DE112011104606T5

DE112011104606T5 - Abgasreinigungssystem und Verfahren zum Steuern eines Abgasreinigungssystems

Info

Publication number: DE112011104606T5
Application number: DE112011104606T
Authority: DE
Inventors: Fumiyasu Kurogi; Masanori Watanabe; Takeshi Miyamoto
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-10-24
Also published as: WO2012090801A1; US20130269321A1; CN103261601B; CN103261601A; JP5087188B2; JPWO2012090801A1; US9255511B2

Abstract

Aufgabe: Es soll ein Abgasreinigungssystem bereitgestellt werden, das Verstopfungen eines Reduktionsmitteleinspritzventils, die durch die Verfestigung wässriger Karbamidlösung verursacht werden, ach dem Start rasch beseitigt und verhindert, dass die Abgasreinigungseffizienz beim Start der Brennkraftmaschine reduziert wird. Mittel zum Lösen der Aufgabe: Ein Abgasreinigungssystem, das einen DPF, ein Reduktionsmitteleinspritzventil und einen SCR-Katalysator in der aufgeführten Reihenfolge von der Abgasstromaufwärtsseite aus betrachtet aufweist, weist einen Betriebszustandserkennungsabschnitt, der den Start und den Stillstand der Brennkraftmaschine erkennen kann, einen Zwangsregenerationssteuerabschnitt, der eine Zwangsregeneration des DPF durchführt, einen Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt, der für den Fall, dass der Betriebszustandserkennungsabschnitt den Stillstand der Brennkraftmaschine erkennt, beurteilt, ob die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung besteht, einen Datenspeicherabschnitt, der das Beurteilungsergebnis des Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitts in der Form von Daten speichert, und einen Verstopfungsbeseitigungssteuerabschnitt, der beim Start der Brennkraftmaschine anhand der Daten ein Temperaturerhöhungsmittel zum Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils steuert, um die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils zu erhöhen, auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem und ein Verfahren zum Steuern eines Abgasreinigungssystems. Insbesondere betrifft sie ein Abgasreinigungssystem und ein Verfahren zum Steuern eines Abgasreinigungssystems, mit denen die Verstopfung eines Reduktionsmitteleinspritzventils aufgrund von verfestigter wässriger Karbamidlösung beseitigt werden kann.
Allgemeiner Stand der Technik
Üblicherweise sind im Abgas einer Brennkraftmaschine, die in einem Fahrzeug angeordnet ist, Stickoxid (im Folgenden kurz „NOx”) und Partikelmaterial (im Folgenden kurz „PM”) enthalten. Als Vorrichtung zum Reinigen des Abgases mittels Reduzierung des NOx existiert ein Karbamid-SCR-System. Das Karbamid-SCR-System ist derart aufgebaut, dass es eine Reduktionsmittelzuführvorrichtung, wobei eine wässrige Karbamidlösung, die als Reduktionsmittel dient, von einer Druckförderpumpe aus einem Speichertank gepumpt und von einem Reduktionsmitteleinspritzventil in das Abgasrohr geleitet wird, und einen SCR-Katalysator aufweist, bei dem es sich um einen Abgasreinigungskatalyator handelt, der Ammoniak adsorbieren kann. Bei dem Karbamid-SCR-System wird Ammoniak, das durch die Aufspaltung der wässrigen Karbamidlösung erzeugt wird, vom SCR-Katalysator adsorbiert, und das NOx im Abgas wird im SCR-Katalysator mit dem Ammoniak umgesetzt, wodurch das Abgas gereinigt wird.
Als Vorrichtung zum Auffangen des PM zur Reinigung des Abgases existiert ein Dieselpartikelfilter (im Folgenden kurz „DPF”). Der DPF ist am Abgasrohr der Brennkraftmaschine angeordnet und fängt das PM im Abgas auf, wenn dieses den DPF durchströmt. Bei einem Abgasreinigungssystem mit DPF wird in geeigneten Zeitabständen eine Zwangsregeneration durchgeführt, indem die Temperatur des DPF auf 500°C bis 600°C angehoben wird, wodurch das im DPF angesammelte PM verbrannt wird, um ein Verstopfen des DPF zu verhindern. Da in jüngerer Zeit die Abgasreinigungsstandards angehoben wurden, sind mehr und mehr Abgasreinigungssysteme sowohl mit einem DPF als auch mit einem SCR-Katalysator ausgestattet.
Karbamid-SCR-Systeme sind jedoch allgemein derart aufgebaut, dass beim Stillstand der Brennkraftmaschine wässrige Karbamidlösung, die in der Reduktionsmittelzuführleitung zurückgeblieben ist, zurückgeleitet wird (siehe beispielsweise die japanische Patentoffenlegungsschrift 2009-215891 ). Auf diese Weise kann verhindert werden, dass wässrige Karbamidlösung, die in der Reduktionsmittelzuführleitung zurückgeblieben ist, gefriert und die Reduktionsmittelzuführleitung verstopft.
Dokumente des Stands der Technik
Patentschriften

Patentschrift 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift 2009-215891

Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Bei dem Abgasreinigungssystem der japanischen Patentoffenlegungsschrift 2009-215891 allerdings liegt das Problem vor, dass die wässrige Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil nach dem Stillstand der Brennkraftmaschine erwärmt und anschließend wieder abgekühlt wird, so dass sich die wässrige Karbamidlösung verfestigt, weshalb die Zuführung der wässrigen Karbamidlösung beim Start der Brennkraftmaschine behindert wird, so dass die Abgasreinigungsleistung abnimmt.
Genauer ausgedrückt wird bei Stillstand der Brennkraftmaschine zwar eine Spülverarbeitung durchgeführt, wobei die wässrige Karbamidlösung aus der Reduktionsmittelzuführvorrichtung zurück in den Speichertank geleitet wird, doch die Konstruktion der Reduktionsmittelkanäle, die den Speichertank und das Reduktionsmitteleinspritzventil usw. verbinden, kann bewirken, dass die wässrige Karbamidlösung in der Reduktionsmittelzuführvorrichtung nicht vollständig an den Speichertank zurückgeleitet wird.
Da bei Stillstand der Brennkraftmaschine aber die Zirkulation von Kühlwasser, das zur Wärmeableitung des Reduktionsmitteleinspritzventils dient, ebenfalls zum Stillstand kommt, steigt die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils an. Der Wasseranteil der wässrigen Karbamidlösung, die noch im Reduktionsmitteleinspritzventil zurückgeblieben ist, verflüchtigt sich, so dass ihre Konzentration zunimmt. Wenn anschließend die Temperatur des Abgasrohres und der Umgebung sinkt, sinkt auch die Temperatur der wässrigen Karbamidlösung, und da ihre Konzentration höher als gewöhnlich ist, steigt auch ihre Verfestigungstemperatur an, so dass sich die wässrige Karbamidlösung verfestigt, so dass es zu einer Verstopfung des Reduktionsmitteleinspritzventils kommen kann.
Die Konzentration der wässrigen Karbamidlösung ist normalerweise auf 32,5% geregelt; in diesem Fall liegt die Verfestigungstemperatur der wässrigen Karbamidlösung bei etwa –11°C. Wenn die Konzentration den genannten Wert überschreitet, nimmt tendenziell auch die Verfestigungstemperatur der wässrigen Karbamidlösung zu (siehe 10). Die im Reduktionsmitteleinspritzventil zurückgebliebene wässrige Karbamidlösung, deren Wasseranteil sich aufgrund der hohen Temperatur verflüchtigt hat und deren Konzentration zugenommen hat, kann sich bei sinkender Temperatur leicht verfestigen, was dazu führen kann, dass die Spritzaktivität des Reduktionsmitteleinspritzventils beim Starten der Brennkraftmaschine behindert wird.
Angesichts der genannten Probleme haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass sich diese lösen lassen, indem ermittelt wird, ob die Gefahr besteht, dass einmal erwärmte wässrige Karbamidlösung sich beim Abkühlen verfestigt, und für den Fall, dass diese Gefahr besteht, beim nächsten Start die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils erhöht wird, und haben auf diese Weise die vorliegende Erfindung getätigt.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasreinigungssystem und ein Verfahren zum Steuern eines Abgasreinigungssystems bereitzustellen, wobei eine Verstopfung des Reduktionsmitteleinspritzventils aufgrund von verfestigter wässriger Karbamidlösung bereits früh nach dem Start beseitigt werden und damit eine Reduzierung der Abgasreinigungsleistung verhindert werden kann. Mittel zum Lösen der Aufgabe
Um die genannten Probleme lösen zu können, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Abgasreinigungssystem, das einen DPF zum Auffangen von Abgaspartikeln, ein Reduktionsmitteleinspritzventil zum Einspritzen einer wässrigen Karbamidlösung, die als Reduktionsmittel dient, in das Abgas, und ein SCR-Katalysator zum Entfernen von NOx aus dem Abgas mithilfe der wässrigen Karbamidlösung in der aufgeführten Reihenfolge von der Abgasstromaufwärtsseite aus betrachtet aufweist, bereitgestellt, gekennzeichnet durch einen Betriebszustandserkennungsabschnitt, der erkennen kann, ob die Brennkraftmaschine gestartet wird oder angehalten wird, einen Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt, der für den Fall, dass der Betriebszustandserkennungsabschnitt den Stillstand der Brennkraftmaschine erkennt, beurteilt, ob die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung besteht, einen Datenspeicherabschnitt, der das Beurteilungsergebnis des Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitts in der Form von Daten speichert, und einen Verstopfungsbeseitigungssteuerabschnitt, der beim Start der Brennkraftmaschine anhand der Daten ein Temperaturerhöhungsmittel zum Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils steuert, um die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils zu erhöhen.
Auf diese Weise wird beim Anhalten der Brennkraftmaschine eine Beurteilung dessen, ob sich nach dem Anhalten wässrige Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil verfestigen kann, in Form von Daten gespeichert, und falls diese Gefahr besteht, wird beim nächsten Start das Temperaturerhöhungsmittel angesteuert, um die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils zu erhöhen, wodurch die Temperatur der im Reduktionsmitteleinspritzventil verfestigten wässrigen Karbamidlösung erhöht wird, so dass sich diese rasch verflüssigen kann.
Daher können Verstopfungen des Reduktionsmitteleinspritzventils bereits früh nach dem Start beseitigt werden, wodurch eine Reduzierung der Abgasreinigungsleistung verhindert werden kann.
Hinsichtlich des Aufbaus der vorliegenden Erfindung beurteilt das Bedingungserfüllungsbeurteilungsmittel vorzugsweise dann, dass die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung besteht, wenn während des Zeitraums zwischen dem Start und dem Ende der Zwangsregeneration des DPF oder während eines bestimmten Zeitraums nach dem Ende dieses Zeitraums ein Stillstand der Brennkraftmaschine erkannt wird.
Da während der Zwangsregeneration des DPF oder in einem bestimmten Zeitraum danach das Reduktionsmitteleinspritzventil stromabwärts vom DPF einer hohen Temperatur ausgesetzt ist und nach dem Anhalten der Brennkraftmaschine die Kühlfunktion derselben nicht effektiv ist, so dass die Konzentration der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil ansteigt, kann somit geurteilt werden, dass die Wahrscheinlichkeit einer Verfestigung hoch ist.
Hinsichtlich des Aufbaus der vorliegenden Erfindung wird für den Fall, dass das Bedingungserfüllungsbeurteilungsmittel einen Stillstand der Brennkraftmaschine erkennt, das Vorliegen der Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung vorzugsweise auf Grundlage von wenigstens einem von der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils, dem Temperaturgradienten und der Außentemperatur beurteilt.
Ob sich die wässrige Karbamidlösung nach dem Stillstand der Brennkraftmaschine verfestigt, hängt von ihrer Temperatur ab, und indem die Beurteilung auf Grundlage von wenigstens einem von der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils, dem Temperaturgradienten und der Außentemperatur erfolgt, kann präzise erfasst werden, ob die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung vorliegt.
Hinsichtlich des Aufbaus der vorliegenden Erfindung handelt es sich beim Temperaturerhöhungsmittel vorzugsweise um das Zwangsregenerationsmittel des DPF.
Wenn das Zwangsregenerationsmittel des DPF auf diese Weise verwendet wird, ist es nicht erforderlich, ein gesondertes Temperaturerhöhungsmittel vorzusehen.
Hinsichtlich des Aufbaus der vorliegenden Erfindung handelt es sich beim Temperaturerhöhungsmittel vorzugsweise um ein Mittel, das einen Brenner verwendet.
Wenn ein Mittel, das einen Brenner verwendet, als Temperaturerhöhungsmittel benutzt wird, kann durch Aktivieren des Brenners das stromabwärts davon angeordnete Reduktionsmitteleinspritzventil erwärmt werden, so dass Verstopfungen durch das Reduktionsmittel rasch beseitigt werden können.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Abgasreinigungssystems, das einen DPF zum Auffangen von Abgaspartikeln, ein Reduktionsmitteleinspritzventil zum Einspritzen einer wässrigen Karbamidlösung, die als Reduktionsmittel dient, in das Abgas, und ein SCR-Katalysator zum Entfernen von NOx aus dem Abgas mithilfe der wässrigen Karbamidlösung in der aufgeführten Reihenfolge von der Abgasstromaufwärtsseite aus betrachtet aufweist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Wenn der Stillstand der Brennkraftmaschine erkannt wird, Beurteilen, ob die Gefahr des Verfestigens der wässrigen Karbamidlösung besteht, und Speichern des Beurteilungsergebnisses in Form von Daten, und für den Fall, dass Daten gespeichert werden, die als Beurteilungsergebnis anzeigen, dass beim Start der Brennkraftmaschine die Gefahr des Verfestigens der wässrigen Karbamidlösung besteht, Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils durch Steuern eines Temperaturerhöhungsmittels zum Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils.
Auf diese Weise wird beim Anhalten der Brennkraftmaschine eine Beurteilung dessen, ob sich nach dem Anhalten wässrige Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil verfestigen kann, in Form von Daten gespeichert, und falls die Gefahr des Verfestigens besteht, wird beim nächsten Start das Temperaturerhöhungsmittel angesteuert, um die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils zu erhöhen, wodurch die Temperatur der im Reduktionsmitteleinspritzventil verfestigten wässrigen Karbamidlösung erhöht wird, so dass sich diese rasch verflüssigen kann.
Daher können Verstopfungen des Reduktionsmitteleinspritzventils bereits früh beseitigt werden, wodurch eine Reduzierung der Abgasreinigungsleistung verhindert werden kann.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Gesamtansicht, die ein Konfigurierungsbeispiel eines Abgasreinigungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurierungsbeispiel einer Steuervorrichtung des Abgasreinigungssystems zeigt.
3 ist ein Zeitdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Abgasreinigungssystems veranschaulicht.
4 ist ein Zeitdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Abgasreinigungssystems veranschaulicht.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Abgasreinigungssystems veranschaulicht.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Abgasreinigungssystems veranschaulicht.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Abgasreinigungssystems veranschaulicht.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Abgasreinigungssystems veranschaulicht.
9 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Steuern des Abgasreinigungssystems veranschaulicht.
10 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Konzentration und der Verfestigungstemperatur TO der wässrigen Karbamidlösung zeigt.
11 ist ein Zeitdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Abgasreinigungssystems des Stands der Technik veranschaulicht.
Ausführungsform der Erfindung
Im Folgenden soll eine Ausführungsform eines Abgasreinigungssystems und eines Verfahrens zum Steuern des Abgasreinigungssystems der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben werden.
Allerdings zeigt die folgende Ausführungsform lediglich einen Aspekt der vorliegenden Erfindung und schränkt die Erfindung nicht ein, sondern kann innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung nach Belieben modifiziert werden.
In den einzelnen Figuren sind gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen; auf ihre neuerliche Beschreibung wird verzichtet.
1. Abgasreinigungssystem
(1) Gesamtaufbau
1 zeigt den Gesamtaufbau eines Abgasreinigungssystems 10 (im Folgenden auch kurz „System”) gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das System 10 weist als Hauptelemente eine Abgasreinigugnseinheit 20 mit einem DPF 22 und einem SCR-Katalysator 24, eine Reduktionsmittelzuführvorrichtung 40 mit einem Reduktionsmitteleinspritzventil 43 und eine Steuervorrichtung 60 zum Steuern der Zwangsregeneration des DPF 22 und des Betriebs der Reduktionsmittelzuführvorrichtung 40 auf.
Das System 10 ist als eine Vorrichtung aufgebaut, wobei PM im Abgas vom DPF 22 aufgefangen wird und mithilfe einer wässrigen Karbamidlösung als Reduktionsmittel das NOx im Abgas vom SCR-Katalysator 24 gezielt entfernt wird.
(2) Abgasreinigungseinheit
Die Abgasreinigungseinheit 20 weist einen Oxidationskatalysator 21, den DPF 22 und den SCR-Katalysator 24 in der genannten Reihenfolge von der Stromaufwärtsseite des Abgases aus betrachtet auf.
Unter den Aufbauelementen der Abgasreinigungseinheit 20 oxidiert der Oxidationskatalysator 21 nicht verbrannten Kraftstoff im Abgasrohr 11, der diesem durch Nacheinspritzung in der Brennkraftmaschine 5 usw. zugeführt wurde, und erzeugt dabei Oxidationswärme. Auf diese Weise kann die Temperatur des in den DPF 22 strömenden Abgases gesteigert werden, so dass dieses den DPF 22 erwärmt. Als Oxidationskatalysator 21 kann beispielsweise ein bekannter Katalysator benutzt werden, wobei auf Aluminiumoxid getragenem Platin eine bestimmte Menge eines Seltenerdmetalls wie etwa Cer zugesetzt wird.
Der DPF 22 fängt PM im Abgas auf, wenn dieses durch den DPF 22 tritt. In dem System aus 1 ist der DPF 22 auf der abgasstromaufwärtigen Seite des SCR-Katalysators 24 angeordnet, weshalb keine Gefahr besteht, dass PM am SCR-Katalysator 24 anhaftet. Als DPF 22 kann ein bekannter Filter wie etwa ein Filter aus einem Keramikmaterial mit Wabenstruktur benutzt werden.
Der SCR-Katalysator 24 adsorbiert Ammoniak, das durch Aufspaltung der wässrigen Karbamidlösung entsteht, die von dem Reduktionsmitteleinspritzventil 43 in das Abgas eingespritzt wird, und reduziert das NOx im einströmenden Abgas. Als SCR-Katalysator kann beispielsweise ein Reduktionskatalysator des Zeolithtyps benutzt werden, der eine Adsorptionsfunktion für Ammoniak aufweist und NOx gezielt reduzieren kann.
Die oben beschriebene Abgasreinigungseinheit 20 weist vor und nach dem DPF 22 jeweils einen Drucksensor 51, 52 auf und weist vor und nach dem SCR-Katalysator 24 jeweils einen Temperatursensor 53, 54 auf. Außerdem weist sie auf der abgasstromabwärtigen Seite des SCR-Katalysators 24 einen NOx-Sensor 55 auf. Außerdem ist in der Umgebung der Abgasreinigungseinheit ein Außentemperatursensor angeordnet, der die Außentemperatur misst.
Die Messwerte der Sensoren werden an die Steuervorrichtung 60 geleitet, so dass Druck, Temperatur und NOx-Konzentration an den entsprechenden Stellen gemessen werden.
Sofern die Werte auch durch Berechnen ermittelt werden können, kann auf die Sensoren verzichtet werden.
Außerdem weist die oben beschriebene Abgasreinigungseinheit 20 ein Verbindungsrohr 12 auf, das von einem ersten Krümmungsabschnitt 23a des Abgasrohres 11 abzweigt und zum Befestigen des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 dient. Über das Verbindungsrohr 12 spritzt das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 in einer Richtung, die im Wesentlichen mit der Strömungsrichtung des Abgases übereinstimmt, eine wässrige Karbamidlösung ein.
Im Vergleich zum direkten Befestigen des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 am Abgasrohr 11 wird auf diese Weise die Wärme vom Abgasrohr 11 bzw. vom Abgas usw. weniger leicht auf das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 übertragen.
(3) Zwangsregenerationsmittel
Das System 10 der vorliegenden Ausführungsform weist ein Zwangsregenerationsmittel auf, das eine erzwungene Regeneration des DPF 22 durchführt. Es dient dazu, im DPF 22 angesammeltes PM zu verbrennen, indem die Temperatur des DPF 22 auf 500°C bis 600°C angehoben wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Zwangsregenerationsmittel aus einem Kraftstoffeinspritzventil (nicht dargestellt) zum Zuführen von unverbranntem Kraftstoff in das Abgasrohr 11 durch Nacheinspritzung in der Brennkraftmaschine 5 usw., einem Steuerungsabschnitt der Steuervorrichtung 60 zum Vorgeben der Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils und dem Oxidationskatalysator 21 aufgebaut, der den unverbrannten Kraftstoff oxidiert und dabei Oxidationswärme erzeugt.
Hinsichtlich des Zwangsregenerationsmittel liegt keine besondere Einschränkung vor, solange es die Temperatur des Abgases auf 500°C bis 600°C anheben kann. Es kann beispielsweise auch als Zwangsregenerationsmittel aufgebaut sein, das anstelle der Nacheinspritzung eine Vorrichtung benutzt, die dem Oxidationskatalysator 21 unverbrannten Kraftstoff zuführt. Außerdem kann eine Erwärmungsvorrichtung wie etwa ein Brenner oder ein Heizdraht usw. vorgesehen sein, um den DPF 22 direkt zu erwärmen.
(4) Reduktionsmittelzuführvorrichtung
Die Reduktionsmittelzuführvorrichtung 40 weist einen Speichertank 41 zum Speichern der wässrigen Karbamidlösung, eine Druckförderpumpe 42 und das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 als Hauptelemente auf.
Dabei sind der Speichertank 41 und die Druckförderpumpe 42 über eine erste Zuführleitung 44 miteinander verbunden, und die Druckförderpumpe 42 und das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 sind über eine zweite Zuführleitung 45 miteinander verbunden. An der zweiten Zuführleitung 45 ist der Drucksensor 56 angeordnet, dessen Messwerte an die Steuervorrichtung 60 geleitet werden, wodurch der Druck im Inneren der zweiten Zuführleitung 45 gemessen wird.
Außerdem sind die zweite Zuführleitung 45 und der Speichertank 41 über eine dritte Zuführleitung 46 verbunden, wodurch überschüssige wässrige Karbamidlösung, die der zweiten Zuführleitung 45 zugeführt wurde, zurück in den Speichertank 41 gelangen kann.
Die Reduktionsmittelzuführvorrichtung 40 weist ein Rückleitungsventil 47 auf, das den Fließweg der wässrigen Karbamidlösung von der Richtung vom Speichertank 41 hin zum Reduktionsmitteleinspritzventil 43 umschalten kann auf die umgekehrte Richtung fort vom Reduktionsmitteleinspritzventil 43 und hin zum Speichertank 41.
Das bedeutet, dass bei dem System 10 der vorliegenden Ausführungsform beim Stillstand der Brennkraftmaschine 5 wässrige Karbamidlösung, die sich in der Reduktionsmittelzuführvorrichtung 40 angesammelt hat, zurück in den Speichertank 41 geleitet werden kann.
Unter den Hauptelementen der Reduktionsmittelzuführvorrichtung 40 fördert die Druckförderpumpe 42 die wässrige Karbamidlösung mit Druck aus dem Speichertank 41 zum Reduktionsmitteleinspritzventil 43 derart, dass der Druck in der zweiten Zuführleitung 45 auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Als Druckförderpumpe 42 wird repräsentativ eine Pumpe mit elektrischem Antrieb benutzt.
Wenn das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 durch ein Steuersignal, das von der Steuerungsvorrichtung 60 ausgegeben wird, geöffnet wird, spritzt das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 die wässrige Karbamidlösung in das Abgasrohr 11 ein. Als Reduktionsmitteleinspritzventil 43 kann beispielsweise ein Ein-Aus-Ventil benutzt werden, dessen Öffnungszustand durch Betriebsregelung aktiviert und deaktiviert wird.
Die elektronischen Bauteile und die Kunststoffbauteile eines solchen Reduktionsmitteleinspritzventils 43 sind vergleichsweise wärmeempfindlich, und ihre Wärmebeständigkeit T_lim liegt bei etwa 140°C bis 150°C, während die Abgastemperatur im normalen Betrieb bei etwa 200°C bis 300°C liegt.
Deshalb weist die Reduktionsmittelzuführvorrichtung 40 eine Kühlwasserleitung 35, der am Gehäuse des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 angeordnet ist, Kühlwasserzirkulationsleitungen 33, 34, die vom Kühlwasserleitung 33 der Brennkraftmaschine 5 abzweigen und mit der Kühlwasserleitung 35 in Verbindung stehen, und Durchflussregelungsventile 31, 32 auf, die die Durchflussmenge des in den Kühlwasserzirkulationsleitungen 33, 34 strömenden Kühlwassers anpassen.
Auf diese Weise kann Kühlwasser der Brennkraftmaschine 5 in der Kühlwasserleitung 46 des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 zirkulieren, wodurch die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 bei etwa 70°C bis 80°C gehalten und eine Beschädigung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 durch Wärme verhindert werden kann.
Da im Zuge des Einspritzens von Reduktionsmittel durch das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 wässrige Karbamidlösung im Speichertank 41, deren Temperatur relativ niedrig ist, mit Druck zum Reduktionsmitteleinspritzventil 43 befördert wird, kann die Wärmeableitung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 auch durch Wärmeübertragung an die wässrige Karbamidlösung unterstützt werden.
Die Zirkulation von Motorkühlwasser und die Ableitung der Wärme des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 durch Wärmeübertragung an die wässrige Karbamidlösung werden vor allem während des Betriebs der Brennkraftmaschine 5 erzielt.
Der Grund dafür ist, dass das Motorkühlwasser nur während des Betriebs der Brennkraftmaschine 5 zirkuliert, ebenso wie die wässrige Karbamidlösung nur dann zum Reduktionsmitteleinspritzventil 43 geleitet wird.
(5) Temperaturerhöhungsmittel
Daher weist das System 10 der vorliegenden Ausführungsform ein Temperaturerhöhungsmittel zum Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 auf.
Der Grund dafür ist, dass die wässrige Karbamidlösung, die im Inneren des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 erwärmt wird und sich in der anschließenden Kühlungsphase verfestigt hat, durch Erwärmen verflüssigt wird, wodurch eine Verstopfung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 beseitigt wird.
Als ein solches Temperaturerhöhungsmittel kann als ein Beispiel das vorhandene Zwangsregenerationsmittel des DPF 22 genutzt werden.
Das Temperaturerhöhungsmittel ist nicht auf die vorstehenden Angaben beschränkt, und es kann auch ein Brenner oder ein Heizdraht usw. vorgesehen sein, der die wässrige Karbamidlösung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 erwärmen kann und zusammen mit dem Steuerungsabschnitt der Steuervorrichtung 60 zum Steuern der Kraftstoffzuführmenge an den Brenner oder der Stromzufuhrmenge an den Heizdraht als Temperaturerhöhungsmittel benutzt wird.
Indem die Durchflussmenge des Kühlwassers in der Kühlwasserleitung 35, die am Gehäuse des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 angeordnet ist, durch Steuern des Kühlwasserdurchflussregelungsventils 32 in Schließrichtung gesenkt wird, kann die Temperaturerhöhung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 weiter unterstützt werden.
Sofern möglich, kann also zusammen mit der Steuerung des genannten Temperaturerhöhungsmittels durch Steuern des Kühlwasserdurchflussregelungsventils 32 in Schließrichtung die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 gesteigert werden, so dass die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 rasch den Sollwert T_tgt erreichen kann.
2. Steuervorrichtung
(1) Gesamtaufbau
Als nächstes soll unter Bezugnahme auf 2 eine detaillierte Beschreibung der Steuervorrichtung 60 des Systems 10 der vorliegenden Ausführungsform erfolgen, das grob in einen Betriebszustandserkennungsabschnitt 61, einen Temperaturerkennungsabschnitt 62, einen Zwangsgenerationssteuerabschnitt 63, einen Bedinungserfüllungsbeurteilungsabschnitt 64, einen Datenspeicherabschnitt 65 und einen Verstopfungsbeseitigungsabschnitt 66 aufgegliedert ist. Die einzelnen Abschnitte werden konkret durch ein Programm mittels eines Mikrocomputers realisiert.
2 zeigt somit ein Konfigurierungsbeispiel, wobei die steuerungsrelevanten Teile der Steuervorrichtung 60 des Systems 10 zum Beseitigen von Verstopfungen des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 aufgrund von verfestigter wässriger Karbamidlösung anhand von Funktionsblöcken dargestellt sind.
Die Steuervorrichtung 60 ist derart aufgebaut, dass sie Messsignale von verschiedenen Sensoren, angefangen mit den verschiedenen Drucksensoren und Temperatursensoren über einen Drehzahlsensor zum Erkennen der Motordrehzahl Ne, einen Geschwindigkeitssensor zum Erkennen der Fahrzeuggeschwindigkeit V, einem Beschleunigungssensor zum Erkennen der Gaspedalbetätigungsmenge Acc bis hin zu einem Bremssensor zum Erkennen einer Bremsmenge Brk, einlesen kann. Die Steuervorrichtung 60 ist mit einem RAM (Random Access Memory, Schreiblesespeicher) (nicht dargestellt) zum Speichern der Berechnungs- und Erkennungsergebnisse der einzelnen Komponenten ausgestattet.
Die Steuervorrichtung 60 steuert während des Betriebs der Brennkraftmaschine 5 die Betätigung der Druckförderpumpe 42 derart, dass ein bestimmter Druck in der zweiten Zuführleitung 45 beibehalten wird, und steuert außerdem die Betätigung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 anhand der Motordrehzahl Ne und des Messwerts des NOx-Sensors 55, der abgasstromabwärts vom SCR-Katalysator angeordnet ist.
Außerdem führt die Steuervorrichtung 60 eine Spülverarbeitung durch, wenn die Brennkraftmaschine 5 angehalten wird. Genauer ausgedrückt gibt sie ein Signal an das Rückleitungsventil 47 aus, das die Fließrichtung der wässrigen Karbamidlösung in umgekehrte Richtung umschaltet, und gibt ein Signal an die Druckförderpumpe 42 und das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 aus, das das Ventil des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 schließt und die Druckförderpumpe 42 betätigt.
Die Steuervorrichtung 60 ist derart aufgebaut, dass die für das System 10 der vorliegenden Ausführungsform notwendigen Funktionen auch nach dem Anhalten der Brennkraftmaschine 5 ausführbar sind.
(2) Betriebszustandserkennungsabschnitt
Der Betriebszustandserkennungsabschnitt 61 ist derart aufgebaut, dass er den Start und den Stillstand der Brennkraftmaschine 5 erkennen kann. Die Erkennung von Start und Stillstand der Brennkraftmaschine 5 ist anhand dessen möglich, ob die Motordrehzahl 0 ist oder nicht, sowie anhand von Daten dazu, ob der Zündschalter ein- oder ausgeschaltet ist.
(3) Temperaturerkennungsabschnitt
Der Temperaturerkennungsabschnitt 62 dient zum Erkennen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils Tudv, die aber, falls sie nicht direkt messbar ist, auch indirekt anhand der Stromabwärtstemperatur Tdpf des in der Nähe angeordneten DPF 22 ermittelt werden kann.
(4) Zwangsregenerationssteuerabschnitt
Der Zwangsregenerationssteuerabschnitt 63 bestimmt anhand einer Druckdifferenz, die von den Sensoren 51, 52 vor und nach dem DPF 22 ermittelt wird, eine geschätzte PM-Ansammlungsmenge V_pm. Wenn die geschätzte PM-Ansammlungsmenge V_pm einen bestimmten Schwellenwert V_pm0 überschreitet, wird geurteilt, dass eine Zwangsgeneration des DPF 22 notwendig ist, und es wird ein Signal zum Ausführen der Zwangsgeneration an das Zwangsgenerationsmittel gesendet.
Wenn aber die geschätzte PM-Ansammlungsmenge V_pm auf eine bestimmte Menge gesunken ist, hört der Zwangsgenerationssteuerabschnitt 63 auf, das Signal zum Ausführen der Zwangsgeneration an das Zwangsgenerationsmittel zu senden.
(5) Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt
Der Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt 64 beurteilt bei Stillstand der Brennkraftmaschine 5, ob die Gefahr besteht, dass sich die wässrige Karbamidlösung im Inneren des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 später verfestigt.
Da beim Stillstand der Brennkraftmaschine 5 auch die Zirkulation des Kühlwassers der Brennkraftmaschine 5 anhält, kann keine effektive Wärmeableitung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 erreicht werden, so dass die Temperatur der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 ansteigt und die Verflüchtigung ihres Wasseranteils zunimmt. Dadurch steigt die Konzentration der wässrigen Karbamidlösung an, und gleichzeitig erhöht sich auch die Verfestigungstemperatur der wässrigen Karbamidlösung. Wenn für den Kühlungsprozess nach dem Stillstand der Brennkraftmaschine 5 geschätzt wird, dass die Temperatur der wässrigen Karbamidlösung unter deren Verfestigungstemperatur T₀ liegt, so wird geurteilt, dass sich die wässrige Karbamidlösung verfestigt.
Als ein konkrete Beurteilungsbedingung kann die Bedingung genutzt werden, ob die Brennkraftmaschine 5 während der Zwangsregeneration des DPF 22 oder innerhalb eines bestimmten Zeitraums nach der Zwangsregeneration angehalten wurde oder nicht.
Dadurch, dass nämlich auf der Seite abgasstromabwärts vom DPF 22 durch die Zwangsregenerationswärme oder die Restwärme nach der Regeneration eine extrem hohe Temperatur herrscht, steigt die Konzentration der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 an, und die Verfestigungstemperatur T₀ erhöht sich, so dass daraus gefolgert werden kann, dass die Gefahr besteht, dass sich die wässrige Karbamidlösung im anschließenden Kühlungsprozess verfestigt.
Konkret wird beurteilt, ob der Betriebszustandserkennungsabschnitt 61 zwischen dem Zeitpunkt, an dem vom Zwangsgenerationssteuerabschnitt 63 ein Signal empfangen wird, das den Beginn der Zwangsgeneration anzeigt, und dem Zeitpunkt, an dem ein Signal empfangen wird, das den Abschluss der Zwangsgeneration anzeigt, oder innerhalb eines bestimmten Zeitraums nach dem Empfang eines Signals, das den Abschluss der Zwangsgeneration anzeigt, den Stillstand der Brennkraftmaschine 5 erkannt hat.
Bei dem bestimmten Zeitraum handelt es sich um einen Zeitraum, in dem sich die hohe Temperatur durch die Restwärme der Zwangsregeneration auf das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 auswirkt, und er wird vorzugsweise durch Versuchsergebnisse für den jeweiligen Motor bestimmt, da er je nach Entfernung zwischen DPF 22 und Reduktionsmitteleinspritzventil 43, Wärmevolumen des Abgasrohres usw. unterschiedlich ist. Das heißt, an einem jeweiligen Motor werden Versuche durchgeführt, wobei die Zeit ab dem Ende der Zwangsgeneration bis zum Stillstand der Brennkraftmaschine 5 jeweils verändert wird, woraufhin der bestimmte Zeitraum festgelegt werden kann, indem für die jeweiligen Fälle geprüft wird, ob es zu einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 kommt.
Als weitere Beurteilungsbedingung kann anhand einer Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv nach Abschluss der Zwangsregeneration, einem Temperaturgradienten δT_udv oder der Außentemperatur T_out beurteilt werden, ob die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung besteht. Wenn die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv hoch ist, beschleunigt dies die Verflüchtigung des Wasseranteils der wässrigen Karbamidlösung, so dass ihre Konzentration zunimmt, wodurch auch ihre Verfestigungstemperatur ansteigt, so dass die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass sich die wässrige Karbamidlösung nach dem Kühlen verfestigt. Wenn der Temperaturgradient δT_udv des Reduktionsmitteleinspritzventils hoch ist oder die Außentemperatur T_out hoch ist, nimmt die Wahrscheinlichkeit der Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung ebenfalls zu, weshalb auf dieser Grundlage oder durch geeignete Kombination mit der Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv eine Beurteilung möglich ist. Als Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv kann dabei die Temperatur zum betreffenden Zeitpunkt benutzt werden, oder eine Temperatur, mit deren anschließendem Erreichen gerechnet wird.
Außerdem kann die in 3 gezeigte maximal erreichte Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udvmax benutzt werden.
In Versuchen an einem jeweiligen Motor können die Bedingungen für die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv, den Temperaturgradienten δT_udv und die Außentemperatur T_out auf unterschiedliche Weise geändert werden, und je nachdem, ob sich die wässrige Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 verfestigt oder nicht, kann ein konkreter Zahlenwert festgelegt werden. Wenn übrigens die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv etwa 100°C überschreitet, nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass sich die wässrige Karbamidlösung bei der anschließenden Kühlung verfestigt.
(6) Datenspeicherabschnitt
Der Datenspeicherabschnitt 65 speichert für den Fall, dass der Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt 64 beurteilt, dass beim Stillstand der Brennkraftmaschine 5 die Gefahr besteht, dass sich die wässrige Karbamidlösung im Inneren des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 verfestigt, das Beurteilungsergebnis in Form von Daten. Wenn beispielsweise geurteilt wird, dass die Gefahr der Verfestigung besteht, wird ein Bedinungserfüllungs-Flag auf 1 gesetzt, während es im umgekehrten Fall auf 0 gesetzt wird. Wenn der Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt 64 die Verfestigungstemperatur T₀ der wässrigen Karbamidlösung geschätzt hat, wird vorzugsweise auch diese Verfestigungstemperatur T₀ in Form von Daten gespeichert.
Wenn durch den später beschriebenen Verstopfungsbeseitigungsabschnitt 66 das Temperaturerhöhungsmittel betätigt wird, kann anhand der Verfestigungstemperatur T₀ eine Solltemperatur T_tgt festgelegt werden, so dass es möglich ist, eine angemessene Steuerung durchzuführen, um die Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung möglichst schnell zu beseitigen. In der vorliegenden Ausführungsform werden diese Daten in einem RAM gespeichert, der in der Steuervorrichtung 60 vorgesehen ist.
(7) Verstopfungsbeseitigungsabschnitt
Der Verstopfungsbeseitigungsabschnitt 66 gibt beim Stillstand der Brennkraftmaschine 5 für den Fall, dass das Bedingungserfüllungs-Flag 1 ist, ein Signal zum Betätigen des Temperaturerhöhungsmittels aus, um die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv bis zur Solltemperatur T_tgt zu erhöhen, bei der die Verfestigung beseitigt wird.
Als ein Beispiel kann der Verstopfungsbeseitigungsabschnitt 66 derart aufgebaut sein, dass er das Temperaturerhöhungsmittel betätigt, die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv einliest, das Temperaturerhöhungsmittel derart steuert, dass die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv die Sollwerttemperatur T_tgt erreicht, und diesen Zustand unter Berücksichtigung der Zeit bis zum Lösen der verfestigten wässrigen Karbamidlösung aufrechterhält.
Es ist auch möglich, die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv nicht einzulesen und keine Einstellung der Sollwerttemperatur T_tgt vorzunehmen und stattdessen nur das Temperaturerhöhungsmittel für eine bestimmte Zeit zu betätigen. In diesem Fall kann die bestimmte Zeit anhand von Versuchen an einem jeweiligen Motor unter Berücksichtigung der Wärmebeständigkeitstemperatur T_lim usw. festgelegt werden.
Wenn dabei die Verfestigungstemperatur T₀ der wässrigen Karbamidlösung im Datenspeicherabschnitt 65 gespeichert ist, ist die Solltemperatur T_tgt vorzugsweise derart, dass sie innerhalb eines Bereichs liegt, in dem sie die Wärmebeständigkeitstemperatur T_lim des Reduktionsmitteleinspritzventils nicht übersteigt und dabei etwas höher als die Verfestigungstemperatur T₀ ist. Wenn die Verfestigungstemperatur T₀ nicht im Datenspeicherabschnitt 65 gespeichert ist, wird als Solltemperatur T_tgt eine geeignete Temperatur ausgewählt, die nicht über der Wärmebeständigkeitstemperatur T_lim liegt.
3. Steuerungsverfahren
Im Folgenden soll ein konkretes Beispiel eines Steuerungsverfahrens beschrieben werden, das unter Verwendung des Zeitdiagramms und des Ablaufdiagramms, die im Folgenden dargestellt sind, von der vorliegenden Steuervorrichtung ausführbar ist.
3 ist ein Zeitdiagramm, das die Veränderung der Abgastemperatur stromabwärts vom DPF T_dpf, der Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv und der Verfestigungstemperatur T₀ der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 bei Stillstand der Brennkraftmaschine 5 während der Zwangsregeneration des DPF 22 zeigt.
4 ist ein Zeitdiagramm, das die Veränderung der Abgastemperatur stromabwärts vom DPF T_dpf, der Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv und der Verfestigungstemperatur T₀ der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 nach dem Verfestigen der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil zeigt.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm der Rechenverarbeitung in der Steuervorrichtung 60 bei Stillstand der Brennkraftmaschine 5, und 6 zeigt ein Ablaufdiagramm der Rechenverarbeitung in der Steuervorrichtung 60 beim Start der Brennkraftmaschine 5.
Zunächst steigt bei t1 in 3 die Abgastemperatur stromabwärts vom DPF T_dpf zu Beginn der Zwangsregeneration des DPF 22 aufgrund der Regenerationswärme der Zwangsregeneration an. Die Abgastemperatur stromabwärts vom DPF T_dpf beträgt normalerweise, wenn keine Zwangsregeneration durchgeführt wird, etwa 200 bis 300°C und erreicht etwa 500 bis 600°C, wenn die Zwangsregeneration gestartet wird.
Damit steigt auch die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv an, doch da während des Betriebs der Brennkraftmaschine 5 Motorkühlwasser in der Kühlwasserleitung 35 des Gehäuses des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 zirkuliert und die wässrige Karbamidlösung aus dem Speichertank 41 bei relativ niedriger Temperatur mit Druck an das Reduktionsmitteleinspritzventil 43 befördert wird, steigt die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv nicht über einen bestimmten Wert an, und da zudem frische wässrige Karbamidlösung zugeführt wird, nimmt auch die Konzentration nicht zu, so dass sich die Verfestigungstemperatur der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 nicht verändert.
In Schritt S1 erkennt die Steuervorrichtung 60 den Stillstand der Brennkraftmaschine 5 und geht zu Schritt S2 über, bei dem beurteilt wird, ob die Verfestigungsbedingung erfüllt wird. Das heißt, es wird beurteilt, ob im Verlauf der Kühlung nach Stillstand der Brennkraftmaschine 5 die Gefahr des Verfestigens der wässrigen Karbamidlösung besteht.
Ein konkretes Beispiel für das Beurteilungsverfahren soll an späterer Stelle anhand von 7 und 8 beschrieben werden. Wenn geurteilt wird, dass die Gefahr vorliegt, erfolgt ein Übergang zu Schritt S3, und das Bedingungserfüllungs-Flag wird auf 1 gesetzt, womit die vorliegende Routine endet. Wenn geurteilt wird, dass keine Gefahr des Verfestigens der wässrigen Karbamidlösung vorliegt, erfolgt ein Übergang zu Schritt S4, und das Bedingungserfüllungs-Flag wird auf 0 gesetzt, womit die vorliegende Routine endet.
Zurückkehrend zu 3 soll nun das Beurteilungsverfahren für die Erfüllung der Verfestigungsbedingung detailliert beschrieben werden. In 3 ist die Schätzung der jeweiligen Temperaturveränderungen nach einem Zeitpunkt t2, an dem die Brennkraftmaschine 5 angehalten wurde, durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Die Stromabwärtstemperatur T_dpf des DPF 22 sinkt allmählich ab, und da die Zirkulation des Kühlwassers der Brennkraftmaschine 5 zum Stillstand gekommen ist, nimmt auch die Wirksamkeit der Wärmeableitungsfähigkeit des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 ab. Während die Stromabwärtstemperatur T_dpf des DPF 22 hoch ist, steigt die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv an, und da keine frische wässrige Karbamidlösung zugeführt wird, nimmt die Konzentration der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 zu, so dass angenommen wird, dass auch die Verfestigungstemperatur T₀ der wässrigen Karbamidlösung ansteigt.
Wenn im Verlauf der Kühlung angenommen wird, dass die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv unter die Verfestigungstemperatur T₀ sinkt, wird geurteilt, dass die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 vorliegt. In 3 unterschreitet die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv die Verfestigungstemperatur T₀ zu einem Zeitpunkt t3, und es wird bestimmt, dass die Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 beginnt.
7 ist ein Ablaufdiagramm während des Stillstands der Brennkraftmaschine 5, das das konkrete Beispiel zur Beurteilung der Erfüllung der Verfestigungsbedingung enthält.
Wenn die Steuervorrichtung 60 in Schritt S21 erkennt, dass die Brennkraftmaschine 5 angehalten wird, erfolgt ein Übergang zu Schritt S22, und es wird beurteilt, ob gerade eine Zwangsregeneration des DPF 22 stattfindet oder der bestimmte Zeitraum nach der Zwangsregeneration vorliegt. Wenn eine Zwangsregeneration des DPF 22 stattfindet oder der bestimmte Zeitraum nach der Zwangsregeneration vorliegt, erfolgt ein Übergang zu Schritt S23, und das Bedingungserfüllungs-Flag wird auf 1 gesetzt, und die vorliegende Routine endet. Wenn weder eine Zwangsregeneration des DPF 22 stattfindet noch der bestimmte Zeitraum nach der Zwangsregeneration vorliegt, erfolgt ein Übergang zu Schritt S24, und das Bedingungserfüllungs-Flag wird auf 1 gesetzt, und die vorliegende Routine endet.
8 ist ein anderes Ablaufdiagramm als das aus 7 während des Stillstands der Brennkraftmaschine 5, das das konkrete Beispiel zur Beurteilung der Erfüllung der Verfestigungsbedingung enthält.
Wenn die Steuervorrichtung 60 in Schritt S31 erkennt, dass die Brennkraftmaschine 5 angehalten wird, erfolgt ein Übergang zu Schritt S32, und es wird beurteilt, ob die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv höher als ein Schwellenwert T_s ist. Wenn geurteilt wird, dass die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv höher als der Schwellenwert T_s ist, erfolgt ein Übergang zu Schritt S33, und das Bedingungserfüllungs-Flag wird auf 1 gesetzt, womit die vorliegende Routine endet. Wenn geurteilt wird, dass die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv niedriger als der Schwellenwert T_s ist, erfolgt ein Übergang zu Schritt S34, und das Bedingungserfüllungs-Flag wird auf 0 gesetzt, womit die vorliegende Routine endet.
Als Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv kann die Temperatur zum betreffenden Zeitpunkt benutzt werden, oder eine Temperatur, mit deren anschließendem Erreichen gerechnet wird. Außerdem kann die in 3 gezeigte maximal erreichte Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udvmax benutzt werden.
Der Schwellenwert T_s liegt dabei ungefähr bei 100°C.
Als nächstes soll unter Bezugnahme auf 4, 6 und 9 der Fall des anschließenden Starts der Brennkraftmaschine 5 beschrieben werden. In Schritt S11 erkennt die Steuervorrichtung 60, dass die Brennkraftmaschine 5 gestartet wird, und beurteilt in Schritt S12, ob das Bedingungserfüllungs-Flag auf 1 gesetzt ist. Wenn das Bedingungserfüllungs-Flag auf 1 gesetzt ist, erfolgt ein Übergang zu Schritt S13, und die Temperaturerhöhungssteuerung wird ausgeführt. Wenn dagegen das Bedingungserfüllungs-Flag auf 0 gesetzt ist, ist die Bedingung nicht erfüllt, und die vorliegende Routine endet.
9 zeigt ein konkretes Beispiel des Steuerungsverfahrens der Temperaturerhöhungssteuerung von Schritt S13 aus 6. Zunächst wird in Schritt S41 das Temperaturerhöhungsmittel betätigt, woraufhin ein Übergang zu Schritt S42 erfolgt, in dem beurteilt wird, ob die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv über dem Sollwert T_tgt liegt. Wenn geurteilt wird, dass die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv den Sollwert T_tgt nicht erreicht, erfolgt ein Übergang zu Schritt S43, und die Betätigung des Temperaturerhöhungsmittels wird fortgesetzt, woraufhin wieder eine Rückkehr zu Schritt S42 erfolgt. Wenn dagegen geurteilt wird, dass die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv den Sollwert T_tgt erreicht, erfolgt ein Übergang zu Schritt S44, und das Temperaturerhöhungsmittel wird angehalten, woraufhin ein Übergang zu Schritt S45 erfolgt, wo beurteilt wird, ob die bestimmte Zeit abgelaufen ist. Wenn die bestimmte Zeit nicht abgelaufen ist, erfolgt eine Rückkehr zu Schritt S42. Wenn dagegen die bestimmte Zeit abgelaufen ist, endet die vorliegende Routine. Wenn dabei die Verfestigungstemperatur T₀ der wässrigen Karbamidlösung in der Form von Daten gespeichert ist, ist die Solltemperatur T_tgt vorzugsweise derart, dass sie innerhalb eines Bereichs liegt, in dem sie die Wärmebeständigkeitstemperatur T_lim des Reduktionsmitteleinspritzventils nicht übersteigt und dabei etwas höher als die Verfestigungstemperatur T₀ ist. Wenn die Verfestigungstemperatur T₀ nicht in der Form von Daten gespeichert ist, wird als Solltemperatur T_tgt eine geeignete Temperatur ausgewählt, die nicht über der Wärmebeständigkeitstemperatur T_lim liegt.
Nun soll anhand von 4 die Veränderung der Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv beim Start für den Fall beschrieben werden, dass die Beurteilungsbedingung erfüllt wird. Wenn die Brennkraftmaschine 5 zum Zeitpunkt t4 gestartet wird, wird das Temperaturerhöhungsmittel betätigt, da die Beurteilungsbedingung erfüllt wird. Auf diese Weise steigt die Temperatur abgasstromabwärts vom DPF an, ebenso wie die Reduktionsmitteleinspritzventiltemperatur T_udv. Wenn die Temperatur der wässrigen Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 die Verfestigungstemperatur überschreitet, beginnt die wässrige Karbamidlösung, sich zu verflüssigen. Anschließend, zu einem Zeitpunkt t5, hat sich die wässrige Karbamidlösung vollständig verflüssigt, womit die Verstopfung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 beseitigt ist und die wässrige Karbamidlösung wieder wie vorgesehen vom Reduktionsmitteleinspritzventil 43 eingespritzt werden kann. Nach dem Ablauf der bestimmten Zeit zu einem Zeitpunkt t6 wird die Betätigung des Temperaturerhöhungsmittels angehalten.
Wenn sich die verfestigte wässrige Karbamidlösung verflüssigt, erreicht frische wässrige Karbamidlösung das Reduktionsmitteleinspritzventil 43, weshalb ihre Konzentration rasch wieder zur normalen Konzentration zurückkehrt.
Ein Vergleich mit 11, die den Stand der Technik zeigt, verdeutlicht, dass durch die vorliegende Erfindung möglich ist, die verfestigte wässrige Karbamidlösung schnell zu verflüssigen, die Verstopfungsdauer zu verkürzen und die Verstopfung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 nach dem Start rasch zu beseitigen.
Durch das Abgasreinigungssystem und das Steuerverfahren für das Abgasreinigungssystem der vorliegenden Ausführungsform wird beim Start der Brennkraftmaschine 5 beurteilt, ob die Gefahr einer Verfestigung von Resten wässriger Karbamidlösung im Reduktionsmitteleinspritzventil 43 vorliegt, und falls dies der Fall ist, wird das Temperaturerhöhungsmittel angesteuert, um die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 zu erhöhen, so dass die Verstopfung des Reduktionsmitteleinspritzventils 43 nach dem Start rasch beseitigt werden kann. Es kann also eine Reduzierung der Abgasreinigungseffizienz verhindert werden, auch wenn also die Gefahr der Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung besteht.
Bezugszeichenliste

5: Brennkraftmaschine
10: Abgasreinigungssystem (System)
11: Abgasrohr
12: Verbindungsrohr
20: Abgasreinigungseinheit
20a, 20b: Flanschabschnitt
21: Oxidationskatalysator
22: Dieselpartikelfilter (DPF)
23a, 23b: Krümmungsabschnitt
24: SCR-Katalysator
31, 32: Kühlwasserzirkulationsventil
33, 34: Kühlwasserzirkulationsleitung
40: Reduktionsmittelzuführvorrichtung
41: Speichertank
42: Druckförderpumpe
43: Reduktionsmitteleinspritzventil
44: erste Zuführleitung
45: zweite Zuführleitung
46: dritte Zuführleitung
51, 52: Drucksensor
53, 54: Temperatursensor
55: NOx-Sensor
56: Drucksensor
60: Steuervorrichtung
61: Betriebszustandserkennungsabschnitt
62: Temperaturerkennungsabschnitt
63: Zwangsregenerationssteuerabschnitt
64: Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt
65: Datenspeicherabschnitt
66: Verstopfungsbeseitigungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-215891 [0004, 0005, 0006]

Claims

Abgasreinigungssystem, das einen DPF zum Auffangen von Abgaspartikeln, ein Reduktionsmitteleinspritzventil zum Einspritzen einer wässrigen Karbamidlösung, die als Reduktionsmittel dient, in das Abgas, und ein SCR-Katalysator zum Entfernen von NOx aus dem Abgas mithilfe der wässrigen Karbamidlösung in der aufgeführten Reihenfolge von der Abgasstromaufwärtsseite aus betrachtet aufweist, gekennzeichnet durch einen Betriebszustandserkennungsabschnitt, der erkennen kann, ob die Brennkraftmaschine gestartet wird oder angehalten wird, einen Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt, der für den Fall, dass der Betriebszustandserkennungsabschnitt den Stillstand der Brennkraftmaschine erkennt, beurteilt, ob die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung besteht, einen Datenspeicherabschnitt, der das Beurteilungsergebnis des Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitts in der Form von Daten speichert, und einen Verstopfungsbeseitigungssteuerabschnitt, der beim Start der Brennkraftmaschine anhand der Daten ein Temperaturerhöhungsmittel zum Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils steuert, um die Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils zu erhöhen.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Bedingungserfüllungsbeurteilungsabschnitt ab dem Beginn der Zwangsregeneration des DPF bis zu ihrem Ende oder innerhalb eines bestimmten Zeitraums nach ihrem Ende einen Stillstand der Brennkraftmaschine erkennt, geurteilt wird, dass die Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung vorliegt.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass das Bedingungserfüllungsbeurteilungsmittel einen Stillstand der Brennkraftmaschine erkennt, das Vorliegen der Gefahr einer Verfestigung der wässrigen Karbamidlösung auf Grundlage von wenigstens einem von der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils, dem Temperaturgradienten und der Außentemperatur beurteilt wird.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturerhöhungsmittel ein DPF-Zwangsregenerationsmittel ist.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturerhöhungsmittel ein Mittel ist, das einen Brenner verwendet.
Verfahren zum Steuern eines Abgasreinigungssystems, das einen DPF zum Auffangen von Abgaspartikeln, ein Reduktionsmitteleinspritzventil zum Einspritzen einer wässrigen Karbamidlösung, die als Reduktionsmittel dient, in das Abgas, und ein SCR-Katalysator zum Entfernen von NOx aus dem Abgas mithilfe der wässrigen Karbamidlösung in der aufgeführten Reihenfolge von der Abgasstromaufwärtsseite aus betrachtet aufweist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: wenn der Stillstand der Brennkraftmaschine erkannt wird, Beurteilen, ob die Gefahr des Verfestigens der wässrigen Karbamidlösung besteht, und Speichern des Beurteilungsergebnisses in Form von Daten, und für den Fall, dass Daten gespeichert werden, die als Beurteilungsergebnis anzeigen, dass beim Start der Brennkraftmaschine die Gefahr des Verfestigens der wässrigen Karbamidlösung besteht, Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils durch Steuern eines Temperaturerhöhungsmittels zum Erhöhen der Temperatur des Reduktionsmitteleinspritzventils.