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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entleeren eines Fluid-Versorgungssystems wie z.B. eines SCR-Versorgungssystems, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2016 210 262 A1 beschreibt ein Verfahren zum Entleeren eines Fluid-Versorgungssystems, das dort als Reduktionsmittelfördersystem bezeichnet ist. Das Entleeren ist nötig, um ein Gefrieren des Fluids bzw. Reduktionsmittels (der Gefrierpunkt kann bei typischen Reduktionsmitteln wie Harnstoff bei z.B. -11°C liegen) in den Leitungen oder der Fördereinheit zu verhindern, wenn das zugehörige Fahrzeug abgestellt bzw. nicht in Betrieb ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Entleeren eines Fluid-Versorgungssystems sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei einer Nachbehandlung von Abgasen in Kraftfahrzeugen kann, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden (NOx), das sog. SCR-Verfahren (engl.: Selective Catalytic Reduction) zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) als Reduktionsmittellösung in das typischerweise sauerstoffreiche Abgas eingeführt.
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Hierfür kann als Bestandteil eines Fluid-Versorgungssystems ein Dosiermodul bzw. Dosierventil verwendet werden, das eine Düse umfasst, um die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom einzusprühen bzw. einzubringen. Stromaufwärts eines SCR-Katalysators reagiert die Harnstoff-Wasser-Lösung zu Ammoniak, welcher sich anschließend am SCR-Katalysator mit den Stickoxiden verbindet, woraus Wasser und Stickstoff entstehen.
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Das Dosierventil ist typischerweise über eine Druckleitung mit einer Fördereinheit verbunden. Eine Pumpe bzw. Förderpumpe der Fördereinheit pumpt die Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Reduktionsmitteltank zum Dosierventil bzw. zu einem Dosiermodul. Zusätzlich ist meistens ein Rücklauf mit dem Reduktionsmitteltank verbunden, über den überschüssige Harnstoff-Wasser-Lösung zurückgeführt werden kann. Eine Blende oder Drossel im Rücklauf kann den Rückfluss steuern.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Entleeren eines Fluid-Versorgungssystems, insbesondere eines SCR-Versorgungssystems. Das Fluid-Versorgungssystem, das der Erfindung zugrunde liegt, weist eine Fördereinheit, eine Förderleitung, über die die Fördereinheit mit einem Fluid- oder Reduktionsmitteltank verbunden ist, eine Druckleitung, über die die Fördereinheit mit einem Dosiermodul verbunden ist, und eine Rücklaufleitung mit Rückschlagventil, über die die Fördereinheit mit dem Fluid-Tank verbunden ist, auf. Die Rücklaufleitung kann insbesondere von der Druckleitung abzweigen.
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Die Fördereinheit ist dabei zum einen in regulärer Förderrichtung betreibbar, so dass Fluid über die Förderleitung (aus dem Fluid-Tank) angesaugt und in die Druckleitung (und darüber dann zum Dosiermodul) gefördert wird. Zum anderen ist die Fördereinheit aber auch entgegen der (regulären) Förderrichtung betreibbar, so dass Fluid durch die Förderleitung zurück zum Fluid-Tank gefördert werden kann. Hierzu weist die Fördereinheit typischerweise eine Pumpe wie z.B. eine Membranpumpe oder Kolbenpumpe auf, an die die Förderleitung und die Druckleitung mittels eines oder mehrerer geeigneter Ventile angeschlossen sind. Beispielsweise kann ein geeignetes Wegeventil vorgesehen sein, mittels dessen die Pumpe derart zwischen Förder- und Druckleitung geschaltet werden kann, dass das Fluid in (regulärer) Förderrichtung und entgegen der Förderrichtung gefördert werden kann, während die Pumpe an sich nur eine Förderrichtung bereitstellen kann. Denkbar sind ggf. aber auch aktiv steuerbare Ventile, mittels derer die Förderrichtung umgekehrt werden kann.
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Die Erfindung geht weiterhin davon aus, dass zum Entleeren des Fluid-Versorgungssystems, z.B. nach Abstellen des Fahrzeugs bzw. dessen Brennkraftmaschine, ein erster Entleerungsvorgang vorgenommen wird, bei dem die Förder-, Druck- und Rücklaufleitung zumindest so gut wie möglich entleert werden. Hierzu kann in einem einfachen Fall die Fördereinheit entgegen der regulären Förderrichtung betrieben werden. Zweckmäßig ist jedoch auch die Anwendung des in der
DE 10 2016 210 262 A1 beschriebenen Verfahrens, worauf hiermit explizit verwiesen wird. Insbesondere wird dabei das Dosiermodul bzw. Dosierventil zunächst geschlossen, dann wird die Fördereinheit entgegen der regulären Förderrichtung betrieben, wodurch das Fluid aus Förderleitung sowie Fördereinheit selbst in den Fluid-Tank zurückgefördert wird. Danach wird das Dosiermodul geöffnet, sodass auch Fluid aus dem Dosiermodul und der Druck- und Rücklaufleitung in den Fluid-Tank gelangt. Das Dosiermodul wird dann wieder geschlossen und die Fördereinheit kann abgestellt bzw. ausgeschaltet werden.
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Wie sich nun herausgestellt hat, kann auf diese Weise zwar das Fluid-Versorgungssystem im Wesentlichen und weitgehend entleert werden, allerdings kann unter Umständen noch eine gewisse Menge an Fluid in einem Drucksensor bzw. dessen Kavitäten verbleiben, der typischerweise in der Fördereinheit angeordnet ist, insbesondere wenn dieser in der Rücklaufleitung angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass das Rückschlagventil in der Rücklaufleitung einen nicht unwesentlichen Beitrag hierzu liefert. Dieses bleibt nämlich während des erwähnten (ersten) Entleerungsvorgangs geschlossen.
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Vor diesem Hintergrund wird nun im Rahmen der vorgeschlagenen Erfindung nach dem erwähnten ersten Entleerungsvorgang ein zweiter Entleerungsvorgang vorgenommen. Hierbei wird die Fördereinheit, nachdem diese ggf. wieder eingeschaltet wurde, in einem zweiten Entleerungsvorgang bei geschlossenem Dosiermodul und in Förderrichtung bis zum Erreichen eines vorgegebenen Kriteriums in bzw. mit einer ersten Leistungsstufe betrieben. Die erste Leistungsstufe weist insbesondere eine Leistung zwischen 2% und 40%, bevorzugt zwischen 5% und 30%, weiter bevorzugt zwischen 5% und 15%, einer maximalen Leistung der Fördereinheit auf. Besonders zweckmäßig sind z.B. 10% der maximalen Leistung. Eine solche (relativ) geringe Leistungsstufe bedeutet auch einen relativ geringen Förderstrom, der von der Fördereinheit bereitgestellt wird, mit dem Luft aus der Fördereinheit in die Rücklaufleitung (das Fluid wurde ja im ersten Entleerungsvorgang aus den Leitungen und der Fördereinheit entfernt, sodass sich darin nur noch Luft befindet) gefördert wird. Die Rücklaufleitung kann bis zum Rückschlagventil auch als Rücklaufkanal bezeichnet werden, an dem dann z.B. der Drucksensor angeordnet ist.
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Das vorgegebene Kriterium wird dabei insbesondere derart gewählt, dass bei dessen Erreichen das Rückschlagventil durch Überdruck in der Rücklaufleitung bereits geöffnet hat. Es wird also durch das Betreiben der Fördereinheit der Druck soweit erhöht, bis das Rückschlagventil öffnet (das Dosiermodul ist ja geschlossen). Dadurch wird ggf. noch in der Rücklaufleitung vorhandenes Fluid durch die Rücklaufleitung in den Fluid-Tank gefördert und insbesondere wird auch - wie sich gezeigt hat - etwaiges, in dem Drucksensor vorhandenes Fluid daraus entfernt.
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Bei diesem Vorgehen ist insbesondere darauf zu achten, dass zwar der Druck soweit erhöht wird, dass das Rückschlagventil öffnet, dass aber möglichst kein Fluid aus dem Fluid-Tank bis in die Fördereinheit angesaugt wird. Dies kann z.B. erreicht werden, indem das erwähnte Kriterium auf geeignete Weise überwacht wird. Bevorzugt ist dabei, dass das vorgegebene Kriterium einen Druckabfall in dem Fluid-Versorgungssystem umfasst. Ein Druckabfall - der Druck wird z.B. mit dem schon erwähnten Drucksensor ermittelt - bedeutet, dass der Öffnungsdruck des Rückschlagventils erreicht bzw. überschritten wurde, wodurch die Luft mit ggf. Fluid entweichen kann, wodurch der Druck sehr schnell abfällt. Denkbar ist in diesem Zusammenhang z.B., einen bestimmten Gradienten des Drucks festzulegen, bei dessen Erreichen auf einen relevanten Druckabfall erkannt wird.
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Ebenso zweckmäßig ist es aber, wenn das vorgegebene Kriterium einen Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer umfasst. Diese Zeitdauer kann dann insbesondere in Abhängigkeit von Volumina des Fluid-Versorgungssystems und der ersten Leistungsstufe vorgegeben werden. Wenn bekannt ist, welchen Volumenstrom die Fördereinheit bereitstellt und welches Volumen in der Fördereinheit und den relevanten Leitungen vorhanden ist, in dem Luft komprimiert werden kann, kann bestimmt werden, wie lange die Fördereinheit betrieben werden muss, bis ein hinreichend hoher Druck erzeugt worden ist, damit das Rückschlagventil öffnet.
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Mit dem vorgeschlagenen Vorgehen können nicht nur die Leitungen und die Fördereinheit selbst noch besser entleert werden, sondern es kann auch ggf. in dem Drucksensor bzw. dessen Kavitäten vorhandenes Fluid entfernt werden, wodurch tiefe Temperaturen weniger Schaden durch gefrierendes Fluid anrichten können und so die Lebensdauer der Komponenten erhöht wird.
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Nach bzw. ab Erreichen des vorgegebenen Kriteriums wird die Fördereinheit bevorzugt dann noch entgegen der Förderrichtung betrieben, und zwar insbesondere in bzw. mit einer zweiten Leistungsstufe, die höher als die erste Leistungsstufe ist. Zweckmäßigerweise weist die zweite Leistungsstufe eine Leistung zwischen 2% und 60%, bevorzugt zwischen 5% und 40%, weiter bevorzugt zwischen 25% und 35%, einer maximalen Leistung der Fördereinheit auf. Besonders zweckmäßig sind z.B. 30% der maximalen Leistung. Auf diese Weise kann Fluid, das im Rahmen des Betriebs der Fördereinheit mit der ersten Leistungsstufe ggf. in die Förderleitung eingesaugt wurde, wieder daraus entfernt und in den Fluid-Tank zurückgefördert werden.
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Danach, z.B. wenn der Druck wieder den Wert von vor bzw. bei Beginn des zweiten Entleerungsvorgangs erreicht hat, kann die Leistung der Fördereinheit auf null zurückgefahren werden, die reguläre Förderrichtung kann - als Vorbereitung für den nächsten regulären Förderbetrieb - wieder eingestellt werden (z.B. durch Umschalten eines entsprechenden Wegeventils), dann kann die Fördereinheit vollständig abgeschaltet werden. Denkbar ist auch, dass der beschriebene zweite Entleerungsvorgang mehrmals durchgeführt wird, wenn sich dies als zweckdienlich erweist.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs wie ein Motorsteuergerät oder ein Abgasnachbehandlungssteuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch Fluid-Versorgungssystem, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugten Ausführungsformen.
- 3 zeigt schematisch Druck- und Ansteuerverlauf der Fördereinheit bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch und beispielhaft ein Fluid-Versorgungssystem 100 dargestellt, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Fluid-Versorgungssystem 100 ist insbesondere als SCR-System ausgebildet und umfasst eine Fördereinheit 110, die eine Pumpe bzw. Förderpumpe 140 sowie ein Wegeventil 142 aufweist und die dazu eingerichtet ist, Reduktionsmittel 121 (bzw. eine Reduktionsmittellösung) als zu förderndes Fluid in einer regulären Förderrichtung aus einem Fluid- oder Reduktionsmitteltank 120 über eine Förderleitung 130 anzusaugen und über einen Filter 150 und eine Druckleitung 132 zu einem Dosiermodul oder Dosierventil 136 zu fördern. Dort wird das Reduktionsmittel 121 dann in einen Abgasstrang 170 einer Brennkraftmaschine gesprüht.
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Zudem umfasst das Fluid-Versorgungssystem 100 eine von der Druckleitung 132 abzweigende Rücklaufleitung134, durch die Reduktionsmittel aus dem System zurück in den Reduktionsmitteltank 120 geführt werden kann. In dieser Rücklaufleitung 134 ist neben einer Blende bzw. Drossel 152, die einen örtlichen Strömungswiderstand bietet, ein Rückschlagventil 154 mit einem bestimmten Öffnungsdruck vorgesehen.
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Weiterhin ist ein Drucksensor 144 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, einen Druck in der Rücklaufleitung, dort im - auch als Rücklaufkanal bezeichneten - Abschnitt vor dem Rückschlagventil 154 zu messen. Eine z.B. als Abgasnachbehandlungssteuergerät ausgebildete Recheneinheit 160 ist mit dem Drucksensor 140 verbunden und erhält von diesem Informationen über den Druck in der entsprechenden Leitung. Außerdem ist das Abgasnachbehandlungssteuergerät 160 mit der Fördereinheit 110, dort insbesondere mit der Pumpe 140, und mit dem Dosiermodul 136 verbunden, um dieses ansteuern zu können.
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Durch eine Betätigung des Wegeventils 142 kann die Förderrichtung der Fördereinheit 110 umgekehrt werden, sodass - entgegen der regulären Förderrichtung - Fluid über die Förderleitung 130 in den Reduktionsmitteltank 120 gefördert werden kann.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugten Ausführungsformen dargestellt, in 3 sind schematisch Druck- und Ansteuerverläufe der Fördereinheit bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, wobei p einen (beispielhaften) Druck in mbar, L eine (beispielhafte) Leistung der Fördereinheit bzw. Pumpe und S eine Stellung des Wegeventils angeben, die jeweils über die Zeit t aufgetragen sind. Nachfolgend sollen die 2 und 3 übergreifend beschrieben werden.
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Zunächst wird, z.B. nachdem die Brennkraftmaschine abgestellt wurde, ein erster Entleerungsvorgang 200 bei dem Fluid-Versorgungssystem durchgeführt. Wie schon erwähnt, kann dies z.B. wie in der
DE 10 2016 210 262 A1 beschrieben, erfolgen. Dieser erste Entleerungsvorgang endet typischerweise mit dem Abschalten der Fördereinheit und dem Schließen des Dosiermoduls.
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Anschließend wird ein zweiter Entleerungsvorgang vorgenommen, der z.B. die nachfolgenden Schritte 210, 220, 230 und 240 umfasst.
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Zunächst wird gemäß Schritt 210 zu einem Zeitpunkt t1 die Fördereinheit mit einer ersten Leistungsstufe (oder „duty cycle“) L1 von z.B. 10% betrieben, und zwar in regulärer Förderrichtung, d.h. die Stellung S des Wegeventils ist auf 0, das Dosiermodul bleibt geschlossen. Sollte dies nicht schon der Fall sein, so wird das Dosiermodul entsprechend geschlossen. Es wird damit Luft, die sich in der Förderleitung befindet, in die Rücklaufleitung - insbesondere aber auch in den Drucksensor bzw. dessen Kavitäten - gepumpt. Dabei wird jedoch möglichst kein Fluid angesaugt, jedenfalls nicht bis in die Druck- oder Rücklaufleitung gepumpt.
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Dieser Vorgang wird solange durchgeführt, bis ein vorgegebenes Kriterium erreicht ist. Wie schon erwähnt, kann dies z.B. einen Druckabfall oder eine Zeitdauer umfassen. In 3 ist hierzu zu sehen, dass ab dem Zeitpunkt t1 der Druck p ansteigt, da das Dosiermodul und - jedenfalls zunächst - auch das Rückschlagventil geschlossen sind. Sobald jedoch der Öffnungsdruck des Rückschlagventils erreicht ist - im gezeigten Beispiel bei ca. 70 mbar - öffnet das Rückschlagventil, die Luft kann - zusammen mit etwaigem Fluid im Drucksensor bzw. dessen Kavitäten - entweichen und der Druck p fällt schnell ab. Beispielhaft ist ein bestimmter Gradient G des Drucks p eingezeichnet, bei dessen Erreichen z.B. das Kriterium als erfüllt oder erreicht angesehen werden kann. Dies ist zum Zeitpunkt t2 der Fall.
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Ebenso kann aber die Zeitdauer vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 berechnet werden, und zwar unter Berücksichtigung des Volumenstroms der Fördereinheit bei der Leistungsstufe L1 sowie des Volumens der zu pumpenden bzw. fördernden Luft. Hierzu sind Kenntnisse über Volumina des Fluid-Versorgungssystems nötig, die jedoch für ein konkretes Fluid-Versorgungssystem oder einen bestimmten Typ z.B. einfach gemessen oder anderweitig ermittelt werden können.
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Gemäß Schritt 220 wird zum Zeitpunkt t2 die Förderrichtung der Fördereinheit umgekehrt, indem das Wegeventil umgeschaltet wird und damit die Stellung S den Wert 1 annimmt. Zugleich oder ggf. kurze Zeit später wird die Fördereinheit dann mit der höheren Leistungsstufe L2 von z.B. 30% betrieben. Hiermit wird ggf. in der Förderleitung vorhandenes - und zuvor angesaugtes - Fluid wieder zurück in den Fluid-Tank gefördert, der Druck nimmt weiter ab.
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Gemäß Schritt 230 wird zum Zeitpunkt t3, wenn der Druck z.B. wieder den Ausgangswert von vor bzw. bei dem Zeitpunkt t1 erreicht hat, die Leistung der Fördereinheit auf null zurückgenommen, L = 0, anschließend wird zum Zeitpunkt t4 gemäß Schritt 240 die gesamte Fördereinheit abgeschaltet und das Wegeventil 142 wird - in Vorbereitung auf eine spätere Nutzung - wieder in reguläre Förderrichtung geschaltet, S = 0.
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Je nach Situation kann auch nach Erreichen des Kriteriums zum Zeitpunkt t2 gemäß Schritt 231 die Leistung der Fördereinheit - bei dann eingestellter regulärer Förderrichtung, d.h. Stellung S mit Wert 0 - auf null zurückgenommen werden, anschließend kann dann wie zuvor mit Schritt 240 fortgefahren werden.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist somit eine besonders effektive Entleerung des Fluid-Versorgungssystems, insbesondere auch des Drucksensors bzw. von dessen Kavitäten möglich, sodass etwaige Schäden durch Frost verhindert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016210262 A1 [0002, 0009, 0027]
