DE102007026944B4

DE102007026944B4 - Harnstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007026944B4
Application number: DE102007026944A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 92694 Weiss
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: DE102007026944A1; WO2008152105A1

Abstract

Harnstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine (14), die mindestens einen Zylinder (Z1) mit einem Brennraum (9) und einen Abgastrakt (4) umfasst, der abhängig von einer Schaltstellung eines Gasauslassventils (13) mit dem Brennraum (9) kommuniziert, wobei das Harnstoffzumesssystem
– ein mittels Signale ansteuerbares, in den Abgastrakt (4) hineinragendes Harnstoffeinspritzventil (54) zum Zumessen von Harnstoff in den Abgastrakt (4) umfasst,
– einen Harnstofftank (40) umfasst, aus dem über eine Harnstoffleitung (41) Harnstoff zu dem Harnstoffeinspritzventil (54) geleitet werden kann,
– einen Luftverdichter (50) umfasst, der so mit dem Harnstofftank (40) gekoppelt ist, dass mit dem Luftverdichter (50) ein Überdruck in dem Harnstofftank (40) erzeugt werden kann, und
– eine von der Harnstoffleitung (41) separate Entlüftungsleitung (56) umfasst, die zum Spülen der Harnstoffleitung (41) mit dem Luftverdichter (50) und dem Harnstoffeinspritzventil (54) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Harnstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Zylinder mit einem Brennraum und einen Abgastrakt. Der Abgastrakt kommuniziert abhängig von einer Schaltstellung eines Gasauslassventils mit dem Brennraum. Das Harnstoffzumesssystem umfasst ein Harnstoffeinspritzventil zum Zumessen von Harnstoff in den Abgastrakt. Ferner umfasst das Harnstoffzumesssystem einen Harnstofftank, aus dem über eine Harnstoffleitung Harnstoff zu dem Harnstoffeinspritzventil geleitet werden kann.
Zur Reduzierung eines Stickoxidanteils im Abgas einer Brennkraftmaschine kann eine Abgasnachbehandlung mit wässriger Harnstofflösung und einem SCR-Katalysator durchgeführt werden. Die wässrige Harnstofflösung kann auch als Harnstoff bezeichnet werden. Zur Abgasnachbehandlung wird die wässrige Harnstofflösung mit einer Flüssigkeitspumpe zu einem Harnstoffeinspritzventil gepumpt, das die Harnstofflösung stromaufwärts des SCR-Katalysators in einen Abgasstrom in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine zumisst. Die Harnstofflösung reagiert in dem heißen Abgasstrom zu Ammoniak und Kohlendioxid. In dem SCR-Katalysator reagiert dann der Ammoniak mit dem Stickoxidgemisch des Abgases zu Stickstoff und Wasser.
Die Aufgabe der Erfindung ist ein Harnstoffzumesssystem zu schaffen, das ein besonders günstiges Zumessen von Harnstoff in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Harnstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst mindestens einen Zylinder mit einem Brennraum und einen Abgastrakt. Der Abgastrakt kommuniziert abhängig von einer Schaltstellung eines Gasauslassventils mit dem Brennraum. Das Harnstoffzumesssystem umfasst ein mittels Signale ansteuerbares, in den Abgastrakt ragendes Harnstoffeinspritzventil zum Zumessen von Harnstoff in den Abgastrakt, einen Harnstofftank und einen Luftverdichter. Aus dem Harnstofftank kann über eine Harnstoffleitung Harnstoff zu dem Harnstoffeinspritzventil geleitet werden. Der Luftverdichter ist so mit dem Harnstofftank gekoppelt, dass mit dem Luftverdichter ein Überdruck in dem Harnstofftank erzeugt werden kann. Ferner ist eine, von der Harnstoffleitung separate Entlüftungsleitung vorgesehen, die zum Spülen der Harnstoffleitung mit dem Luftverdichter und de Harnstoffeinspritzventil gekoppelt ist.
Der Überdruck in dem Harnstofftank kann beispielsweise gegenüber einem Umgebungsluftdruck des Harnstofftanks erzeugt werden und/oder gegenüber einem Luftdruck in dem Abgastrakt, in den der Harnstoff zugemessen wird.
Dies trägt zu einem einfachen Zumessen des Harnstoffs in den Abgastrakt bei. Ferner kann das unter Druck Setzen des Harnstofftanks dazu beitragen, dass der Harnstofftank dicht verschließbar ist. Ferner kann der Harnstofftank als Druckspeicher dienen und so eine Laufzeit des Luftverdichters zum Erzeugen des Drucks verkürzen. Dies kann dazu beitragen, den Luftverdichter mit einer 2-Punkt-Regelung zu betreiben. Der Harnstofftank kann mit einem Druck von beispielsweise bis zu 8 bar beaufschlagt werden.
Eine Entlüftungsleitung ist zum Spülen der Harnstoffleitung mit dem Luftverdichter und dem Harnstoffeinspritzventil gekoppelt. Dies kann zu einem zuverlässigen Betrieb des Harnstoffzumesssystems beitragen, beispielsweise kann verhindert werden, dass sich Harnstoff in der Harnstoffleitung zu stark erwärmt und dann gerinnt und/oder dass der Harnstoff sich zu stark abkühlt und gefriert. Sowohl das Gerinnen als auch das Gefrieren des Harnstoffs kann eine Güte der Abgasnachbehandlung mittels des Harnstoffs verringern.
Das Harnstoffzumesssystem umfasst zum Anschließen einer externen Druckluftleitung einen Druckluftanschluss. Der Druckluftanschluss ist mit dem Luftverdichter gekoppelt. An dem Druckluftanschluss kann beispielsweise ein Aufsatz zum Aufpumpen beispielsweise eines Autoreifens und/oder eines Schlauchbootes aufgesetzt werden. Dies ermöglicht, den Luftverdichter außerhalb des regulären Betriebs des Harnstoffzumesssystems vorteilhaft zu nutzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ansicht einer Brennkraftmaschine,
2 eine zweite Ansicht der Brennkraftmaschine mit einem Harnstoffzumesssystem,
3 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Zumessen von Harnstoff mittels des Harnstoffzumesssystems.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Brennkraftmaschine 14 (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst bevorzugt eine Drosselklappe 5, einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Z1–Z4 über einen Einlasskanal in einen Brennraum 9 des Motorblocks 2 geführt ist. Der Brennraum 9 kommuniziert abhängig von einer Schaltstellung eines Gaseinlassventils 12 oder eines Gasauslassventils 13 mit dem Ansaugtrakt 1 bzw. mit dem Abgastrakt 4. Der Motorblock 2 umfasst eine Kurbelwelle 8, die über eine Pleuelstange 10 mit einem Kolben 11 des Zylinders Z1–Z4 gekoppelt ist. Die Brennkraftmaschine 14 umfasst vorzugsweise weitere Zylinder Z1–Z4. Die Brennkraftmaschine 14 ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Personenkraftfahrzeug.
In dem Zylinderkopf 3 ist bevorzugt ein Kraftstoff-Einspritzventil 18 angeordnet. Falls die Brennkraftmaschine 14 keine Diesel-Brennkraftmaschine ist, so sind vorzugsweise jedem Zylinder Z1–Z4 je eine Zündkerze zugeordnet. Alternativ kann das Kraftstoff-Einspritzventil 18 auch in dem Saugrohr 7 angeordnet sein. Eine Kraftstoffrückführleitung 44 ermöglicht ein Rückführen nicht zugemessenen Kraftstoffs aus dem Kraftstoff-Einspritzventil 18 hin zu einem Kraftstofftank.
Der Abgastrakt 4 umfasst einen Russpartikelfilter 21 und zumindest einen SCR-Katalysator 23. Zum Zumessen von Harnstoff ragt ein Harnstoffeinspritzventil 54 (2) in den Abgastrakt 4 stromabwärts des Russpartikelfilters 21 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 23. Stromabwärts des Harnstoffeinspritzventils 54 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 23 ist vorzugsweise eine Mischvorrichtung zum Mischen des zugemessenen Harnstoffs mit dem Abgas angeordnet. Zusätzlich zu dem SCR-Katalysator 23 kann stromaufwärts des SCR-Katalysators 23 und stromabwärts der Mischvorrichtung ein Hydrolysekatalysator vorgesehen sein und stromabwärts des SCR-Katalysators 23 kann ein Oxidationskatalysator vorgesehen sein.
Ferner ist dem Abgastrakt 4 vorzugsweise ein Harnstoffzumesssystem zugeordnet (2). Das Harnstoffzumesssystem umfasst einen Harnstofftank 40 zum Aufnehmen des Harnstoffs, das Harnstoffeinspritzventil 54 und den Luftverdichter 50. Der Luftverdichter 50 ist so mit dem Harnstofftank 40 gekoppelt, dass Luft in dem Harnstofftank 40 mittels des Luftverdichters 50 mit Druck beaufschlagt werden kann, so dass der Luftdruck in dem Harnstofftank 40 einen Überdruck bezüglich einer Umgebung des Harnstofftanks 40 und/oder gegenüber einem Druck in dem Abgastrakt 4 stromabwärts des Russpartikelfilters 21 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 23 darstellt. Der Überdruck in dem Harnstofftank 40 bewirkt, dass der Harnstoff aus dem Harnstofftank 40 über eine Harnstoffleitung 41 zu dem Harnstoffeinspritzventil 54 geleitet wird. Durch entsprechendes Ansteuern des Harnstoffeinspritzventils 54 kann dann der Harnstoff dem Abgastrakt 4 zugemessen werden. Der Überdruck in dem Harnstofftank 40 wird vorzugsweise abhängig von einer Schaltstellung eines Harnstoffventils 52 eingestellt. Das Pumpen des Harnstoffs aus dem Harnstofftank 40 hin zu dem Harnstoffeinspritzventil 54 trägt zu einem vorteilhaften Zumessen des Harnstoffs bei, beispielsweise da selbst in dem Fall, in dem nahezu der ganze Harnstoff in dem Harnstofftank 40 gefroren ist, ein flüssiger Rest des Harnstoffs zu dem Harnstoffeinspritzventil 54 geleitet wird.
Ferner kann das unter Druck Setzen des Harnstofftanks 40 dazu beitragen, dass der Harnstofftank 40 dicht verschließbar ist. Ferner kann der Harnstofftank 40 als Druckspeicher dienen und so eine Laufzeit des Luftverdichters 50 zum Erzeugen des Drucks verkürzen. Dies kann dazu beitragen, den Luftverdichter 50 mit einer 2-Punkt-Regelung zu betreiben. Der Harnstofftank 40 kann mit einem Druck von beispielsweise bis zu 8 bar beaufschlagt werden. Der für den Harnstofftank 40 vorgesehene Druck sollte bei der Konstruktion des Harnstofftanks 40 berücksichtigt werden. Wenn der Harnstofftank 40 besonders stabil ausgelegt ist, kann dies auch dazu beitragen, dass bei einem Unfall kein Harnstoff austritt. Falls der Harnstoff in dem Harnstofftank 40 einfriert, löst sich die Frostschicht besser von einer Wandung des Harnstofftanks 40, wenn dieser unter Druck steht.
Zum Entlüften der Harnstoffleitung 41 ist eine Entlüftungsleitung 56 vorgesehen. Abhängig von einer Schaltstellung eines Entlüftungsventils 58 kann dann Luft aus dem Luftverdichter 50 dazu verwendet werden, den Harnstoff zumindest teilweise aus dem Harnstoffeinspritzventil 54 und über die Harnstoffleitung 41 hin zu dem Harnstofftank 40 zurück zu spülen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ein Kraftfahrzeug, in dem die Brennkraftmaschine 14 angeordnet ist, beispielsweise im Sommer bei hohen Temperaturen oder beispielsweise im Winter bei sehr niedrigen Temperaturen abgestellt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass der Harnstoff in der Harnstoffleitung 41 aufgrund der Hitze gerinnt oder aufgrund der Kälte gefriert. Dies kann zu einem zuverlässigen Betrieb des Harnstoffzumesssystems und zu einem geringen Verschleiß des Harnstoffzumesssystems beitragen. Das Einfrieren des Harnstoffs erschwert oder verhindert das Zumessen des Harnstoffs in den Abgastrakt 4. Dies verringert oder verhindert die Abgasnachbehandlung mittels des Harnstoffs. Dies führt zu einem Anstieg schädlicher Schadstoffemissionen. Auch das gerinnen des Harnstoff kann dazu beitragen, dass die Wirkung der Abgasnachbehandlung mittels des Harnstoffs verringert oder ganz verhindert wird.
Der Luftverdichter 50 kann weiterhin dazu genutzt werden, Druckluft zu erzeugen, die außerhalb der Brennkraftmaschine 14, beispielsweise außerhalb des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Dazu ist vorzugsweise ein Druckluftauslass 60 vorgesehen, an dem beispielsweise ein Aufsatz zum Aufpumpen eines Autoreifens und/oder eines Schlauchboots vorgesehen ist.
Eine Steuereinrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen mindestens eine Stellgröße, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuereinrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine 14 bezeichnet werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 25 als Vorrichtung zum Zumessen des Harnstoffs bezeichnet werden.
Die Sensoren sind beispielsweise ein Pedalstellungsgeber 26, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, ein Temperatursensor 32, der eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34, der einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, der einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl der Brennkraftmaschine 14 zugeordnet werden kann, ein Harnstofftankdrucksensor 46 zum Erfassen eines Luftdrucks in dem Harnstofftank 40. Ferner ist eine Abgassonde 38 vorgesehen, die beispielsweise stromabwärts des SCR-Katalysators 23 angeordnet ist und beispielsweise einen Stickoxidgehalt und/oder einen Harnstoffgehalt des Abgases erfasst.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Kraftstoff-Einspritzventil 18, das Harnstoffeinspritzventil 54, das Harnstoffventil 52, der Luftverdichter 50, das Entlüftungsventil 58 und/oder gegebenenfalls die Zündkerze.
Auf einem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 ist vorzugsweise ein Programm (3) zum Zumessen von Harnstoff mittels des Harnstoffzumesssystems abgespeichert.
Das Programm wird vorzugsweise in einem Schritt S1 gestartet, indem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
In einem Schritt S2 wird während eines Harnstoffzumessvorgangs INJ der Harnstoff dem Abgastrakt 4 zugemessen. Eine Harnstoffmasse, die während des Harnstoffzumessvorgangs INJ dem Abgastrakt 4 zugemessen wird, wird vorzugsweise mittels eines entsprechenden Programms zum Ermitteln der Harnstoffmasse von der Steuereinrichtung 25 ermittelt. Vorzugsweise wird die zuzumessende Harnstoffmasse abhängig von einem Stickoxidgehalt des Abgases ermittelt, beispielsweise abhängig von einem Messsignal der Abgassonde 38. Beispielsweise kann auf dem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 ein Kennfeld abgelegt sein, anhand dessen abhängig von dem Stickoxidgehalt des Abgases die entsprechende Harnstoffmasse ausgelesen werden kann. Das Kennfeld und gegebenenfalls weitere Kennfelder können beispielsweise an einem Motorprüfstand aufgezeichnet werden. Alternativ zu dem Kennfeld kann auf dem Speichermedium eine Modellrechnung abgelegt werden, anhand derer die Harnstoffmasse für den Harnstoffzumessvorgang INJ ermittelbar ist.
Vorzugsweise wird, beispielsweise wenn die Brennkraftmaschine 14 abgeschaltet wird, mittels einer Deaktivierungsanweisung DEACT in einem Schritt S3 ein Entlüften der Harnstoffleitung 41 eingeleitet.
Daraufhin wird in einem Schritt S4 vorzugsweise das Entlüftungsventil 58 geöffnet und das Harnstoffventil 52 geschlossen. Dies führt dazu, dass Druckluft in das Harnstoffeinspritzventil 54 so gepumpt wird, dass der Harnstoff zumindest teilweise aus dem Harnstoffeinspritzventil 54 und Harnstoff in der Harnstoffleitung 41 zurück zu dem Harnstofftank 40 gespült wird. Der Schritt S4 kann auch als Spülvorgangs CLEAN bezeichnet werden.
In einem Schritt S5 kann das Programm beendet werden. Vorzugsweise wird das Programm regelmäßig während des Betriebs der Brennkraftmaschine 14 abgearbeitet. Zusätzlich kann, falls das Programm beim Abschalten der Brennkraftmaschine 14 gestartet wird, in dem Schritt S15 der Druck in dem Harnstofftank 40 auf den Umgebungsdruck abgesenkt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Kraftstoffrückführleitung 44 thermisch mit dem Harnstofftank 40 gekoppelt werden zum Erwärmen des Harnstoffs in dem Harnstofftank 40. Ferner kann die Harnstoffleitung 41 mit der Kraftstoffrückführleitung 44 zum Erwärmen des Harnstoffs in der Harnstoffleitung 41 gekoppelt sein. Ferner kann das Harnstoffzumesssystem auch ohne den Druckanschluss 60 ausgebildet sein. Ferner kann der Spülvorgang CLEAN auch unabhängig von dem Abschalten der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Ferner kann bei einer Überlastung des Luftverdichters 50 der Luftverdichter 50 für eine vorgegebene Zeitdauer abgeschaltet werden. Der Harnstofftank 40 dient dann als Druckspeicher.