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Die Erfindung betrifft ein Dosiermodul für die Abgasnachbehandlung in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, in einem Kraftfahrzeug, wie beispielsweise ein Pkw, ein Lkw oder ein anderes Nutzfahrzeug, welches dazu vorbereitet ist, ein fluides Reduktionsmittel, beispielsweise eine chemische Lösung, insbesondere eine Harnstoffwasserlösung, vor einem SCR-Katalysator in den Abgasstrang einzuspeisen oder einzuspritzen. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Einspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen Dosiermodul.
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Stand der Technik
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Die Nachbehandlung von Abgasen ist notwendig, um die Luftverschmutzung, welche durch die ausgestoßenen Abgase entsteht, möglichst gering zu halten. Für eine solche Nachbehandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, in einem Kraftfahrzeug, haben sich unter anderem sogenannte SCR-Systeme (SCR = „Selective Catalytic Reduction“) bewährt, mit denen die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide (NOx) reduziert werden.
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Dafür injizieren diese SCR-Systeme vor dem SCR-Katalysator mithilfe eines sogenannten Dosierventils oder Dosiermoduls ein fluides Reduktionsmittel, vorzugsweise eine Hartstoffwasserlösung, in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors. In dem SCR-Katalysator laufen chemische Prozesse ab, in denen der in der Harnstoffwasserlösung enthaltene Harnstoff mit den Stickoxiden (NOx) in den Abgasen reagiert und diese zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) reduziert.
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Das Dosiermodul ist in der Regel am oder im Abgasstrang des Fahrzeugs angebracht und verfügt über keinerlei interne Sensorik, wodurch es im Betrieb nicht möglich ist, die Betriebsbedingungen bzw. die Betriebszustände des Dosiermoduls zu überwachen oder zu bestimmen.
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Ein Abgasreduktionssystem mit einem an einem Abgasstrang angebrachten Dosiermodul ist beispielsweise in
DE 10 2016 208 171 A1 offenbart.
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Offenbarung der Erfindung:
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes kostengünstiges Dosiermodul zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels bereitzustellen, welches eine Bestimmung bestimmter Eigenschaften im Betriebszustand, insbesondere die Bestimmung der Temperatur im Innenraum des Dosiermoduls, ermöglicht.
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Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Dosiermodul erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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So umfasst eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dosiermoduls ein Dosierventil, das dazu ausgebildet ist, ein fluides Reduktionsmittel in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors einzuspeisen. Das Dosierventil ist über wenigstens eine elektrische Anschlussleitung elektrisch ansteuerbar.
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Das Dosiermodul weist zusätzlich wenigstens einen Sensor auf, der dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Parameter, insbesondere einen Parameter, der wenigstens eine physikalische Größe repräsentiert, am und/oder im Dosiermodul zu messen und über die wenigstens eine elektrische Anschlussleitung ein entsprechendes Sensor-Ausgangssignal auszugeben.
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Mithilfe des wenigstens einen Sensors können, in Abhängigkeit des Sensortyps, verschiedene Eigenschaften des Dosiermoduls, insbesondere die Temperatur im Innenraum des Dosiermoduls, im Betriebszustand erfasst und/oder überwacht werden. Dadurch ist z.B. erkennbar, ob ein Missbrauch in der Anwendung vorliegt, wodurch etwaige Ansprüche aus Beanstandungen besser beurteilt werden können. Ferner kann die Bestimmung diverser Eigenschaften dazu genutzt werden, die Genauigkeit des Dosiermoduls im Betrieb zu erhöhen.
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Dadurch, dass die gleiche(n) elektrische(n) Anschlussleitung(en) sowohl zum elektrischen Ansteuern des Dosierventils, als auch zum Übertragen der Sensor-Ausgangssignale verwendet wird/werden, kann auf zusätzliche Anschlussleitungen zur Übertragung der Sensor-Ausgangssignale verzichtet werden. Auf diese Weise können der Produktionsaufwand und die Produktionskosten eines erfindungsgemäßen Dosiermoduls gegenüber Ausführungen, die getrennte elektrische Leitungen aufweisen, die einerseits zum Ansteuern des Dosierventils und andererseits zum Übertragen der Sensor-Ausgangssignale vorgesehen sind, reduziert werden.
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Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert.
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So kann der wenigstens eine Sensor im Innenraum des Dosiermoduls angeordnet sein. Im Innenraum des Dosiermoduls kann der wenigstens eine Sensor zum einen verschiedenste Betriebszustände des Dosiermoduls erfassen und ist zum anderen vor teilweise extremen Temperaturen und Feuchtigkeit geschützt.
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Um das Sensor-Ausgangssignal gemeinsam mit den Signalen zum elektrischen Ansteuern des Dosierventils über die gleiche(n) elektrische(n) Anschlussleitung(en) zu übertragen, kann das Sensor-Ausgangssignal auf eine hochfrequente Trägerfrequenz aufmoduliert werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der von dem wenigstens einen Sensor gemessene Parameter eine Temperatur, eine Beschleunigung und/oder eine Drehrate repräsentiert. Die gemessene Temperatur kann beispielsweise die Temperatur des Innenraums des Dosiermoduls sein. Die gemessene Beschleunigung und/oder Drehrate kann dazu dienen, die Belastung des wenigstens einen Sensors im Betrieb zu bestimmen, woraus sich wiederum beispielsweise Daten über missbräuchliche Anwendung gewinnen lassen oder durch einen Abgleich mit bekannten Erprobungsprofilen die Restlebensdauer des Dosiermoduls abgeschätzt werden kann.
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Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass der wenigstens eine Sensor als ein mikromechanischer mehrachsiger Inertialsensor ausgebildet ist und ein integriertes Thermoelement aufweist. Ein mehrachsiger Inertialsensor ist in der Lage, Neigungen sowie Beschleunigungen in mehreren Richtungen zu erfassen und somit die mechanische Belastung des Dosiermoduls im Betrieb möglichst genau zu erfassen.
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Der wenigstens eine Sensor kann auch eine integrierte Kommunikationsschnittstelle, insbesondere einer PSI-Kommunikationsschnittstelle zu Ausgabe der Daten aufweisen.
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Eine weiterführende Ausführungsform zeigt, dass der wenigstens eine Sensor eine separate oder eine integrierte Leiterplatte aufweist. Über die Leiterplatte ist der wenigstens eine Sensor entsprechend verschaltet und mit Stromleitungen verbunden.
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Für die Stromversorgung des wenigstens einen Sensors hat es sich als nützlich gezeigt, wenn die Stromversorgung über das Dosiermodul erfolgt. Dabei muss jedoch sichergestellt werden, dass der wenigstens eine Sensor auch dann ausreichend mit Strom versorgt wird, wenn das Dosiermodul ausgeschaltet ist. Dies kann beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) oder durch Kondensatorpuffer sichergestellt werden.
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Zur Befestigung des wenigstens einen Sensors in dem Dosiermodul kann der wenigstens eine Sensor stoff- und/oder formschlüssig mit dem Dosiermodul verbunden sein. Stoffschlüssig kann dies beispielsweise mittels eines Klebstoffs oder eine Wärmeleitpaste geschehen.
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Andere Ausführungsformen sehen vor, dass das Dosiermodul ferner wenigstens einen weiteren Sensor, vorzugsweise mehrere weitere Sensoren, aufweist, wobei die Sensoren im Dosiermodul durch ein Bussystem und/oder in Reihe geschaltet miteinander verbunden sind. Durch Verwenden mehrerer Sensoren kann eine größere Anzahl verschiedener Eigenschaften des Dosiermoduls bestimmt werden und/oder die Genauigkeit der Erfassung bestimmter Eigenschaften kann erhöht werden.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass jeder Sensor eine eindeutige Sensor-ID aufweist. Damit kann jedes Signal einem bestimmten Sensor und somit einer bestimmten Position im Dosiermodul zugeordnet werden.
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In einer Ausführungsform weist das Dosiermodul wenigstens einen Freiraum, der zur Aufnahme eines fluiden Kühlmittels vorgesehen ist, und wenigstens einen Kühlwasseranschluss auf, der es ermöglicht, fluides Kühlmittel in den Freiraum einzubringen. Auf diese Weise kann das Dosierventil effektiv gekühlt werden, um ein Überhitzen des Dosierventils im Betrieb zu verhindern.
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Ferner betrifft die Erfindung auch ein Einspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen Dosiermodul und einem Steuerungsgerät, welches dazu ausgelegt ist, eine Durchflussmenge des fluiden Reduktionsmittels durch das Dosiermodul zu steuern. Dadurch ist es möglich, die Dosiergenauigkeit bzw. die Durchflussgenauigkeit des fluiden Reduktionsmittels deutlich zu verbessern.
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Eine Ausführungsform sieht hierbei vor, dass das Steuerungsgerät dazu ausgebildet ist, die Durchflussmenge des fluiden Reduktionsmittels durch das Dosiermodul in Abhängigkeit von zumindest einer von wenigstens einem Sensor erfassten Temperatur des Innenraums des Dosiermoduls zu steuern. Hierfür verfügt das Steuerungsgerät über eine entsprechende Software. Die Temperatur eignet sich besonders gut dazu, die Durchflussmenge zu steuern. Es ist aber auch denkbar, andere Eigenschaften des Dosiermoduls zu erfassen und zur Steuerung der Durchflussmenge zu nutzen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Steuerungsgerät dazu ausgebildet ist, vorzugsweise mithilfe der Beschleunigung und/oder Drehrate, die Belastung des wenigstens einen Sensors im Betrieb zu erfassen und ggf. aufzuzeichnen. Eine solche Aufzeichnung kann beispielsweise dazu genutzt werden, die Lebensdauer des Dosiermoduls abzuschätzen.
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Ferner kann das Steuerungsgerät weitere Funktionen zur Steuerung des Dosiermoduls in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des Innenraums des Dosiermoduls steuern. beispielsweise kann eine Korrekturfunktion implementiert oder verbessert werden, was die Dosiermodulgenauigkeit weiter erhöht. Auch die Steuerung des sogenannten „Spulenheizens“ kann weiter verbessert werden, was eine geringere mechanische Belastung des Dosiermoduls zur Folge hat und somit die Robustheit des Dosiermoduls erhöht.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgasstrangs eines Verbrennungsmotors mit einem Dosiermodul zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang.
- 2 zeigt eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dosiermoduls.
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Figurenbeschreibung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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1 zeigt einen Abgasstrang 17 eines Verbrennungsmotors 18 in einer schematischen Darstellung. Der Abgasstrang 17 umfasst einen Abgaskanal 19, in dem in Abgasströmungsrichtung 20 dem Verbrennungsmotor 18 nachgeschaltet ein SCR-Katalysator 6 angeordnet ist. Zwischen dem Verbrennungsmotor 18 und dem SCR-Katalysator 6 ist ein Dosiermodul 1 an dem Abgasstrang 17 montiert. Das Dosiermodul 1 weist wenigstens ein Dosierventil 21 auf, welches von einem Steuerungsgerät 22 elektrisch angesteuert werden kann, um eine gewünschte Menge an Reduktionsmittel 23 in den Abgaskanal 19 des Abgasstrangs 17 einzuspritzen. Das Dosiermodul 1 zusammen mit dem Steuerungsgerät 22 wird auch als Einspritzsystem 29 bezeichnet.
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Durch eine Vorförderpumpe 24 wird das einzuspritzende Reduktionsmittel 23 aus einem Vorratstank 25 entnommen und dem Einspritzsystem 29, d.h., dem Dosiermodul 1, zugeführt. Das Dosiermodul 1 spritzt das Reduktionsmittel 23 mit einem höheren Druck in den Abgaskanal 19 des Abgasstrangs 17 ein. Im Abgaskanal 19 vermischt sich das eingespritzte Reduktionsmittel 23 mit den durch den Abgaskanal 19 in Abgasströmungsrichtung 20 strömenden Abgasen des Verbrennungsmotors 18 und reagiert in dem stromabwärts des Dosiermoduls 1 angeordneten SCR-Katalysator 6 mit den in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden (NOx), wodurch diese zu N2 und H2O reduziert werden.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Dosiermodul 1 in einer Längsschnittansicht, welches in dem Abgasstrang 17 eines Kraftfahrzeugs montierbar ist. Das Dosiermodul 1 weist ein äußeres Gehäuse 2 und ein inneres Gehäuse 3 auf.
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In dem inneren Gehäuse 3 befindet sich das Dosierventil 21, welches das fluide Reduktionsmittel 23, das dem Dosiermodul 1 aus der Richtung 5 aus dem Vorratstank 25 (siehe 1) zugeführt wird, in den Abgaskanal 19 des Abgasstrangs 17 in der Richtung 26 einspeist bzw. einspritzt.
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Das Dosiermodul 1 ist hierbei an dem Abgasstrang derart angeordnet, dass es in der Abgasströmungsrichtung 20 (siehe 1) betrachtet, zwischen dem Verbrennungsmotor 18 und dem SCR-Katalysator 6 angeordnet ist. Die Einspritzung des Reduktionsmittels 23 durch das Dosiermodul 1 erfolgt quer zur Abgasströmungsrichtung 20.
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Das innere Gehäuse 3 ist derart innerhalb des äußeren Gehäuses 2, vorzugsweise konzentrisch hierzu, angeordnet, dass zwischen dem äußeren Gehäuse 2 und dem inneren Gehäuse 3 ein Freiraum 14 ausgebildet ist, welcher zur Kühlung des im inneren Gehäuse 3 angeordneten Dosierventils 21 mit einem fluiden Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, gefüllt wird. Für die Zuführung des Kühlmittels weist das äußere Gehäuse 2 einen Kühlwasseranschluss 15 auf, welcher mit einer Kühlmittelleitung 16 verbunden ist.
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Innerhalb des Gehäuses 3 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel drei Sensoren 7 angeordnet, welche jeweils eine Leiterplatte 8 aufweisen. Innerhalb des Gehäuses 3 sind die Sensoren 7 vorzugsweise stoffschlüssig befestigt, beispielsweise mittels einer Klebung oder einer Wärmeleitpaste. Zusätzlich oder alternativ können die Sensoren 7 auch formschlüssig befestigt sein. Von den drei Sensoren 7 ist wenigstens einer als ein mikromechanischer Inertialsensor 27 ausgebildet, der einen Temperatursensor aufweist. Mithilfe des Temperatursensors kann der wenigstens eine Sensor 27 die Temperatur im Innenraum 9 des inneren Gehäuses 3 des Dosiermoduls 1 erfassen. Der Inertialsensor 27 kann ein einachsiger Inertialsensor 27 oder ein mehrachsiger Inertialsensor 27 sein.
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Vorzugsweise sind alle drei Sensoren 7 als mikromechanische mehrachsige Inertialsensoren 27 mit jeweils einem Temperatursensor ausgebildet. Weiter vorzugsweise weisen die Sensoren 7, 27 eine Kommunikationsschnittstelle 28, insbesondere eine PSI-Kommunikationsschnittstelle auf, über die sie mit dem Steuerungsgerät 22 (siehe 1) verbunden sind. Um die Signale der einzelnen Sensoren 7, 27 unterscheiden zu können, weist jeder Sensor 7, 27 eine eindeutige Sensor-ID auf. Ferner können die als Inertialsensoren 27 ausgebildeten Sensoren 7 auch Beschleunigungen und/oder Drehraten erfassen, welche dazu genutzt werden können, die mechanische Belastung der Sensoren 7, 27 im Betrieb aufzuzeichnen, woraus sich Daten gewinnen lassen, mittels derer die Restlebensdauer des Dosiermoduls 1 abschätzbar ist.
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Dazu können beispielsweise die von den Sensoren 7, 27 übermittelten Beschleunigungs- und/oder Drehratensignale von dem Steuerungsgerät 22 mit Werten aus Datensätzen bekannter Erprobungsprofile verglichen werden. Die Ergebnisse können dann von dem Steuerungsgerät 22 zur Weiterverarbeitung an eine andere Steuerungs- oder Speichereinheit, wie beispielsweise eine Cloud, übermittelt werden.
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Die Sensoren 7, 27 sind über elektrische Anschlussleitungen 10 mit einer Stromversorgung 11 des Dosiermoduls 1 verbunden. Dabei können die Sensoren 7, 27 in einem Bussystem, und/oder in Reihe geschaltet, betrieben werden. Eine äußere Anschlussleitung 12 verbindet das Dosiermodul 1 mit dem Steuerungsgerät 22.
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Die Stromversorgung der Sensoren 7, 27, sowie die Übertragung der Ausgangssignale der Sensoren 7, 27 (Sensor-Ausgangssignale), erfolgt über die bereits vorhandenen elektrischen Anschlussleitungen 10, die zum Ansteuern des elektrisch geschalteten Dosierventils 21 vorgesehen sind.
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Um das Sensor-Ausgangssignal gemeinsam mit den Signalen zum elektrischen Ansteuern des Dosierventils 21 über die elektrischen Anschlussleitungen 10 zu übertragen, kann das Sensor-Ausgangssignal insbesondere auf eine hochfrequente Trägerfrequenz aufmoduliert werden.
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Auf zusätzliche Leitungen zur Übertragung der Sensor-Ausgangssignale kann daher verzichtet werden. Dadurch können sowohl der Produktionsaufwand als auch die damit verbundenen Produktionskosten eines erfindungsgemäßen Dosiermoduls 1 gegenüber Ausführungen, die zum Ansteuern der Dosieranordnung 4 und zum Übertragen der Sensor-Ausgangssignale getrennte elektrische Leitungen aufweisen, reduziert werden.
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Da die Sensoren 7, 27 an die Stromversorgung 11 des Dosiermoduls 1 angeschlossen sind, muss gewährleistet sein, dass die Sensoren 7, 27 immer ausreichend mit Strom versorgt werden, auch wenn das Dosiermodul 1 ausgeschaltet ist.
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Dies kann beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation (PWM) umgesetzt werden. Hierzu arbeitet das Dosiermodul 1 im gepulsten Betrieb, wobei die Stromversorgung der Sensoren 7, 27 dann bei ausgeschaltetem Dosiermodul 1 über eine PWM im Steuerungsgerät 22 erfolgt. Dazu nutzt die PWM den unterschiedlich hohen Strombedarf der Sensoren 7, 27 und des Dosiermoduls 1. D.h., durch die Nutzung der PWM wird der Strom, der durch das Dosiermodul 1 fliest, nur so weit angehoben, dass das Dosiermodul 1 in den gewünschten Phasen geschlossen bleibt, d.h., der Strom liegt in diesen Phasen unterhalb der Strombedarfsgrenze des Dosiermoduls 1, von z.B. 300 mA, die Sensoren 7, 27 werden aber weiterhin hinreichend mit Strom versorgt, d.h., der Strom liegt auch in diesen Phasen oberhalb der Strombedarfsgrenze der Sensoren 7, 27, welche in der Regel kleiner als 50 mAist.
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Eine Alternative zur PWM ist das Bereitstellen von Kondensatorpuffern, welche die Sensoren 7, 27 bei ausgeschaltetem Dosiermodul 1 mit Strom versorgen.
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Das Steuerungsgerät 22 (siehe 1) kann Funktionen des Dosiermoduls 1 insbesondere mithilfe von Software steuern und dabei die Informationen, die es von den Sensoren 7, 27 empfängt, dazu nutzen, diese Funktionen anzupassen bzw. zu korrigieren, um den Betriebszustand des Dosiermoduls 1, beispielsweise hinsichtlich der Dosiergenauigkeit des Reduktionsmittels 23, aber auch hinsichtlich der Belastung des Dosiermoduls 1 während des Betriebs anzupassen und so das Verhalten des Dosiermoduls 1 zu verbessern.
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Zusätzlich zu den bisher angeführten Funktionen kann die Temperatur auch zur Bewertung von missbräuchlicher Anwendung herangezogen werden. Dies kann für die Beurteilung von Ansprüchen, welche basierend auf Beanstandungen gestellt werden, hilfreich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016208171 A1 [0005]
