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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstbefüllung eines Fördersystems für eine Reaktionsmittellösung eines SCR-Katalysators.
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Stand der Technik
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Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reaktionsmittel werden NH3 oder NH3-abspaltene Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (AdBlue®) verwendet, die stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrang in bedarfsabhängiger Weise eingedüst wird.
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Zur Eindüsung des flüssigen Reaktionsmittels sind hydraulische Förder- und Dosiersysteme bekannt, die im Allgemeinen zumindest eine Förderpumpe und eine Dosiereinheit, insbesondere ein oder mehrere elektrisch ansteuerbare Dosierventile, umfassen. Das Reaktionsmittel wird über eine hydraulische Versorgungsleitung (Druckleitung) in bedarfsabhängiger Weise in den Abgasstrang eingesprüht. Dem Fördersystem ist ein Tank für die flüssige Reaktionsmittellösung zugeordnet. Die Reaktionsmittellösung wird aus dem Tank über eine in der Regel beheizbare Filtereinheit abgesaugt, wobei ein Filter erforderlich ist, um Verunreinigungen aus dem Pumpensystem fern zu halten. Im Fördersystem und insbesondere in der Versorgungsleitung wird mittels der Förderpumpe ein Systemdruck aufgebaut und das Reaktionsmittel wird über das oder die Dosierventil(e) in den Abgasstrang eingespritzt.
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Bei der Erstmontage von derartig auszustattenden Kraftfahrzeugen werden zunächst die Fördereinheiten (Fördersystem) an die Tanks montiert. Die Tanks wiederum werden üblicherweise an den Fahrzeugunterboden des Kraftfahrzeuges montiert. Bis zu diesem Zeitpunkt sind die Tanks unbefüllt, um ein Ausschwappen der Reaktionsmittellösung zu verhindern und um die Montage an den Kraftfahrzeugen zu erleichtern.
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Im Allgemeinen erfolgt am Ende der Kraftfahrzeugfertigung, beispielsweise am Ende eines Montagebandes, eine Befüllung der Tanks mit der flüssigen Reaktionsmittellösung. In einem anschließenden Schritt wird über eine geeignete Systeminitialisierung das SCR-System angewiesen, die Reaktionsmittellösung anzusaugen und sich somit zu fluten, wodurch das hydraulische System initial befüllt wird. Da sich im Pumpensystem zunächst Luft befindet und die Pumpe nur eine verhältnismäßig geringe Saugleistung aufbringen kann, dauert es verhältnismäßig lange, im Allgemeinen mehrere Minuten, bis das System initial befüllt ist. Dies liegt unter Anderem daran, dass die Reaktionsmittellösung auch den bis dahin trockenen Filter der Ansaugstelle durchdringen muss. Üblicherweise wird für die Erstbefüllung eine applizierbare Zeit abgewartet. Während dieser Erstbefüllungszeit pumpt die Pumpe und befüllt das System. Da es sich bei dem Fördersystem um eine abgasrelevante Komponente handelt, muss mit einer gewissen Sicherheit gearbeitet werden, sodass die Befüllzeit mit einer gewissen Sicherheitsspanne zu wählen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein vorteilhaftes Verfahren für eine Erstbefüllung eines Fördersystems für die Reaktionsmittellösung eines SCR-Katalysators bereit. Das Fördersystem umfasst wenigstens eine Förderpumpe und gegebenenfalls einen Drucksensor, der stromabwärts der Förderpumpe angeordnet ist, der also hydraulisch hinter der Pumpe sitzt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus wenigstens einer Betriebskenngröße des Fördersystems auf einen Befüllzustand des Fördersystems rückgeschlossen. Wenn diese Maßnahme ergibt, dass eine Befüllung bzw. eine ausreichende Befeuchtung des Fördersystems vorliegt, wird der Befüllvorgang erfindungsgemäß beendet, wobei vorab gegebenenfalls noch weitere Überprüfungen stattfinden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass der Vorgang der Erstbefüllung tatsächlich nur solange ausgeführt werden muss, bis die Befüllung des Fördersystems abgeschlossen ist. Auf eine zeitliche Sicherheitsspanne während des Erstbefüllungsvorganges kann verzichtet werden. Sobald die Befüllung tatsächlich erfolgt ist, wird der Befüllvorgang beendet. Eine verlängerte Taktzeit beispielsweise am Bandende eines Fahrzeugherstellers, die eine zeitliche Sicherheitsspanne bei dem Befüllvorgang berücksichtigt, ist bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr erforderlich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher die Befüllzeit auf das tatsächlich erforderliche Maß reduziert werden. Durch die damit einhergehende Verkürzung der Taktzeit können Kosten bei der Fahrzeugherstellung eingespart werden.
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Zusätzlich zum Vorteil der Zeitersparnis bei der Fahrzeugherstellung hat das erfindungsgemäße Verfahren auch den Vorteil, dass sichergestellt werden kann, dass der Befüllvorgang tatsächlich erfolgreich abgeschlossen wurde. Wenn beispielsweise aus irgendeinem Grund keine Befüllung des Tanks mit Reaktionsmittel erfolgt ist, wird im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht die Meldung erfolgen können, dass die Befüllung abgeschlossen ist. Bei einem herkömmlichen, ausschließlich zeitbasierten Erstbefüllverfahren würde ein solcher Fehler nicht erkannt werden.
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In einer ersten prinzipiellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Betriebskenngröße, die betrachtet wird, eine Betriebskenngröße der Förderpumpe. Je nach Betriebsweise der Förderpumpe eignen sich hierfür Größen, die die Aktivität der Förderpumpe repräsentieren, insbesondere die Pumpenmotordrehzahl oder, beispielsweise bei einer Hubkolbenpumpe, die Pumpfrequenz oder der Pumpenmotorstrom. Wenn beispielsweise die Förderpumpe so betrieben wird, dass eine Regelung zur Gleichbehaltung der Drehzahl oder der Pumpfrequenz bei entsprechender Stromanpassung vorgesehen ist, kann bei einem Einbruch der Pumpenmotordrehzahl oder der Pumpenfrequenz bei gleichbleibendem Pumpenmotorstrom auf eine Befüllung des Fördersystems rückgeschlossen werden. Wenn in einer anderen Ausgestaltung die Förderpumpe so betrieben wird, dass der Pumpenmotor auf eine bestimmte Pumpenmotordrehzahl oder Pumpfrequenz eingeregelt wird, wobei die führende Größe der Pumpenmotorstrom ist, kann bei einem Anstieg des Pumpenmotorstroms bei gleichbleibender Pumpenmotordrehzahl oder bei gleichbleibender Pumpfrequenz, je nach Ausgestaltung der Pumpe selbst, auf eine Befüllung des Fördersystems rückgeschlossen werden.
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In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem aus einer Betriebskenngröße der Förderpumpe auf den Befüllzustand des Fördersystems rückgeschlossen wird, geht das Verfahren davon aus, dass die Förderpumpe im drucklosen und unbefüllten Zustand keine nennenswerte Kraft (Drehmoment) aufwenden muss, um die zunächst im System befindliche Luft zu fördern. Der Motor der Förderpumpe läuft in diesem Fall gewissermaßen im „Leerlauf“. Erst wenn die flüssige Reaktionsmittellösung die Förderpumpe erreicht, erhöht sich der Widerstand des fließenden Mediums, sodass der Motor der Förderpumpe mehr Kraft für seinen Antrieb benötigt. Dieser erhöhte Kraftbedarf wird anhand einer oder gegebenenfalls mehrerer Betriebskenngrößen der Förderpumpe beobachtet, sodass aus einer Betriebskenngröße der Förderpumpe auf den Befüllzustand des Fördersystems rückgeschlossen werden kann.
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In einer weiteren prinzipiellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Fördersystem wenigstens einen Drucksensor, der stromabwärts der Förderpumpe angeordnet ist. Signale dieses Drucksensors bzw. ein anhand dieses Drucksensors detektierbarer Druckverlauf können zusätzlich oder alternativ als Betriebskenngröße für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Insbesondere kann bei einem detektierbaren Druckanstieg auf eine Befüllung des Fördersystems rückgeschlossen werden. In besonders vorteilhafter Weise kann die Betrachtung eines messbaren Druckanstiegs zusammen mit der Betrachtung einer Betriebskenngröße der Förderpumpe eingesetzt werden, um auf den Befüllzustand des Fördersystems bei der Erstbefüllung rückschließen zu können. In dieser kombinierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Abschluss des Erstbefüllungsvorgangs mit besonders großer Sicherheit und Robustheit erkannt werden.
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Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, dass zu Beginn der Erstbefüllung von der Förderpumpe nur Luft gefördert wird. Aufgrund des Schlupfes der Pumpe und der Viskosität bzw. der Komprimierbarkeit des Mediums Luft ist zu Beginn der Erstbefüllung im druckseitigen Teil des Systems noch kein erhöhter Druck feststellbar. Demzufolge kann mittels des Drucksensors noch kein nennenswerter Druckanstieg direkt nach dem Start und dem anfänglichen Betrieb der Pumpe festgestellt werden. Erst wenn die wässrige Reaktionsmittellösung den Pumpenraum erreicht hat, kann die Pumpe ihre angestrebte Förderleistung entfalten. Die Reaktionsmittellösung, die die Förderpumpe jetzt als erhöhte Menge fördern kann, wird komprimiert, sodass sich ein Druckanstieg am Drucksensor einstellt. Dieser wird erfindungsgemäß detektiert und verarbeitet. Der messbare Druckanstieg zeigt also an, dass Flüssigkeit gefördert wird und dass das System einschließlich der Förderpumpe befeuchtet ist. In diesem Fall kann die Erstbefüllung im Prinzip als abgeschlossen betrachtet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor einem letztendlichen Rückschluss auf eine erfolgte Befüllung des Fördersystems vorab überprüft, ob keine Lufteinschlüsse im Fördersystem vorhanden sind. Dies kann beispielsweise so realisiert werden, dass überprüft wird, ob für eine vorgebbare Zeitdauer ein stabiler Zustand vorliegt. Hierfür können beispielsweise eine oder mehrere der oben beschriebenen Betriebskenngrößen der Förderpumpe betrachtet werden. Weiterhin kann überprüft werden, ob innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums keine Druckeinbrüche erfolgt sind. Der vorgebbare Zeitraum kann beispielsweise bis zu 10 Sekunden oder weniger, beispielsweise 5 Sekunden, betragen. Druckeinbrüche, die beispielsweise über den Drucksensor messbar sind, zeigen an, dass im System noch Lufteinschlüsse vorhanden sind. Derartige Lufteinschlüsse stellen sich im Allgemeinen bei einer Erstbefüllung unweigerlich ein. Diese Lufteinschlüsse werden durch den Betrieb der Förderpumpe mitgespült und können beispielsweise durch einen Rücklauf in den Tank aus dem hydraulischen Leitungssystem entfernt werden. Die damit einhergehenden Druckeinbrüche am Drucksensor werden in dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt. Erst wenn keine Druckeinbrüche innerhalb eines applizierbaren Zeitraums mehr festzustellen sind, wird darauf geschlossen, dass die Befüllung abgeschlossen ist. In diesem Fall befindet sich dann die Flüssigkeit im Pumpenraum und in den hydraulischen Kanälen oder Leitungen in einem stabilen Druckverhältnis.
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Zweckmäßigerweise ist das Fördersystem so aufgebaut, dass ein Rücklauf für die Reaktionsmittellösung in den Tank vorgesehen ist. Dieser Rücklauf ist üblicherweise mit einem Sperrventil (Rückschlagventil) geschlossen, wobei das Sperrventil bei einem gewissen Druck (Öffnungsdruck) den Rücklauf frei gibt. Wenn die Reaktionsmittellösung durch den Betrieb der Förderpumpe im Anfangsstadium des Befüllvorganges dieses Sperrventil erreicht, verringert sich nochmals die Fließgeschwindigkeit des Mediums, wodurch der Motor der Förderpumpe erneut mehr Kraft zum Bewegen der Flüssigkeit erfordert. Dies schlägt sich in einer oder mehreren Betriebskenngrößen der Förderpumpe nieder, sodass dieses Stadium des Erstbefüllvorgangs ebenfalls erfindungsgemäß erkannt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt insgesamt eine Zeitreduzierung der Montage und eine Verringerung der Taktzeiten beispielsweise am Ende eines Montagebandes in der Kraftfahrzeugherstellung. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen sicheren Ablauf der Erstbefüllung des Fördersystems für die Reaktionsmittellösung des SCR-Katalysators und gleichzeitig eine Überwachung und Diagnose des erstmontierten Systems.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, die beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Weiterhin umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm beziehungsweise als maschinenlesbares Speichermedium oder als Steuergerät hat den besonderen Vorteil, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in einfacher Weise in den Produktionsprozess eines Kraftfahrzeugs integriert werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Figur
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Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise die Komponenten einer Fördereinheit als Bestandteil eines Fördersystems für die Reaktionsmittellösung eines SCR-Katalysators.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die Figur zeigt in schematischer Weise einen vereinfachten Systemaufbau für eine Fördereinheit eines Fördersystems für die Reaktionsmittellösung eines SCR-Katalysators. Die hier dargestellte Fördereinheit 10 umfasst eine Förderpumpe 11, wobei in dieser Ausgestaltung eine Förder- und Saugfunktion dieser Förderpumpe 11 durch eine Drehrichtungsumkehr des Förderpumpenmotors 12 realisiert ist. Die Saugfunktion der Förderpumpe 11 kann beispielsweise für das Rücksaugen von flüssigem Medium aus dem druckseitigen Teil des Systems im Hinblick auf einen Frostschutz von empfindlichen Bauteilen des Systems eingesetzt werden. Bei der Förderpumpe 11 kann es sich beispielsweise um einen bürstenlosen Mehrphasenmotor handeln, der über eine fein programmierbare Steuerplatine elektrisch angesteuert wird. In anderen Ausgestaltungen kann beispielsweise auch ein Hubkolbenmotor oder Ähnliches eingesetzt werden. Die Förderpumpe 11 saugt über eine Ansaugstelle 13, die mit einem Filter ausgestattet ist und in der Regel beheizbar ist, die Reaktionsmittellösung, insbesondere eine Harnstofflösung (z.B. AdBlue®), aus einem Tank 14. Im Bereich stromabwärts der Förderpumpe 11 wird von der Förderpumpe 11 ein Systemdruck aufgebaut, sodass die Reaktionsmittellösung über einen Druckschlauch 15 und ein Dosierventil 16 in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) eingespritzt werden kann. Das hier dargestellte System umfasst weiterhin einen Tankrücklauf 17 mit einem Rückschlagventil 18. Im Bereich des Tankrücklaufs 17 befindet sich weiterhin eine Drossel 19, sodass das flüssige Medium, das von der Förderpumpe 11 gefördert wird, durch die Drossel 19 beim Rücklauf in den Tank komprimiert wird und sich im Bereich stromabwärts der Förderpumpe 11 der Systemdruck aufbauen kann. In dieser Ausgestaltung umfasst die Fördereinheit 10 weiterhin einen Drucksensor 20, der stromabwärts der Pumpe 11 angeordnet ist. Mittels des Drucksensors 20 kann im regulären Betrieb des Fördersystems der Systemdruck überwacht und gegebenenfalls eingestellt werden. Zwischen der Förderpumpe 11 und dem Drucksensor 20 kann sich weiterhin ein Shut-Off-Ventil 21 befinden. Für eine Druckmessung ist es dabei erforderlich, dass das Shut-Off-Ventil 21 geöffnet wird. Dies kann beispielsweise durch eine elektrische Ansteuerung des Shut-Off-Ventils 21 bewerkstelligt werden. In anderen Ausgestaltungen kann das Shut-Off-Ventil 21 so ausgestaltet sein, dass es selbsttätig öffnet, sobald ein ausreichender Druck anliegt.
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Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere Betriebskenngrößen des Fördersystems genutzt, um auf einen Befüllzustand des Fördersystems mit flüssiger Reaktionsmittellösung rückschließen zu können. Dieses Verfahren wird mit besonderem Vorteil bei der Erstbefüllung eines solchen Systems eingesetzt, wobei bei einer erkannten Befüllung des Systems der Befüllvorgang beendet werden kann. Der Befüllvorgang kann dabei gegebenenfalls noch vor Abschluss einer festen Erstbefüllzeit abgebrochen werden. Die Zeitdauer des Befüllvorgangs gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher in aller Regel kürzer als bei einem herkömmlichen Verfahren, welches den Erstbefüllvorgang ausschließlich zeitbasiert steuert. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Vorgang also beendet, wenn das Resultat des Vorgangs „System befüllt“ vorliegt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist damit eine Verkürzung der Taktzeiten bei der Erstbefüllung des SCR-Systems beim Fahrzeughersteller und damit eine Verkürzung der Montagezeiten möglich.
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Als für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Betriebskenngröße kann beispielsweise eine Betriebskenngröße der Förderpumpe 11 betrachtet werden. Wenn die Förderpumpe 11 beispielsweise im regulären Betrieb auf eine Gleichbehaltung des Pumpenmotorstroms durch eine Regelung der Drehzahl oder der Förderfrequenz bei entsprechender Stromanpassung ausgelegt ist, kann aus einem Einbruch der Pumpenmotordrehzahl oder der Pumpfrequenz bei gleichbleibendem Pumpenmotorstrom auf eine ausreichende Befeuchtung und Befüllung der Fördereinheit 10 rückgeschlossen werden. Der benötigte Strom ist in diesem Fall in erster Näherung gleichbedeutend mit der Förderaktivität des Motors, also insbesondere mit dem Drehmoment (Kraft) des Motors. Bei einem Einbruch oder einer Verringerung einer Größe, die die Aktivität der Förderpumpe repräsentiert, also beispielsweise bei einem Einbruch der Pumpenmotordrehzahl oder einem Einbruch der Pumpfrequenz, kann bei gleichbleibendem Pumpenmotorstrom darauf geschlossen werden, dass sich flüssiges Medium im Pumpenraum und in den hydraulischen Kanälen befindet, sodass der Befüllvorgang beendet werden kann.
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Wenn in einer anderen Betriebsart der Förderpumpe 11 der Pumpenmotor 12 auf die Drehzahl oder die Pumpfrequenz geregelt ist, kann aus einem ansteigenden Pumpenmotorstrom bei gleichbleibender Pumpendrehzahl oder gleichbleibender Förderfrequenz auf eine Befüllung und eine ausreichende Befeuchtung der Fördereinheit 11 geschlossen werden. Die führende Größe beim Betrieb der Förderpumpe ist in dieser Ausgestaltung der Strom, der durch die Pumpe fließt, um das Drehmoment aufzubauen, sodass die erforderliche Drehzahl oder gegebenenfalls die erforderliche Hubfrequenz eingestellt werden kann. Bei einer eintretenden Drehzahlverringerung oder Pumpfrequenzverringerung wird der Pumpenstrom angepasst, damit die Drehzahl oder die Pumpfrequenz konstant bleibt. Bei einer solchen Ausgestaltung des Fördersystems wird erfindungsgemäß bei einem Anstieg des Pumpenmotorstroms darauf geschlossen, dass die Befüllung abgeschlossen ist. Erkennt also der Motorenregler, dass zur Gleichbehaltung der die Aktivität der Förderpumpe repräsentierenden Größe der benötigte Pumpenstrom ansteigt, ist darauf zu schließen, dass sich flüssiges Medium im Pumpenraum und in den hydraulischen Kanälen befindet. Der Befüllvorgang kann beendet werden.
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Diese Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können mit einer Zeitüberwachung kombiniert werden, wobei sichergestellt werden kann, dass der beobachtete Effekt für einen vorgebbaren bzw. applizierbaren Zeitraum, beispielsweise für einige Sekunden, stabil auftritt. Nach Ablauf dieser Zeit, nachdem bereits erkannt wurde, dass sich flüssiges Medium im Pumpenraum und in den Kanälen befindet, ist davon auszugehen, dass im System gegebenenfalls vorhandene Luftblasen herausgespült wurden. Erst dann wird der Befüllvorgang abschließend beendet. Der applizierbare Zeitraum kann beispielsweise 10 Sekunden oder weniger betragen.
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Zusätzlich oder alternativ zu Betriebskenngrößen der Förderpumpe 11 kann ein Druckanstieg im System betrachtet werden, der anhand von Messsignalen des Drucksensors 20 überwacht wird. Der Drucksensor 20 liefert erst dann ansteigende Signale, wenn von der Förderpumpe 11 keine Luft mehr gefördert wird. Erst wenn sich der Pumpenraum der Förderpumpe 11 mit Flüssigkeit füllt, kann die Pumpe ihre angestrebte Förderleistung erreichen und im druckseitigen Teil des Systems kann ein Druck aufgebaut werden. Dies wird mithilfe des Drucksensors 20 als ansteigender Druckverlauf erkannt, weshalb aus einem Anstieg des Drucks auf eine Befüllung des Systems rückgeschlossen werden kann. Wenn sich im System ein Shut-Off-Ventil 21 befindet, muss dieses Shut-Off-Ventil vorab geöffnet werden, bevor der Drucksensor 20 sensieren kann.
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Das Herausspülen von gegebenenfalls vorhandenen Luftblasen im System kann in besonders vorteilhafter Weise anhand von messbaren Drucksignalen in Kombination mit einer Zeitüberwachung überwacht werden. Wenn innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums, beispielsweise 10 Sekunden oder weniger, nach der erkannten Befüllung keine Druckeinbrüche am Drucksensor 20 mehr feststellbar sind, ist davon auszugehen, dass alle Lufteinschlüsse aus dem System heraus gespült wurden.
