DE102020212961A1 - Verfahren zur Anpassung des Volumenstroms - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fördervorrichtung für eine wässrige Harnstofflösung in einem Kraftfahrzeug, mit einer Pumpe zur Förderung der wässrigen Harnstofflösung, wobei die wässrige Harnstofflösung von einem Tank hin zu einem Injektor entlang einer Druckleitung gefördert wird, wobei der Injektor an einer Abgasleitung angeordnet ist und zur Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung in die Abgasleitung ausgebildet ist, wobei die Fördergeschwindigkeit der Pumpe abhängig von den Öffnungsvorgängen und Schließvorgängen des Injektors und/oder den daraus entstehenden Druckverhältnissen in der Förderstrecke zwischen der Pumpe und dem Injektor gesteuert wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fördervorrichtung für eine wässrige Harnstofflösung in einem Kraftfahrzeug, mit einer Pumpe zur Förderung der wässrigen Harnstofflösung, wobei die wässrige Harnstofflösung von einem Tank hin zu einem Injektor entlang einer Druckleitung gefördert wird, wobei der Injektor an einer Abgasleitung angeordnet ist und zur Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung in die Abgasleitung ausgebildet ist, wobei die Fördergeschwindigkeit der Pumpe abhängig von den Öffnungsvorgängen und Schließvorgängen des Injektors und/oder den daraus entstehenden Druckverhältnissen in der Förderstrecke zwischen der Pumpe und dem Injektor gesteuert wird.
  • Stand der Technik
  • Weltweit sind in vielen Staaten gesetzliche Regelungen getroffen worden, die einen oberen Grenzwert für den Gehalt von bestimmten Substanzen im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen festlegen. Hierbei handelt es sich zumeist um Substanzen, deren Abgabe an die Umwelt unerwünscht ist. Eine dieser Substanzen stellt Stickoxid (NOx) dar, deren Anteil im Abgas gesetzlich festgelegte Grenzwerte nicht übersteigen darf. Auf Grund der Rahmenbedingungen, beispielsweise der Auslegung der Verbrennungskraftmaschinen im Hinblick auf günstige Verbrauche und ähnliches, ist die innermotorische Vermeidung der Stickoxidemission bei der Verminderung des Anteils der Stickoxide im Abgas nur begrenzt tauglich, so dass für die Einhaltung relativ niedriger Grenzwerte eine Abgasnachbehandlung erforderlich ist. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine selektive katalytische Reduktion (SCR, selective catalytic reduction) der Stickoxide vorteilhaft ist. Diese SCR-Methode benötigt ein Reduktionsmittel, welches stickstoffhaltig ist. Insbesondere hat sich der Einsatz von Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel als eine mögliche Alternative herausgestellt. Auf Grund der chemischen Eigenschaften und der gesetzlichen Bestimmungen in vielen Staaten wird üblicherweise der Ammoniak nicht als reines Ammoniak vorgehalten, da dies insbesondere bei Kraftfahrzeugen oder anderen mobilen Anwendungen zu Problemen führen kann. Vielmehr werden statt einer Bevorratung der Reduktionsmittel selbst oftmals Reduktionsmittelvorläufer gespeichert und mitgeführt. Unter einem Reduktionsmittelvorläufer wird insbesondere ein Stoff verstanden, welcher das Reduktionsmittel abspaltet oder chemisch in das Reduktionsmittel umgewandelt werden kann. Beispielsweise stellt für das Reduktionsmittel Ammoniak Harnstoff einen Reduktionsmittelvorläufer dar.
  • Die wässrige Ammoniaklösung, der Harnstoff, wird in einem Tank mitgeführt und mittels einer geeigneten Fördervorrichtung in genau dosierten Mengen in die Abgasleitung gefördert. Die Fördervorrichtung weist hierzu regelmäßig unter anderem eine Pumpe zur Förderung des Fluids auf, einen oder mehrere Filter zur Reinigung des Fluids, gegebenenfalls Heizvorrichtungen zum Auftauen des Fluids und eine Steuervorrichtung zur Verarbeitung von internen und externen Daten und zur Ansteuerung der Pumpe, der Heizvorrichtungen und weiterer steuerbarer Komponenten, wie beispielsweise dem Injektor.
  • Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die Dauerhaltbarkeit des Injektors nicht mehr in ausreichendem Maße gegeben ist, da dieser durch erhöhte Injektionsfrequenzen und den zunehmenden Bedarf an Reduktionsmittel zur Abgasnachbehandlung zunehmenden Belastungen ausgesetzt ist.
  • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Fördervorrichtung und eines Injektors zu schaffen, welches es erlaubt die korrekte und notwendige Menge an Reduktionsmittel in die Abgasleitung zuzuführen und gleichzeitig die Belastung des Injektors zu reduzieren, um eine längere Dauerhaltbarkeit zu erzeugen.
  • Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fördervorrichtung für eine wässrige Harnstofflösung in einem Kraftfahrzeug, mit einer Pumpe zur Förderung der wässrigen Harnstofflösung, wobei die wässrige Harnstofflösung von einem Tank hin zu einem Injektor entlang einer Druckleitung gefördert wird, wobei der Injektor an einer Abgasleitung angeordnet ist und zur Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung in die Abgasleitung ausgebildet ist, wobei die Fördergeschwindigkeit der Pumpe abhängig von den Öffnungsvorgängen und Schließvorgängen des Injektors und/oder den daraus entstehenden Druckverhältnissen in der Förderstrecke zwischen der Pumpe und dem Injektor gesteuert wird.
  • Um die Dauerhaltbarkeit des Injektors zu erhöhen ist es zu bevorzugen, wenn die Öffnungsfrequenz reduziert wird. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Öffnungsfrequenz bei ungefähr einem bis vier Hertz liegt. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass die Öffnungsdauer der Injektoren entsprechend länger sein muss, um trotzdem das gleiche oder sogar ein höheres Volumen zu fördern. Daraus resultiert ein Druckabfall innerhalb der Druckleitung. Die Fördervorrichtung weist grundsätzlich einen Druckregler auf, der nach dem Prinzip eines PID Reglers funktioniert. In einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung würde ein solcher Druckabfall innerhalb der Druckleitung durch den PID Regler ausgeglichen. Regler dieser Art weisen jedoch eine Trägheit auf, wodurch es nicht möglich ist den entstehenden Druckabfall schnell genug und genau genug auszugleichen. Es kommt daher bei Verwendung des PID Regler zu einem Überkompensieren des Druckabfalls und zu einem sogenannten Überschwingen. Auf diese Weise können Druckpulsationen innerhalb der Druckleitung erzeugt werden, welche einerseits das Fördern der korrekten benötigten Fördermenge erschweren, und andererseits zu einer Beschädigung der Pumpenstufe führen können. Daher versucht das erfindungsgemäße Verfahren eine Kompensation des Druckabfalls zu ermöglichen, ohne dabei schädliche Druckpulsationen entstehen zu lassen.
  • Bevorzugt wird die Pumpe somit nicht ausschließlich durch das Regeln mittels eines Reglers manipuliert, welcher Messwerte aufnimmt, auswertet und entsprechende Signale an die Pumpe sendet. Insbesondere können bei Verwendung eines PID-Reglers die I-Anteile und die D-Anteile des Reglers bei Kenntnis der Öffnungszeitpunkte optimal angepasst werden, um die entstehende Instabilität, also die Schwankungen, im System möglichst gering zu halten. Die Pumpe, beziehungsweise die Drehgeschwindigkeit der Pumpe, wird zusätzlich durch einen Vorgabewert verändert, welcher abhängig von dem verwendeten System, beispielsweise der Länge der Druckleitung, dem verwendeten Injektor oder der Steifigkeit der Druckleitung ist. Das Zusammenwirken der beiden Arten die Drehgeschwindigkeit der Pumpe zu beeinflussen, einerseits durch den Regler, beziehungsweise das Anpassen der Regelanteile, und andererseits durch den Vorgabewert in Abhängigkeit vom Öffnen/Schließen des Injektors oder den Druck erlauben es sehr stabile Druckverhältnisse im System zu erzeugen und die Druckschwankungen zu reduzieren.
  • Der Vorgabewert zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit kann ein einzelner Wert sein. Alternativ kann er durch eine Wertkurve gebildet sein oder aus einem Kennfeld, welches eine Werteschar für unterschiedliche Betriebszustände aufweist.
  • Dies hat den Vorteil, dass die Pumpengeschwindigkeit dynamischer angepasst werden kann, da die Totzeit aufgrund der Regelstrecke des Reglers entfällt und weiterhin das Überschwingen des Drucks, welches beim Schließen des Injektors entsteht, und das Unterschwingen des Drucks, welches beim Öffnend es Injektors entsteht, verringert werden kann.
  • Die Öffnungsvorgänge beziehungsweise die Öffnungszeitpunkte können beispielsweise im Steuergerät des Injektors in einem Kennfeld abgelegt sein, wodurch diese bekannt sind. Die Druckverhältnisse in der Druckleitung können beispielsweise über einen Sensor erfasst werden.
  • Bevorzugt fördert die Pumpe fortwährend das Fluid aus dem Tank in die Druckleitung. Dies geschieht auch, wenn der Injektor geschlossen ist. Durch das Fördern bei geschlossenem Injektor wird der Systemdruck insbesondere in der Druckleitung direkt vor dem Injektor aufrecht gehalten. Durch einen vorsehbaren Bypasskreislauf wird das Fluid, sofern der Injektor geschlossen bleibt, und somit nicht in die Abgasleitung eingespritzt wird, wieder zurück in den Tank gefördert. Somit wird durch eine vorgewählte Drehgeschwindigkeit der Pumpe ein konstanter Systemdruck aufrecht gehalten. Im Betrieb wird die Pumpe ständig mit dieser vorgewählten Drehgeschwindigkeit betrieben. Die Druckschwankungen durch das Öffnen und Schließen des Injektors werden durch das erfindungsgemäße Anpassen der Drehgeschwindigkeit der Pumpe ausgeglichen beziehungsweise minimiert.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Drehgeschwindigkeit der Pumpe und damit die Fördermenge pro Zeiteinheit an die Öffnungsvorgänge des Injektors gekoppelt ist. Vorteilhaft ist das Koppeln an den Öffnungsvorgang, da durch den Öffnungsvorgang die Druckschwankung, insbesondere der Druckabfall, in der Druckleitung verursacht wird.
  • Es wird im Wesentlichen die Drehgeschwindigkeit der Pumpe und damit die Fördermenge je Zeiteinheit mit den Öffnungs- und Schließvorgängen des Injektors synchronisiert. Bei einem aktiven Öffnungsvorgang wird beispielsweise die Drehgeschwindigkeit erhöht, um den Druck in der Druckleitung temporär zu erhöhen. Auf diese Weise wird der durch das Öffnen entstehende Druckabfall ausgeglichen, wodurch insbesondere auch sichergestellt werden kann, dass die zur Abgasnachbehandlung benötigte Fördermenge in der verfügbaren Öffnungszeit des Injektors auch bereitgestellt werden kann.
  • Grundsätzlich kann die Drehgeschwindigkeit der Pumpe während eines Öffnungsintervalls des Injektors auch erhöht werden, um unabhängig von möglichen Druckschwankungen die richtige Fördermenge zu fördern. Sofern das System beispielsweise nach einem Kaltstart aus einem Ruhezustand gestartet wird, in welchem die Pumpe stillstand, folgt eine Druckaufbauphase, in welcher Fluid aus dem Tank in die Druckleitung gefördert wird, um einen vorgegebenen Systemdruck aufzubauen. Das Erreichen dieses Systemdrucks ist die Grundvoraussetzung, dass mit der Dosierung des Fluids über den Injektor in die Abgasleitung hinein begonnen werden kann. Auch ist es denkbar, dass die Pumpe vor dem Öffnen des Injektors in einem Idle-Betrieb ist und mit einer Drehzahl betrieben wird, die zur Aufrechterhaltung eines gewissen Mindestdrucks in der Druckleitung ausreicht, nicht jedoch zur Bereitstellung der benötigten Fördermenge.
  • Erfindungsgemäß wird die Drehgeschwindigkeit der Pumpe ausgehend von dem regulären Niveau, welches in einem nicht erfindungsgemäßen System ausreichen würde, um die korrekte Fördermenge zu fördern, zusätzlich erhöht, um weiterhin noch den durch das Öffnen des Injektors entstehenden Druckabfall auszugleichen.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn kurz vor dem Öffnen des Injektors, zeitgleich während dem Öffnen des Injektors oder kurz nach dem Öffnen des Injektors die Drehgeschwindigkeit der Pumpe erhöht wird. Die Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Pumpe kann mit einem zeitlichen Vorlauf vor dem eigentlichen Öffnungsvorgang des Injektors erfolgen, wenn der Öffnungszeitpunkt bekannt ist. Alternativ kann die Erhöhung zeitgleich mit der Öffnung des Injektors erfolgen oder sogar mit einem zeitlichen Versatz nach der Öffnung.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau innerhalb der Druckleitung von der Fördereinrichtung zum Injektor erfasst wird, wobei abhängig von der Erfassung eines Druckabfalls die Drehgeschwindigkeit der Pumpe erhöht wird. Das Druckniveau in der Druckleitung ist ein direkter Indikator, der einen Rückschluss auf den Öffnungszustand des Injektors zulässt. Unmittelbar beim beziehungsweise nach dem Öffnen des Injektors ist ein Druckabfall zu verzeichnen. Sobald ein solcher Druckabfall erkannt wird, kann durch eine Erhöhung der Drehgeschwindigkeit diesem Druckabfall entgegengewirkt werden.
  • Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Strom, mit welchem der Injektor zum Zwecke der Öffnung bestromt wird, erfasst wird, wobei abhängig von der Stärke des am Injektor anliegenden Stroms die Drehgeschwindigkeit der Pumpe erhöht wird.
  • Werte des Stroms von einem Ampere sind ein sicheres Zeichen für einen vollständig geöffneten Injektor. Durch das Ansteigen des Stroms etwa von dem Ausgangniveau von Null Ampere kann der Beginn des Öffnungsvorgangs genau erfasst werden.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Drehgeschwindigkeit der Pumpe während der Zeit, in der der Injektor geöffnet ist, unabhängig von dem zur Abgasnachbehandlung benötigten Fördervolumen ist. Dies drückt sich dadurch aus, dass erfindungsgemäß die Drehgeschwindigkeit der Pumpe auf ein Niveau oberhalb der Drehgeschwindigkeit der Pumpe erhöht wird, welches zur Förderung des benötigen Volumens notwendig wäre. Die Drehgeschwindigkeit der Pumpe bei geöffnetem Injektor ist am sogenannten statischen Injektordurchfluss orientiert, welcher eine durch die Hardware, also den Aufbau, des Injektors bestimmte Größe und für den jeweils verwendeten Injektor bekannt ist. Die Drehgeschwindigkeit der Pumpe wird somit auf einem Niveau gehalten, welches ausreicht den statischen Injektordurchfluss zu fördern. Der statische Injektordurchfluss entspricht dem Durchfluss durch den Injektor, wenn dieser vollständig geöffnet nicht.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Drehgeschwindigkeit der Pumpe, welche erhöht ist, während der Injektor geöffnet ist, wieder reduziert wird, sobald ein Schließvorgang des Injektors erkannt wird, kurz nach dem der Injektor geschlossen ist oder mit einem definierten zeitlichen Versatz zum Schließvorgang des Injektors.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn eine Mehrzahl von Injektoren vorgesehen ist, wobei der von der Pumpe geförderte Volumenstrom während einer Öffnung eines Injektors oder mehrerer Injektoren für jeden der jeweils geöffneten Injektoren um einen zu dem jeweiligen Injektor spezifischen Volumenstrom erhöht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für Vorrichtungen mit zwei Injektoren nutzbar. Die Erhöhung der Drehgeschwindigkeit zum Ausgleich des Druckabfalls wird dabei entsprechend derart ausgelegt, dass der Druckabfall in beiden Druckleitungen und jeweils passend zum Öffnungsvorgang des jeweiligen Injektors kompensiert wird.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere ein konstantes Druckniveau innerhalb der Druckleitung bei gleichzeitiger Schonung der Injektoren durch eine niedrigere Öffnungsfrequenz. Durch den konstanten Druck beziehungsweise die geringeren Druckschwankungen wird sichergestellt, dass der Sprühkegel des Injektors konstant ist und jederzeit der ursprünglichen Auslegung entspricht. Durch einen Druckabfall würde der vom Injektor erzeugte Sprühkegel innerhalb der Abgasleitung nicht korrekt ausgebildet werden, wodurch die Umwandlung der wässrigen Harnstofflösung und somit auch die Abgasnachbehandlung insgesamt verschlechtert werden würde.
  • Darüber hinaus wird die Dosierungsgenauigkeit der Fördervorrichtung verbessert, da keine großen Druckschwankungen in der Druckleitung beziehungsweise an der Pumpe entstehen. Weiterhin wird durch das Erhöhen der Drehgeschwindigkeit durch einen Vorgabewert anstatt eines aktiven Regelgliedes eine schnellere Anpassung der Drehgeschwindigkeit erreicht.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt:
    • 1 ein Schaubild, welches den jeweils durch die Fördervorrichtung geförderten Volumenstrom unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt,
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die 1 zeigt ein Schaubild, welches im unteren Teil 1 den Zustand des Injektors angibt. Mit dem Zustand „0“ ist der geschlossene Injektor bezeichnet, mit dem Zustand „1“ ist der geöffnete Injektor bezeichnet. Entlang der X-Achse ist die Zeit abgetragen und es sind mehrere Öffnungsvorgänge und Schließvorgänge dargestellt.
  • Darüber ist ein Diagramm 2 gezeigt, welches auf der X-Achse ebenfalls die Zeit darstellt, wobei entlang der Y-Achse der Volumenstrom der wässrigen Harnstofflösung der durch die Pumpe gefördert wird abgetragen ist. Der Volumenstrom setzt sich aus verschiedenen Teilvolumenströmen 3, 4 zusammen, die teilweise konstant über die Zeit bleiben.
  • Der oberste Anteil 5 des Volumenstrom zeigt den Volumenstrom, der sich abhängig von dem Öffnungszustand des Injektors zusätzlich durch die Pumpe gefördert wird. Der Anteil, welcher zum Zeitpunkt der Öffnung des Injektors (Zustand des Injektors wechselt von „0“ auf „1“) zusätzlich durch die Erhöhung der Pumpengeschwindigkeit gefördert wird, ist durch das Bezugszeichen 6 gekennzeichnet. Dieser Anteil 6 ist über den zeitlichen Verlauf nicht konstant, sondern wird zeitlich begrenzt entsprechend dem Öffnen und dem Schließen des Injektors erhöht.
  • Der Volumenstrom bestehend aus den Teilvolumenströmen 3, 4 und der Anteil des Volumenstroms 5 beim geschlossenen Injektor entspricht dem normalerweise benötigten Volumenstrom, um die benötigte Menge an wässriger Harnstofflösung zu fördern. Der mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnete Anteil entspricht dem Volumenstrom, der durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Pumpe zusätzlich gefördert wird.
  • Durch den Injektor wird letztlich die jeweils benötigte Menge an wässriger Harnstofflösung in die Abgasleitung beziehungsweise den Abgastrakt eingespritzt, durch die temporäre Erhöhung des Volumenstroms durch die Pumpe wird im Wesentlichen nur der Druckschwankung in der Druckleitung entgegengewirkt.
  • Die 1 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Fördervorrichtung für eine wässrige Harnstofflösung in einem Kraftfahrzeug, mit einer Pumpe zur Förderung der wässrigen Harnstofflösung, wobei die wässrige Harnstofflösung von einem Tank hin zu einem Injektor entlang einer Druckleitung gefördert wird, wobei der Injektor an einer Abgasleitung angeordnet ist und zur Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung in die Abgasleitung ausgebildet ist, wobei die Fördergeschwindigkeit der Pumpe abhängig von den Öffnungsvorgängen und Schließvorgängen des Injektors und/oder den daraus entstehenden Druckverhältnissen in der Förderstrecke zwischen der Pumpe und dem Injektor gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Pumpe und damit die Fördermenge pro Zeiteinheit an die Öffnungsvorgänge des Injektors gekoppelt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass kurz vor dem Öffnen des Injektors, zeitgleich während dem Öffnen des Injektors oder kurz nach dem Öffnen des Injektors die Drehgeschwindigkeit der Pumpe erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau innerhalb der Druckleitung von der Fördereinrichtung zum Injektor erfasst wird, wobei abhängig von der Erfassung eines Druckabfalls die Drehgeschwindigkeit der Pumpe erhöht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, mit welchem der Injektor zum Zwecke der Öffnung bestromt wird, erfasst wird, wobei abhängig von der Stärke des am Injektor anliegenden Stroms die Drehgeschwindigkeit der Pumpe erhöht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Pumpe während der Zeit, in der der Injektor geöffnet ist, unabhängig von dem zur Abgasnachbehandlung benötigten Fördervolumen ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Pumpe, welche erhöht ist, während der Injektor geöffnet ist, wieder reduziert wird, sobald ein Schließvorgang des Injektors erkannt wird, kurz nach dem der Injektor geschlossen ist oder mit einem definierten zeitlichen Versatz zum Schließvorgang des Injektors.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Injektoren vorgesehen ist, wobei der von der Pumpe geförderte Volumenstrom während einer Öffnung eines Injektors oder mehrerer Injektoren für jeden der jeweils geöffneten Injektoren um einen zu dem jeweiligen Injektor spezifischen Volumenstrom erhöht wird.
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