktionsmittelzuführleitung kann dazu führen, dass Abweichungen in den Einspritzmengen der wässrigen Harnstofflösung und bei der Berechnung der Ammoniak-Speichermengen der Reduktionskatalysatoren auftreten. Ferner kann ein Absinken des Drucks in einer Reduktionsmittelzuführleitung auch dazu führen, dass fälschlicherweise geurteilt wird, dass wässrige Harnstofflösung aus einer Reduktionsmittelzuführleitung ausläuft.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf diese Problematiken entwickelt und stellt eine Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung zur Verfügung, die es ermöglicht, zu verhindern, dass beim Füllen eines Reduktionsmittels in Reduktionsmittelzuführleitungen, die jeweils zu einem der stromaufwärts vor den Reduktionskatalysatoren liegenden Einspritzventile führen, in den Reduktionsmittelzuführleitungen Luft bzw. Abgas verbleibt und Reduktionsmittel in die Abgasleitung ausläuft.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe]
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung zur Verfügung gestellt, umfassend ein erstes Einspritzventil zum Zuführen eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines ersten Reduktionskatalysators, der in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, ein zweites Einspritzventil zum Zuführen eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines zweiten Reduktionskatalysators, der stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators vorgesehen ist, eine Pumpe zum Zuführen eines in einem Speichertank vorhandenen Reduktionsmittels zum ersten Einspritzventil und zum zweiten Einspritzventil, und eine Steuervorrichtung zum Steuern des ersten Einspritzventils, des zweiten Einspritzventils und der Pumpe, wobei
die Steuervorrichtung
ein Rückführsteuerteil zum Rückführen von Reduktionsmittel in den Speichertank bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine und
ein Luftauslasssteuerteil, welches bei einem Anlassen der Brennkraftmaschine das erste Einspritzventil und das zweite Einspritzventil öffnet und gleichzeitig ein Reduktionsmittel in zum ersten Einspritzventil und zum zweiten Einspritzventil führende Reduktionsmittelzuführleitungen liefert, wodurch in den Reduktionsmittelzuführleitungen vorhandene Luft abgelassen wird, umfasst, wobei
das Luftauslasssteuerteil so angelegt ist, dass es dann, wenn eine erste Bedingung, dass eine Temperatur des ersten Reduktionskatalysators eine erste Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine erste Luftauslasssteuerung ausführen kann, die eine Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils startet, wobei einer zum ersten Einspritzventil führenden Reduktionsmittelzuführleitung Reduktionsmittel zugeführt und Luft abgelassen wird, und
dass es dann, wenn eine zweite Bedingung, dass eine Temperatur des zweiten Reduktionskatalysators eine zweite Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine zweite Luftauslasssteuerung ausführen kann, die eine Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung des zweiten Einspritzventils startet, wobei einer zum zweiten Einspritzventil führenden Reduktionsmittelzuführleitung Reduktionsmittel zugeführt und Luft abgelassen wird, wobei, nachdem entweder die erste Luftauslasssteuerung oder die zweite Luftauslasssteuerung, die jeweils ausgeführt werden, wenn die erste Bedingung oder die zweite Bedingung erfüllt ist, beendet wurde, die jeweils andere Luftauslasssteuerung ausführbar ist.
[Vorteile der Erfindung]
Wie oben erläutert, kann mit der vorliegenden Erfindung verhindert werden, dass beim Füllen eines Reduktionsmittels in Reduktionsmittelzuführleitungen, die jeweils zu einem der zwei stromaufwärts vor den Reduktionskatalysatoren liegenden Einspritzventile führen, Luft bzw. Abgas in den Reduktionsmittelzuführleitungen verbleibt und Reduktionsmittel in die Abgasleitung ausläuft.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung einer Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Anordnung einer Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform.
3 ist ein Flussdiagramm einer beispielhaften Luftauslasssteuerung einer Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform.
4 ist ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Luftauslasssteuerung einer Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform.

[Ausführungsform der Erfindung]
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen ausführlich erläutert. In der Beschreibung und den Zeichnungen sind Bestandteile mit im Wesentlichen gleicher funktionaler Anordnung mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass auf wiederholte Erklärungen verzichtet werden kann.
< 1. Gesamtanordnung des Harnstoff-SCR-Systems >
Zunächst wird eine beispielhafte Gesamtanordnung eines Harnstoff-SCR-Systems beschrieben, in welchem eine Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform anwendbar ist. 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung eines Harnstoff-SCR-Systems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das Harnstoff-SCR-System umfasst im Verlauf einer Abgasleitung 11 einer Brennkraftmaschine 5, welche durch einen Dieselmotor repräsentiert wird, einen ersten Reduktionskatalysator 17 und einen zweiten Reduktionskatalysator 13 und umfasst weiterhin eine Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 zum Zuführen einer wässrigen Harnstofflösung in die Abgasleitung 11 jeweils stromaufwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 und des zweiten Reduktionskatalysators 13. Das Harnstoff-SCR-System 10 ist in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine 5, beispielsweise eines Fahrzeugs, einer Baumaschine, eines landwirtschaftlichen Geräts, einer Industriemaschine usw., angebracht und reinigt Abgas, indem es im Abgas der Brennkraftmaschine 5 enthaltenes NO_x unter Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung als Reduktionsmittel reduziert.
Als wässrige Harnstofflösung wird beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung mit einer Konzentration von etwa 32,5 % mit einem äußerst niedrigen Gefrierpunkt eingesetzt. In diesem Fall liegt der Gefrierpunkt bei etwa -11 °C. Diese wässrige Harnstofflösung besitzt das Charakteristikum, dass sich der Gefrierpunkt aufgrund von Veränderungen der Konzentration erhöht, und die wässrige Harnstofflösung kann leichter gefrieren, wenn als Lösungsmittel dienendes Wasser verdunstet oder Wasser sich mit der Lösung vermischt.
Der erste Reduktionskatalysator 17 und der zweite Reduktionskatalysator 13 reduzieren jeweils im Abgas der Brennkraftmaschine 5 enthaltenes NOx selektiv. Konkret adsorbieren der erste Reduktionskatalysator 17 und der zweite Reduktionskatalysator 13 Ammoniak, welches durch Aufspalten der durch die Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 zugeführten wässrigen Harnstofflösung entsteht, lassen im einströmenden Abgas enthaltenes NO_x mit Ammoniak reagieren und reduzieren es dadurch. Der erste Reduktionskatalysator 17 und der zweite Reduktionskatalysator 13 besitzen das Charakteristikum, dass ihre maximale Ammoniak-Adsorptionsmenge abnimmt, je höher die Katalysatortemperatur ist. Ferner kommt es bei niedrigen Abgastemperaturen oder Katalysatortemperaturen dazu, dass die Thermolyse der wässrigen Harnstofflösung im Abgas und die Hydrolyse der wässrigen Harnstofflösung auf den Oberflächen der Katalysatoren nicht zustande kommen, so dass kein Ammoniak erzeugt wird. Deshalb, wenn die Katalysatortemperaturen des ersten Reduktionskatalysators 17 und des zweiten Reduktionskatalysators 13 zu hoch oder zu niedrig sind, sinkt die NOx-Reduktionsrate.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anordnung des ersten Reduktionskatalysators 17 dergestalt, dass ein Partikelfilter, der im Abgas vorhandene partikelförmige Substanzen (PM: Particulate Matter), wie Ruß usw., sammelt, eine katalysierende Komponente trägt, so dass er die Funktionen eines Reduktionskatalysators und eines Partikelfilters kombiniert. Der erste Reduktionskatalysator 17 ist beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Brennkraftmaschine 5 im Inneren der Abgasleitung 11 vorgesehen. Der zweite Reduktionskatalysator 13 ist stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 im Inneren der Abgasleitung 11 vorgesehen. Wenn das Harnstoff-SCR-System 10 in einem Personenkraftfahrzeug installiert ist, wird beispielsweise der erste Reduktionskatalysator 17 im Motorraum und der zweite Reduktionskatalysator 13 unter dem Boden der Fahrgastzelle positioniert. Da der zweite Reduktionskatalysator 13 an einer von der als Wärmequelle dienenden Brennkraftmaschine 5 entfernten Position angebracht ist, kann seine Wärmealterung unterdrückt werden. Die Katalysatorkapazität des zweiten Reduktionskatalysators 13 kann durchaus größer sein als die Katalysatorkapazität des ersten Reduktionskatalysators 17.
Da der erste Reduktionskatalysator 17 an einer Position in unmittelbarer Nähe der Brennkraftmaschine 5 angebracht ist, steigt die Umgebungstemperatur des ersten Reduktionskatalysators 17 beim Anlassen der Brennkraftmaschine 5 unter Umständen schneller an als die Umgebungstemperatur des zweiten Reduktionskatalysators 13. In diesem Fall kann der erste Reduktionskatalysator 17 zwar dadurch, dass seine Temperatur nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine 5 schneller steigt als die des zweiten Reduktionskatalysators 13, eine NOx-Reinigung schneller beginnen, allerdings sinkt in einem Zustand, wenn übermäßig hohe Temperaturen vorliegen, seine maximale Ammoniak-Adsorptionsmenge, so dass es leichter zu Ammoniakschlupf kommt. Nach Anlassen der Brennkraftmaschine 5 steigt die Temperatur des zweiten Reduktionskatalysators 13 langsamer an als die des ersten Reduktionskatalysators 17, so dass er aufgrund von Schlupf aus dem ersten Reduktionskatalysator 17 ausgetretenes Ammoniak adsorbieren kann. Ferner kann dadurch, dass ein Temperaturanstieg des zweiten Reduktionskatalysators 13 unterdrückt wird, die Zeitspanne verkürzt werden, in welcher der zweite Reduktionskatalysator 13 aufgrund eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine 5 in einen Zustand übermäßiger Erhitzung gerät und seine NOx-Reinigungseffizienz merklich sinkt.
In der Abgasleitung 11 ist stromaufwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 ein Oxidationskatalysator 19 vorgesehen. Der Oxidationskatalysator 19 hat die Funktion, im Abgas vorhandenen, nicht verbrannten Brennstoff (HC) zu oxidieren, mithilfe der dadurch entstehenden Oxidationswärme die Abgastemperatur zu erhöhen und somit PM, das sich im die Funktion eines Partikelfilters ausführenden ersten Reduktionskatalysator 17 gesammelt hat, zu verbrennen. Ferner hat der Oxidationskatalysator 19 auch die Funktion, einen Teil von im Abgas enthaltenem Stickstoffmonoxid (NO) zu oxidieren und in Stickstoffdioxid (NO₂) umzuwandeln. Anstelle oder zusätzlich zum Oxidationskatalysator 19 kann ein NO_x-Speicherkatalysator vorgesehen sein.
Der erste Reduktionskatalysator 17 ist nicht auf Anordnungen beschränkt, bei denen ein Partikelfilter eine katalysierende Komponente trägt. Der Oxidationskatalysator 19 ist keine für das Harnstoff-SCR-System 10 unbedingt notwendige Komponente.
Die Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 führt der Abgasleitung 11 jeweils stromaufwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 und des zweiten Reduktionskatalysators 13 eine wässrige Harnstofflösung zu. Die Zuführmenge der wässrigen Harnstofflösung für den ersten Reduktionskatalysator 17 wird basierend auf der NO_x-Konzentration im in den ersten Reduktionskatalysator 17 einströmenden Abgas, der Temperatur des ersten Reduktionskatalysators 17 (erste Katalysatortemperatur), der Ammoniak-Adsorptionsmenge des ersten Reduktionskatalysators 17 usw. so festgelegt, dass stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 kein NOx oder Ammoniak ausströmt. Die Zuführmenge der wässrigen Harnstofflösung für den zweiten Reduktionskatalysator 13 wird basierend auf der NOx-Konzentration im in den zweiten Reduktionskatalysator 13 einströmenden Abgas, der Temperatur des zweiten Reduktionskatalysators 13 (zweite Katalysatortemperatur), der Ammoniak-Adsorptionsmenge des zweiten Reduktionskatalysators 13 usw. so festgelegt, dass stromabwärts des zweiten Reduktionskatalysators 13 kein NO_x oder Ammoniak ausströmt.
Die Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 umfasst ein stromaufwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 an der Abgasleitung 11 angebrachtes erstes Einspritzventil 31, ein stromaufwärts des zweiten Reduktionskatalysators 13 an der Abgasleitung 11 angebrachtes zweites Einspritzventil 33 und eine die wässrige Harnstofflösung fördernde Pumpe 41. Der Antrieb des ersten Einspritzventils 31, des zweiten Einspritzventils 33 und der Pumpe 41 wird von der Steuervorrichtung 60 geregelt. Der Druck der von der Pumpe 41 dem ersten Einspritzventil 31 und dem zweiten Einspritzventil 33 zugeführten wässrigen Harnstofflösung wird von einem Drucksensor 43 erfasst. Anstelle des Drucksensors 43 kann der Druck der wässrigen Harnstofflösung auch basierend auf einer Wellenform eines Antriebsstroms der Pumpe 41 geschätzt werden.
Die Pumpe 41 kann z. B. als elektrisch angetriebene Membranpumpe oder als elektrisch angetriebene Zahnradpumpe ausgebildet sein. Die Ausgabe der Pumpe 41 wird von der Steuervorrichtung 60 geregelt. Im Harnstoff-SCR-System 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform regelt die Steuervorrichtung 60 selbsttätig die Ausgabe der Pumpe 41 basierend auf der Differenz zwischen dem vom Drucksensor 43 erfassten Druck und einem Soll-Druck so, dass der Zuführdruck der wässrigen Harnstofflösung zum ersten Einspritzventil 31 und zum zweiten Einspritzventil 33 einen vorgegebenen Soll-Druck erreicht. Allerdings kann die Ausgabe der Pumpe 41 auch so geregelt werden, dass sie den Einspritzmengenanteil der wässrigen Harnstofflösung ergänzt.
Das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 können beispielsweise als elektromagnetisch geöffnete/geschlossene Ventile ausgebildet sein, bei denen durch Regelung der Stromzufuhr zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand umgeschaltet wird. Ein solches Einspritzventil umfasst eine elektromagnetische Spule und hat eine Anordnung, bei der durch Stromzufuhr zur elektromagnetischen Spule eine Magnetkraft erzeugt wird, die wiederum einen Ventilkörper bewegt und somit das Ventil öffnet. Das erste Einspritzventil 31 ist über eine erste Zuführleitung 45 mit der Pumpe 41 verbunden. Das zweite Einspritzventil 33 ist über eine von der ersten Zuführleitung 45 abgezweigte zweite Zuführleitung 47 mit der Pumpe 41 verbunden.
Wie oben beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführungsform der Zuführdruck der wässrigen Harnstofflösung zum ersten Einspritzventil 31 und zum zweiten Einspritzventil 33 auf einem vorgegebenen Soll-Druck gehalten und die Steuervorrichtung 60 stellt der Soll-Einspritzmenge für wässrige Harnstofflösung entsprechend jeweils eine Ventilöffnungszeit für das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 ein. Das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 sind z. B. so am Abgasrohr installiert, dass ihre Einspritzöffnungen ins Innere der Abgasleitung 11 zeigen, und sie spritzen wässrige Harnstofflösung direkt in die Abgasleitung 11 ein.
Stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 und stromaufwärts des zweiten Reduktionskatalysators 13 ist an der Abgasleitung 11 ein eine Abgastemperatur erfassender Abgastemperatursensor 21 vorgesehen. Sensorsignale des Abgastemperatursensors 21 werden an die Steuervorrichtung 60 geschickt. Die vom Abgastemperatursensor 21 erfasste Abgastemperatur wird auch zur Schätzung der Temperatur des zweiten Reduktionskatalysators 13 herangezogen. Weiterhin ist stromabwärts des zweiten Reduktionskatalysators 13 an der Abgasleitung 11 ein eine NO_x-Konzentration erfassender NO_x-Sensor 23 vorgesehen. Sensorsignale des NO_x-Sensors 23 werden an die Steuervorrichtung 60 geschickt. Der NOx-Sensor 23 reagiert auch auf Ammoniak, so dass stromabwärts des zweiten Reduktionskatalysators 13 ausströmendes NO_x und Ammoniak vom NO_x-Sensor 23 erfasst werden. Die Positionen, an denen die verschiedenen Arten von Sensoren angebracht sind, sind nicht auf die obigen Beispiele beschränkt.
< 2. Beispielhafte Anordnung der Steuervorrichtung >
Als nächstes wird eine beispielhafte Anordnung der Steuervorrichtung 60 in der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert. 2 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Anordnung der Steuervorrichtung 60. Die Steuervorrichtung 60 kann als einzelne Steuervorrichtung aufgebaut sein, sie kann jedoch auch aus einer Vielzahl von Steuervorrichtungen bestehen, die miteinander kommunizieren können.
Die Steuervorrichtung 60 umfasst einen Prozessor, wie z. B. eine CPU (Central Processing Unit) oder eine MPU (Micro Processing Unit), eine elektrische Schaltung und ein Speicherelement, wie z. B. einen RAM (Random Access Memory) oder einen ROM (Read Only Memory). Die Steuervorrichtung 60 kann ganz oder teilweise aus Bestandteilen aufgebaut sein, die mithilfe von Firmware usw. aktualisierbar sind, sie kann aber auch ein Programmmodul oder dergleichen verwenden, das durch Befehle von einer CPU usw. ausgeführt wird.
Die Steuervorrichtung 60 umfasst ein erstes Katalysatortemperaturschätzungsteil 71, ein zweites Katalysatortemperaturschätzungsteil 73, ein Pumpensteuerteil 65, ein erstes Einspritzventilsteuerteil 67, ein zweites Einspritzventilsteuerteil 69, ein Rückführsteuerteil 61 und ein Luftauslasssteuerteil 63. Alle oder ein Teil dieser Bauteile kann Funktionen haben, die durch Ausführen eines Computerprogramms durch einen Prozessor realisiert werden. Die Steuervorrichtung 60 ist so angeordnet, dass Steuersignale vom Zündschalter 3 sowie Sensorsignale vom Drucksensor 43, vom Abgastemperatursensor 21 und vom NOx-Sensor 23 erhalten werden können.
Das erste Katalysatortemperaturschätzungsteil 71 schätzt die Temperatur des ersten Reduktionskatalysators 17 (erste Katalysatortemperatur). Das vom ersten Katalysatortemperaturschätzungsteil 71 angewendete Verfahren zur Schätzung der ersten Katalysatortemperatur ist nicht besonders beschränkt. Das erste Katalysatortemperaturschätzungsteil 71 schätzt die erste Katalysatortemperatur beispielsweise basierend auf einer aus den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 5 geschätzten Abgastemperatur. Das erste Katalysatortemperaturschätzungsteil 71 kann die erste Katalysatortemperatur auch zusätzlich unter Verwendung mindestens entweder einer Außentemperatur oder einer vom Abgastemperatursensor 21 erfassten Abgastemperatur schätzen.
Das zweite Katalysatortemperaturschätzungsteil 73 schätzt die Temperatur des zweiten Reduktionskatalysators 13 (zweite Katalysatortemperatur). Das vom zweiten Katalysatortemperaturschätzungsteil 73 angewendete Verfahren zur Schätzung der zweiten Katalysatortemperatur ist nicht besonders beschränkt. Das zweite Katalysatortemperaturschätzungsteil 73 schätzt die zweite Katalysatortemperatur beispielsweise basierend auf einer vom Abgastemperatursensor 21 erfassten Abgastemperatur. Das zweite Katalysatortemperaturschätzungsteil 73 kann zur Schätzung der ersten Katalysatortemperatur außerdem auch die Außentemperatur heranziehen.
Das Pumpensteuerteil 65 regelt den Antrieb der Pumpe 41. In der vorliegenden Ausführungsform regelt das Pumpensteuerteil 65 während der Ausführung der Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung in die Abgasleitung 11 selbsttätig die Ausgabe der Pumpe 41 so, dass der vom Drucksensor 43 erfasste Zuführdruck der wässrigen Harnstofflösung einen vorgegebenen Soll-Druck erreicht. Wird die Brennkraftmaschine 5 abgestellt, so setzt das Pumpensteuerteil 65 gemäß einem Befehl vom Rückführsteuerteil 61 die Pumpe 41 in Betrieb und bringt die in der ersten Zuführleitung 45 und in der zweiten Zuführleitung 47 befindliche wässrige Harnstofflösung in den Speichertank 50 zurück. Beim Anlassen der Brennkraftmaschine 5 setzt das Pumpensteuerteil 65 gemäß einem Befehl vom Luftauslasssteuerteil 63 die Pumpe 41 in Betrieb, so dass wässrige Harnstofflösung in die erste Zuführleitung 45 und in die zweite Zuführleitung 47 gefüllt wird.
Das erste Einspritzventilsteuerteil 67 regelt den Antrieb des ersten Einspritzventils 31. Während die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung in die Abgasleitung 11 ausgeführt wird, berechnet das erste Einspritzventilsteuerteil 67 basierend auf Informationen zur NOx-Konzentration im von der Brennkraftmaschine 5 ausgestoßenen Abgas, zur ersten Katalysatortemperatur und zur möglichen Ammoniak-Adsorptionsmenge des ersten Reduktionskatalysators 17 die Soll-Einspritzmenge der wässrigen Harnstofflösung für das erste Einspritzventil 31. Die NOx-Konzentration im von der Brennkraftmaschine 5 ausgestoßenen Abgas kann aus den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 5 geschätzt oder aber mithilfe eines nicht dargestellten NO_x-Sensors erfasst werden. Die mögliche Ammoniak-Adsorptionsmenge des ersten Reduktionskatalysators 17 kann als Differenz zwischen einer der ersten Katalysatortemperatur entsprechenden maximalen Adsorptionsmenge sowie einem integrierten Wert der Menge des am ersten Reduktionskatalysator 17 verbrauchten Ammoniaks und der Ammoniak-Zuführmenge zum ersten Reduktionskatalysator 17 ermittelt werden. Ferner regelt das erste Einspritzventilsteuerteil 67 abhängig von der berechneten Soll-Einspritzmenge die Stromzufuhr zum ersten Einspritzventil 31. Das erste Einspritzventilsteuerteil 67 regelt beispielsweise eine relative Einschaltdauer zum ersten Einspritzventil 31, d. h. eine Bestromungszeit zum ersten Einspritzventil 31 innerhalb eines Zyklus, abhängig von der Soll-Einspritzmenge.
Ferner kann das erste Einspritzventilsteuerteil 67 so gestaltet werden, dass es gemäß einem Befehl vom Rückführsteuerteil 61 beim Abstellen der Brennkraftmaschine 5 das erste Einspritzventil 31 öffnet, so dass abgestimmt auf das Rückführen der wässrigen Harnstofflösung Luft bzw. Abgas in die erste Zuführleitung 45 eingelassen wird. Ferner kann das erste Einspritzventilsteuerteil 67 so gestaltet werden, dass es gemäß einem Befehl vom Luftauslasssteuerteil 63 beim Anlassen der Brennkraftmaschine 5 das erste Einspritzventil 31 öffnet, so dass beim Einfüllen der wässrigen Harnstofflösung Luft bzw. Abgas aus der ersten Zuführleitung 45 abgelassen wird.
Das zweite Einspritzventilsteuerteil 69 regelt den Antrieb des zweiten Einspritzventils 33. Während die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung in die Abgasleitung 11 ausgeführt wird, berechnet das zweite Einspritzventilsteuerteil 69 basierend auf Informationen zur NOx-Konzentration im Abgas stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators 17, zur zweiten Katalysatortemperatur und zur möglichen Ammoniak-Adsorptionsmenge des zweiten Reduktionskatalysators 13 die Soll-Einspritzmenge der wässrigen Harnstofflösung für das zweite Einspritzventil 33. Die NO_x-Konzentration im Abgas stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators 17 kann aus den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 5 und der NOx-Reinigungseffizienz des ersten Reduktionskatalysators 17 geschätzt oder aber mithilfe eines nicht dargestellten NOx-Sensors erfasst werden. Die mögliche Ammoniak-Adsorptionsmenge des zweiten Reduktionskatalysators 13 kann als Differenz zwischen einer der zweiten Katalysatortemperatur entsprechenden maximalen Adsorptionsmenge und einem integrierten Wert der Menge des am zweiten Reduktionskatalysator 13 verbrauchten Ammoniaks und der Ammoniak-Zuführmenge zum zweiten Reduktionskatalysator 13 ermittelt werden. Ferner regelt das zweite Einspritzventilsteuerteil 69 abhängig von der berechneten Soll-Einspritzmenge die Stromzufuhr zum zweiten Einspritzventil 33. Das zweite Einspritzventilsteuerteil 69 regelt beispielsweise eine relative Einschaltdauer zum zweiten Einspritzventil 33, d. h. Bestromungszeit zum zweiten Einspritzventil 33 innerhalb eines Zyklus, abhängig von der Soll-Einspritzmenge.
Ferner kann das zweite Einspritzventilsteuerteil 69 so gestaltet werden, dass es gemäß einem Befehl vom Rückführsteuerteil 61 beim Abstellen der Brennkraftmaschine 5 das zweite Einspritzventil 33 öffnet, so dass abgestimmt auf das Rückführen der wässrigen Harnstofflösung Luft bzw. Abgas in die zweite Zuführleitung 47 eingelassen wird. Ferner kann das zweite Einspritzventilsteuerteil 69 so gestaltet werden, dass es gemäß einem Befehl vom Luftauslasssteuerteil 63 beim Anlassen der Brennkraftmaschine 5 das zweite Einspritzventil 33 öffnet, so dass beim Einfüllen der wässrigen Harnstofflösung Luft bzw. Abgas aus der zweiten Zuführleitung 47 abgelassen wird.
Das Rückführsteuerteil 61 führt beim Abstellen der Brennkraftmaschine 5 eine Steuerung aus, mit welcher in der ersten Zuführleitung 45 und der zweiten Zuführleitung 47 befindliche wässrige Harnstofflösung ganz oder teilweise in den Speichertank 50 rückgeführt wird. Erkennt das Rückführsteuerteil 61 aufgrund eines Steuersignals vom Zündschalter 3, dass die Brennkraftmaschine 5 abgeschaltet wurde, so veranlasst es beispielsweise die Pumpe 41, sich in entgegengesetzter Richtung zu drehen, oder schaltet zwischen den Zuführleitungen für wässrige Harnstofflösung der Pumpe 41 um und setzt die Pumpe 41 dann in Betrieb, so dass in der ersten Zuführleitung 45 und in der zweiten Zuführleitung 47 befindliche wässrige Harnstofflösung zum Speichertank 50 zurückgesaugt wird. Hierbei öffnet das Rückführsteuerteil 61 das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33, nachdem im Inneren der ersten Zuführleitung 45 und der zweiten Zuführleitung 47 ein Unterdruck erreicht ist, und erreicht somit, dass Luft bzw. Abgas in die erste Zuführleitung 45 und die zweite Zuführleitung 47 eingelassen wird. Hierdurch wird verhindert, dass wässrige Harnstofflösung in die Abgasleitung 11 ausläuft.
Das Rückführsteuerteil 61 kann das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 gleichzeitig oder aber zu verschiedenen Zeitpunkten öffnen. Ferner ist das Verfahren zum Rücksaugen der wässrigen Harnstofflösung zum Speichertank 50 nicht auf das obige Beispiel beschränkt, sondern kann eine abgetrennt von der Pumpe 41 angebrachte Rückführpumpe verwendet werden.
Das Luftauslasssteuerteil 63 führt beim Anlassen der Brennkraftmaschine 5 eine Luftauslasssteuerung aus, mit welcher in der ersten Zuführleitung 45 und der zweiten Zuführleitung 47 befindliche Luft bzw. Abgas in die Abgasleitung 11 abgelassen wird, während wässrige Harnstofflösung in die erste Zuführleitung 45 und die zweite Zuführleitung 47 gefüllt wird. Während das Luftauslasssteuerteil 63 wässrige Harnstofflösung in die erste Zuführleitung 45 füllt, öffnet es das erste Einspritzventil 31, so dass Luft bzw. Abgas aus der ersten Zuführleitung 45 in die Abgasleitung 11 abgelassen wird. Während das Luftauslasssteuerteil 63 wässrige Harnstofflösung in die zweite Zuführleitung 47 füllt, öffnet es das zweite Einspritzventil 33, so dass Luft bzw. Abgas aus der zweiten Zuführleitung 47 in die Abgasleitung 11 abgelassen wird.
In der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform führt das Luftauslasssteuerteil 63 dann, wenn eine erste Bedingung, dass die erste Katalysatortemperatur eine erste Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine erste Luftauslasssteuerung aus, die eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventilsteuerteil 67 startet, wobei wässrige Harnstofflösung der zum ersten Einspritzventil 31 führenden ersten Zuführleitung 45 zugeführt und Luft bzw. Abgas abgelassen wird. Ferner führt das Luftauslasssteuerteil 63 dann, wenn eine zweite Bedingung, dass die Temperatur des zweiten Reduktionskatalysators 13 eine zweite Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine zweite Luftauslasssteuerung aus, die eine Einspritzsteuerung für Reduktionsmittel durch das zweite Einspritzventil 33 startet, wobei wässrige Harnstofflösung der zum zweiten Einspritzventil 33 führenden zweiten Zuführleitung 47 zugeführt und Luft bzw. Abgas abgelassen wird. Hierbei kann das Luftauslasssteuerteil 63, nachdem entweder die erste Luftauslasssteuerung oder die zweite Luftauslasssteuerung, die jeweils ausgeführt werden, wenn die erste Bedingung oder die zweite Bedingung erfüllt ist, beendet wurde, die jeweils andere Luftauslasssteuerung ausführen.
Durch zeitversetztes Ausführen des mit dem Öffnen des ersten Einspritzventils 31 einhergehenden Befüllens der ersten Zuführleitung 45 mit wässriger Harnstofflösung und des mit dem Öffnen des zweiten Einspritzventils 33 einhergehenden Befüllens der zweiten Zuführleitung 47 mit wässriger Harnstofflösung wird eine Prognose von Ablassendzeiten für Luft bzw. Abgas jeweils aus der ersten Zuführleitung 45 und aus der zweiten Zuführleitung 47 erleichtert, so dass ein Auslaufen von wässriger Harnstofflösung in die Abgasleitung 11 unterdrückt werden kann. Hierdurch können Abweichungen bei der Berechnung der Ammoniak-Adsorptionsmengen des ersten Reduktionskatalysators 17 oder des zweiten Reduktionskatalysators 13 sowie Ammoniakschlupf unterdrückt werden.
Beispielsweise kann dann, wenn beim Anlassen der Brennkraftmaschine 5 die Umgebungstemperatur des ersten Reduktionskatalysators 17 aufgrund der Wärme der Brennkraftmaschine 5 schneller ansteigt als die Umgebungstemperatur des zweiten Reduktionskatalysators 13, der erste Reduktionskatalysator 17 eher mit einer NOx-Reinigung beginnen als der zweite Reduktionskatalysator 13. In diesem Fall führt das Luftauslasssteuerteil 63 die erste Luftauslasssteuerung aus, wenn die erste Katalysatortemperatur die erste Temperatur (z.B. 150 °C) erreicht hat. Das Luftauslasssteuerteil 63 führt die zweite Luftauslasssteuerung aus, wenn nach Beendigung der ersten Luftauslasssteuerung die zweite Katalysatortemperatur die zweite Temperatur (z. B. 150 °C) erreicht hat.
In einem Zustand, wenn entweder die erste Katalysatortemperatur oder die zweite Katalysatortemperatur die jeweils vorgegebene Temperatur erreicht oder überstiegen hat, liegen auch in der Umgebung der Positionen, an denen das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 angebracht sind, hohe Temperaturen vor. Daher kann selbst im Falle, dass wässrige Harnstofflösung entweder aus dem ersten Einspritzventil 31 oder dem zweiten Einspritzventil 33 in die Abgasleitung 11 ausgelaufen ist, eine Kristallisation der wässrigen Harnstofflösung unterdrückt werden. Da außerdem das erste Einspritzventil 31 oder das zweite Einspritzventil 33 geöffnet wird, nachdem der erste Reduktionskatalysator 17 oder der zweite Reduktionskatalysator 13 eine hohe NOx-Reinigungseffizienz erreicht hat, wird selbst im Falle, dass wässrige Harnstofflösung entweder aus dem ersten Einspritzventil 31 oder dem zweiten Einspritzventil 33 in die Abgasleitung 11 ausgelaufen ist, die ausgelaufene wässrige Harnstofflösung durch Hydrolyse gespalten und somit Ammoniak erzeugt, das vom ersten Reduktionskatalysator 17 oder vom zweiten Reduktionskatalysator 13 adsorbiert und bei einer Reduktionsreaktion mit dem im Abgas enthaltenen NOx verbraucht wird.
Indem eine Prognose der Ablassendzeiten für Luft bzw. Abgas jeweils aus der ersten Zuführleitung 45 und aus der zweiten Zuführleitung 47 erleichtert wird, kann ein Verbleiben von Luft bzw. Abgas in der ersten Zuführleitung 45 und der zweiten Zuführleitung 47 beim Befüllen mit wässriger Harnstofflösung unterdrückt werden. Daher kann auch verhindert werden, dass nach dem Beginn der Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung der Druck im Inneren der ersten Zuführleitung 45 oder der zweiten Zuführleitung 47 sinkt und so Abweichungen bei der Berechnung der Einspritzmengen der wässrigen Harnstofflösung entstehen.
Hierbei kann das Luftauslasssteuerteil 63 die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 stoppen, während nach Beendigung der ersten Luftauslasssteuerung wässrige Harnstofflösung in die zweite Zuführleitung 47 gefüllt wird. Hiermit kann verhindert werden, dass eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Druck im Inneren der ersten Zuführleitung 45 instabil ist, und mit Abweichungen in der Einspritzmenge einhergehende Abweichungen bei der Berechnung der Ammoniak-Adsorptionsmenge des ersten Reduktionskatalysators 17 sowie Ammoniakschlupf können unterdrückt werden.
Im Falle, dass während eines Zeitraumes bis zur Beendigung der Luftauslasssteuerung der zweiten Zuführleitung 47 die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 gestoppt wird, sollte das erste Einspritzventilsteuerteil 67 jedoch bevorzugt die im Stopp-Zeitraum berechnete Soll-Einspritzmenge der wässrigen Harnstofflösung integrieren und den integrierten Wert nach einem Neustart der Einspritzsteuerung zur Soll-Einspritzmenge addieren. Hierdurch können Abweichungen der Ammoniak-Adsorptionsmenge des ersten Reduktionskatalysators 17 sowie ein Absinken der Reduktionseffizienz des ersten Reduktionskatalysators 17 unterdrückt werden.
< 3. Beispielhafter Betrieb >
Als nächstes wird ein beispielhafter Betrieb der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert. 3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Betriebs der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 bei Anlassen der Brennkraftmaschine 5.
Zunächst erkennt das Luftauslasssteuerteil 63 der Steuervorrichtung 60 anhand eines Steuersignals des Zündschalters 3 der Brennkraftmaschine 5, dass der Zündschalter 3 auf EIN gestellt wurde (Schritt S11). Wenn der Zündschalter 3 auf EIN gestellt und die Brennkraftmaschine 5 angelassen wird, steigen eine Drehzahl (Ne) der Brennkraftmaschine 5 und eine Ausgabe d_p der Pumpe 41, und ein Zuführdruck P_u der wässrigen Harnstofflösung steigt ebenfalls. Als Folge des Anlassens der Brennkraftmaschine 5 beginnen eine erste KatalysatortemperaturT_c1 und eine zweite KatalysatortemperaturT_c2 zu steigen.
Daraufhin beurteilt das Luftauslasssteuerteil 63, ob die erste Katalysatortemperatur T_c1 eine im Voraus festgelegte erste Temperatur T_c1_th erreicht hat (Schritt S13). Die erste TemperaturT_c1_th wird beispielsweise auf eine passende Temperatur eingestellt, bei der die NO_x-Reinigungseffizienz des ersten Reduktionskatalysators 17 einen vorgegebenen Wert erreicht oder übersteigt. Wird geurteilt, dass die erste Katalysatortemperatur T_c1 unter der ersten Temperatur T_c1_th liegt (S13 / NEIN), so beurteilt das Luftauslasssteuerteil 63, ob die zweite Katalysatortemperatur T_c2 eine zweite Temperatur T_c2_th erreicht hat (Schritt S27). Die zweite Temperatur T_c2_th wird beispielsweise auf eine passende Temperatur eingestellt, bei der die NOx-Reinigungseffizienz des zweiten Reduktionskatalysators 13 einen vorgegebenen Wert erreicht oder übersteigt.
Wird geurteilt, dass die zweite Katalysatortemperatur T_c2 unter der zweiten Temperatur T_c2_th liegt (S27 / NEIN), so geht das Luftauslasssteuerteil 63 zu Schritt S13 zurück und wiederholt die Beurteilung der ersten Katalysatortemperatur T_c1. Solange weder die erste Katalysatortemperatur T_c1 noch die zweite Katalysatortemperatur T_c2 die vorgegebenen Temperaturen erreichen, regelt das Pumpensteuerteil 65 die Ausgabe der Pumpe 41 so, dass der Zuführdruck der wässrigen Harnstofflösung auf einem bestimmten Sollwert liegt. Anstatt den Antrieb der Pumpe 41 zu starten, wenn der Zündschalter 3 auf EIN gestellt wird, kann der Antrieb der Pumpe 41 auch dann gestartet werden, wenn sich die erste Katalysatortemperatur T_c1 der ersten Temperatur T_c1_th angenähert hat.
Wird in Schritt S13 hingegen geurteilt, dass die erste Katalysatortemperatur T_c1 die erste Temperatur T_c1_th erreicht hat (S13 / JA), so führt das Luftauslasssteuerteil 63 die erste Luftauslasssteuerung aus und füllt wässrige Harnstofflösung in die erste Zuführleitung 45 (Schritt S15). Konkret veranlasst das Luftauslasssteuerteil 63, während es eine selbsttätige Regelung der Ausgabe der Pumpe 41 aufrechterhält, dass das erste Einspritzventil 31 geöffnet und in der ersten Zuführleitung 45 befindliche Luft bzw. Abgas in die Abgasleitung 11 abgelassen wird. Hier wird eine im Voraus mithilfe einer Simulation oder dergleichen ermittelte Öffnungszeit des ersten Einspritzventils 31 eingestellt. Die Öffnungszeit des ersten Einspritzventils 31 kann beispielweise basierend auf einem Volumen von Luft bzw. Abgas eingestellt sein, welches im Falle, dass der Zuführdruck der wässrigen Harnstofflösung den Soll-Druck erreicht hat, nach der beim Abstellen der Brennkraftmaschine 5 ausgeführten Rückführsteuerung für wässrige Harnstofflösung in der ersten Zuführleitung 45 und der zweiten Zuführleitung 47 verbleibt. Während in der ersten Zuführleitung 45 befindliche Luft bzw. Abgas abgelassen wird, kann der Antrieb der Pumpe 41 gestoppt werden, anstatt dass eine selbsttätige Regelung der Ausgabe der Pumpe 41 aufrechterhalten wird.
Wenn das Befüllen der ersten Zuführleitung 45 mit wässriger Harnstofflösung beendet ist, dann erlaubt das Luftauslasssteuerteil 63 eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 (Schritt S17). Hierdurch wird die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 gestartet und im Abgas enthaltenes NOx wird unter Verwendung des ersten Reduktionskatalysators 17, dessen Temperatur angestiegen ist, gereinigt.
Daraufhin beurteilt das Luftauslasssteuerteil 63, ob die zweite Katalysatortemperatur T_c2 eine im Voraus festgelegte zweite Temperatur T_c2_th erreicht hat (Schritt S19). Wird geurteilt, dass die zweite Katalysatortemperatur T_c2 unter der zweiten Temperatur T_c2_th liegt (S19 / NEIN), so wiederholt das Luftauslasssteuerteil 63 die Beurteilung der zweiten Katalysatortemperatur T_c2.
Wird jedoch geurteilt, dass die zweite Katalysatortemperatur T_c2 die zweite Temperatur T_c2_th erreicht hat (S19 / JA), so stoppt das Luftauslasssteuerteil 63 die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 (Schritt S21). Daraufhin führt das Luftauslasssteuerteil 63 die zweite Luftauslasssteuerung aus und füllt wässrige Harnstofflösung in die zweite Zuführleitung 47 (Schritt S23). Konkret veranlasst das Luftauslasssteuerteil 63, während es eine selbsttätige Regelung der Ausgabe der Pumpe 41 aufrechterhält, dass das zweite Einspritzventil 33 geöffnet und in der zweiten Zuführleitung 47 befindliche Luft bzw. Abgas in die Abgasleitung 11 abgelassen wird. Hier wird eine im Voraus mithilfe einer Simulation oder dergleichen ermittelte Öffnungszeit des zweiten Einspritzventils 33 eingestellt. Die Öffnungszeit des zweiten Einspritzventils 33 kann beispielweise basierend auf einem Volumen von Luft bzw. Abgas eingestellt sein, welches sich nach Befüllen der ersten Zuführleitung 45 mit wässriger Harnstofflösung in der zweiten Zuführleitung 47 befindet. Während in der ersten Zuführleitung 45 befindliche Luft bzw. Abgas abgelassen wird, kann der Antrieb der Pumpe 41 gestoppt werden, anstatt dass eine selbsttätige Regelung der Ausgabe der Pumpe 41 aufrechterhalten wird.
Wenn das Befüllen der zweiten Zuführleitung 47 mit wässriger Harnstofflösung beendet ist, dann erlaubt das Luftauslasssteuerteil 63 eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 (Schritt S25). Hierdurch wird eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 gestartet und im Abgas enthaltenes NO_x wird unter Verwendung des ersten Reduktionskatalysators 17 und des zweiten Reduktionskatalysators 13, deren Temperaturen angestiegen sind, gereinigt. Von hieran kann wässrige Harnstofflösung sowohl vom ersten Einspritzventil 31 als auch vom zweiten Einspritzventil 33 zugeführt und NOx unter Einsatz sowohl des ersten Reduktionskatalysators 17 als auch des zweiten Reduktionskatalysators 13 gereinigt werden. Es ist jedoch auch möglich, wässrige Harnstofflösung vom zweiten Einspritzventil 33 zuzuführen und NO_x nur unter Einsatz des zweiten Reduktionskatalysators 13 zu reinigen.
Falls die zweite Katalysatortemperatur T_c2 die zweite Temperatur T_c2_th eher erreicht, als dass die erste Katalysatortemperatur T_c1 die erste Temperatur T_c1_th erreicht (S13 / NEIN und S27 / JA), so werden die zweite Luftauslasssteuerung und die erste Luftauslasssteuerung in den Arbeitsgängen wie in den Schritten S15 bis S27 ausgeführt, wobei die Reihenfolge der zweiten Luftauslasssteuerung und der ersten Luftauslasssteuerung umgekehrt wird (Schritte S27 bis S37), und eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 wird gestartet (Schritt S25).
4 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Betriebs der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 bei Anlassen der Brennkraftmaschine 5. 4 zeigt einen beispielhaften Betrieb im Falle, dass nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine 5 die erste Katalysatortemperatur schneller ansteigt als die Temperatur des zweiten Katalysators 13.
Im Beispiel gemäß 4 erkennt das Luftauslasssteuerteil 63 zu einem Zeitpunkt t1 anhand eines Steuersignals des Zündschalters 3 der Brennkraftmaschine 5, dass der Zündschalter 3 auf EIN gestellt wurde. Wenn der Zündschalter 3 auf EIN gestellt und die Brennkraftmaschine 5 angelassen wird, steigen die Drehzahl (Ne) der Brennkraftmaschine 5 und die Ausgabe d_p der Pumpe 41, und der Zuführdruck P_u der wässrigen Harnstofflösung steigt ebenfalls. Als Folge des Anlassens der Brennkraftmaschine 5 beginnen die erste Katalysatortemperatur T_c1 und die zweite Katalysatortemperatur T_c2 zu steigen. In diesem Beispiel steigt die erste Katalysatortemperatur T_c1 schneller an als die zweite Katalysatortemperatur T_c2.
Als Nächstes urteilt das Luftauslasssteuerteil 63 zu einem Zeitpunkt t2, dass die erste Katalysatortemperatur T_c1 die erste Temperatur T_c1_th erreicht hat, und führt die erste Luftauslasssteuerung aus, wobei wässrige Harnstofflösung in die erste Zuführleitung 45 gefüllt wird. Wenn daraufhin zu einem Zeitpunkt t3 das Befüllen der ersten Zuführleitung 45 mit wässriger Harnstofflösung beendet ist, erlaubt das Luftauslasssteuerteil 63 eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31. Hierdurch wird die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 gestartet und im Abgas enthaltenes NO_x wird unter Verwendung des ersten Reduktionskatalysators 17, dessen Temperatur angestiegen ist, gereinigt.
Als Nächstes urteilt das Luftauslasssteuerteil 63 zu einem Zeitpunkt t4, dass die zweite Katalysatortemperatur T_c2 die zweite Temperatur T_c2_th erreicht hat, stoppt die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 und führt die zweite Luftauslasssteuerung aus, wobei wässrige Harnstofflösung in die zweite Zuführleitung 47 gefüllt wird. Wenn daraufhin zu einem Zeitpunkt t5 das Befüllen der zweiten Zuführleitung 47 mit wässriger Harnstofflösung beendet ist, erlaubt das Luftauslasssteuerteil 63 eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33. Hierdurch wird eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 gestartet und im Abgas enthaltenes NO_x wird unter Verwendung des ersten Reduktionskatalysators 17 und des zweiten Reduktionskatalysators 13, deren Temperaturen angestiegen sind, gereinigt.
Selbst wenn eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 und das zweite Einspritzventil 33 erlaubt wurde, so kann bei gewissen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 5 oder einer gewissen ersten Katalysatortemperatur die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung durch das erste Einspritzventil 31 durchaus abgebrochen werden, falls die Katalysatoreffizienz des ersten Reduktionskatalysators 17 sinkt.
Wie oben beschrieben, wird in der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das mit dem Öffnen des ersten Einspritzventils 31 einhergehende Befüllen der ersten Zuführleitung 45 und das mit dem Öffnen des zweiten Einspritzventils 33 einhergehende Befüllen der zweiten Zuführleitung 47 mit wässriger Harnstofflösung zeitlich versetzt ausgeführt. Dadurch kann das Auslassen von Luft aus der ersten Zuführleitung 45 und der zweiten Zuführleitung 47 präzise ausgeführt werden und ein Verbleiben von Luft bzw. Abgas sowie ein Auslaufen von wässriger Harnstofflösung aus dem ersten Einspritzventil 31 und dem zweiten Einspritzventil 33 können unterdrückt werden.
Ferner sind Abgasreinigungssysteme, die einen NO_x-Speicherkatalysator und einen selektiven NO_x-Reduktionskatalysator kombinieren, anfällig dafür, dass die Kapazität des Reduktionskatalysators abnimmt, und auch das Unterdrücken von Ammoniakschlupf gewinnt an Bedeutung. Durch Anwenden der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf ein solches Abgasreinigungssystem kann verhindert werden, dass die Ammoniak-Zuführmenge aufgrund von auslaufender wässriger Harnstofflösung überhandnimmt, und die Gefahr von Ammoniakschlupf kann gemindert werden. Durch Anwenden der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann selbst in Abgasreinigungssystemen mit kleinem Toleranzbereich für Abweichungen der Einspritzmengen für wässrige Harnstofflösung, die durch das obige Abgasreinigungssystem beispielhaft dargestellt sind, im System als Ganzes der Einspritzzeitpunkt für wässrige Harnstofflösung vorverlegt werden, da der erste Reduktionskatalysator 17 vorgezogen benutzt werden kann.
In der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, nachdem die zuerst ausgeführte Luftauslasssteuerung beendet und eine Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung gestartet wurde, die Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung während des Ausführens der nächsten Luftauslasssteuerung gestoppt werden. Hierdurch wird verhindert, dass ein Befüllen mit wässriger Harnstofflösung in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Zuführdruck der wässrigen Harnstofflösung instabil ist, und bei einer späteren Luftauslasssteuerung kann Luft präzise ausgelassen werden. Weiterhin können Abweichungen der Einspritzmengen vorgebeugt werden, die aufgrund fortgesetzter Einspritzsteuerung für wässrige Harnstofflösung während der Luftauslasssteuerung auftreten.
Oben wurde eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert, allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Selbstverständlich ist klar, dass der Fachmann mit durchschnittlichem Wissen auf dem technischen Gebiet der Erfindung auf sämtliche Änderungen bzw. Modifizierungen im Rahmen der in den Patentansprüchen offenbarten technischen Kategorie kommen kann und dass diese somit im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Beispielsweise kann in der Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform an einer Abzweigung der ersten Zuführleitung 45 und der zweiten Zuführleitung 47 ein Steuerventil vorgesehen werden, das zumindest eine der zum ersten Einspritzventil 31 oder zum zweiten Einspritzventil 33 führenden Leitungen öffnet oder schließt. In diesem Fall kann durch Schließen des zweiten Einspritzventils 33, wenn wässrige Harnstofflösung in die erste Zuführleitung 45 gefüllt wird, und durch Schließen des ersten Einspritzventils 31, wenn wässrige Harnstofflösung in die erste Zuführleitung 45 gefüllt wird, jede der beiden Zuführleitungen effizient mit wässriger Harnstofflösung befüllt werden, und zugleich wird die Berechnung einer Kapazität von abzulassender Luft bzw. Abgas leichter im Voraus durchführbar, so dass ein Verbleiben von Luft bzw. Abgas sowie ein Auslaufen von wässriger Harnstofflösung unterdrückt werden kann.
Bezugszeichenliste

5: Brennkraftmaschine,
11: Abgasleitung,
13: Zweiter Reduktionskatalysator,
17: Erster Reduktionskatalysator,
31: Erstes Einspritzventil,
33: Zweites Einspritzventil,
41: Pumpe,
45: Erste Zuführleitung,
47: Zweite Zuführleitung,
50: Speichertank,
60: Steuervorrichtung,
61: Rückführsteuerteil,
63: Luftauslasssteuerteil,
67: Erstes Einspritzventilsteuerteil,
69: Zweites Einspritzventilsteuerteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2015078643 A [0006]

Claims

Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung (30), umfassend ein erstes Einspritzventil (31) zum Zuführen eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines ersten Reduktionskatalysators (17), der in einer Abgasleitung (11) einer Brennkraftmaschine (5) vorgesehen ist, ein zweites Einspritzventil (33) zum Zuführen eines Reduktionsmittels stromaufwärts eines zweiten Reduktionskatalysators (13), der stromabwärts des ersten Reduktionskatalysators (17) vorgesehen ist, eine Pumpe (41) zum Zuführen eines in einem Speichertank (50) vorhandenen Reduktionsmittels zum ersten Einspritzventil (31) und zum zweiten Einspritzventil (33), und eine Steuervorrichtung (60) zum Steuern des ersten Einspritzventils (31), des zweiten Einspritzventils (33) und der Pumpe (41), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (60) ein Rückführsteuerteil (61) zum Rückführen von Reduktionsmittel in den Speichertank (50) bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine (5) und ein Luftauslasssteuerteil (63), welches bei einem Anlassen der Brennkraftmaschine (5) das erste Einspritzventil (31) und das zweite Einspritzventil (33) öffnet und gleichzeitig ein Reduktionsmittel in zum ersten Einspritzventil (31) und zum zweiten Einspritzventil (33) führende Reduktionsmittelzuführleitungen (45, 47) liefert, wodurch in den Reduktionsmittelzuführleitungen (45, 47) vorhandene Luft abgelassen wird, umfasst, wobei das Luftauslasssteuerteil (63) so angelegt ist, dass es dann, wenn eine erste Bedingung, dass eine Temperatur des ersten Reduktionskatalysators (17) eine erste Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine erste Luftauslasssteuerung ausführen kann, die eine Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung des ersten Einspritzventils (31) startet, wobei einer zum ersten Einspritzventil (31) führenden Reduktionsmittelzuführleitung (45) Reduktionsmittel zugeführt und Luft abgelassen wird, und dass es dann, wenn eine zweite Bedingung, dass eine Temperatur des zweiten Reduktionskatalysators (13) eine zweite Temperatur erreicht, erfüllt ist, eine zweite Luftauslasssteuerung ausführen kann, die eine Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung des zweiten Einspritzventils (33) startet, wobei einer zum zweiten Einspritzventil (33) führenden Reduktionsmittelzuführleitung (47) Reduktionsmittel zugeführt und Luft abgelassen wird, wobei nachdem entweder die erste Luftauslasssteuerung oder die zweite Luftauslasssteuerung, die jeweils ausgeführt werden, wenn die erste Bedingung oder die zweite Bedingung erfüllt ist, beendet wurde, die jeweils andere Luftauslasssteuerung ausführbar ist.
Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (60) zusätzlich ein erstes Einspritzventilsteuerteil (67) zum Steuern des ersten Einspritzventils (31) basierend auf einer Soll-Einspritzmenge und ein zweites Einspritzventilsteuerteil (69) zum Steuern des zweiten Einspritzventils (33) basierend auf einer Soll-Einspritzmenge umfasst, wobei das Luftauslasssteuerteil (63), während es die jeweils andere Luftauslasssteuerung ausführt, eine Reduktionsmittel-Einspritzsteuerung durch das Einspritzventil der bereits beendeten jeweils einen Luftauslasssteuerung stoppt, und das erste Einspritzventilsteuerteil (67) oder das zweite Einspritzventilsteuerteil (69) einen integrierten Wert einer Soll-Einspritzmenge, der während eines betreffenden Stopp-Zeitraumes berechnet wurde, zu einer Soll-Einspritzmenge nach Neustart der Einspritzsteuerung addiert.
Reduktionsmittelzuführsteuervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zum zweiten Einspritzventil (33) führende Reduktionsmittelzuführleitung (47) von der zum ersten Einspritzventil (31) führenden Reduktionsmittelzuführleitung (45) abgezweigt ist und an der Abzweigung ein geöffnetes/geschlossenes Ventil vorgesehen ist.