DE102014221957A1

DE102014221957A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung von Heizungen eines Förder- und Dosiersystems

Info

Publication number: DE102014221957A1
Application number: DE102014221957.4A
Authority: DE
Inventors: Marc Chaineux; Simon Latzel; Till Broestl; Thomas Farr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-04-28
Also published as: CN105545433B; CN105545433A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftauen eines Förder- und Dosiersystems für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases einer Brennkraftmaschine. Dabei wird eine maximal verfügbare elektrische Leistung während eines Aufheizzeitraums vollständig oder anteilig entsprechend einer zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgabe auf vorgesehene Heizungen verteilt. Eine Puls-Weiten-Modulation der Heizungen erfolgt derart, dass sich ausgegebene Pulse nicht oder nur für einen kleinstmöglichen Zeitraum überschneiden. Die Aufheizstrategie für das Förder- und Dosiersystem wird an Hand einer Energiebilanz für den Reduktionsmitteltank festgelegt. Das Verfahren und Vorrichtung führen zu einer erhöhten Auftaumenge innerhalb der Auftauzeit und bei kurzen Fahrtunterbrechungen zu einer optimierten Auftauzeit für das Förder- und Dosiersystem, so dass dessen Betriebsbereitschaft schnell und nachhaltig erreicht wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von zumindest zwei Heizungen eines Förder- und Dosiersystems für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer Steuereinheit zur Ansteuerung der zumindest zwei Heizungen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinheit zur Ansteuerung von zumindest zwei Heizungen eines Förder- und Dosiersystems für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases einer Brennkraftmaschine.
Zur Verringerung von Schadstoffemissionen ist es bekannt, Flüssigkeiten, insbesondere in Form von Reduktionsmitteln, in den Abgaskanal von Brennkraftmaschinen einzudosieren. So kann beispielsweise die Stickoxidemission von Verbrennungsmotoren durch eine Abgasnachbehandlung mittels selektiver katalytischer Reduktion (Selective Catalytic Reduction – SCR) vermindert werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Beispielhaft kann dazu Ammoniak verwendet werden, welches aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird. Um Ammoniak aus der Harnstoff-Wasser-Lösung zu gewinnen, wird diese in den Abgaskanal vor einen SCR-Katalysator dosiert.
Das SCR-System beinhaltet ein Förder- und Dosiersystem, welches im Wesentlichen aus einem Reduktionsmitteltank, einer Fördereinheit, einem Druckleitungssystem, einer Dosiereinheit, erforderlicher Sensorik und einer elektronischen Steuereinheit aufgebaut ist. Das Förder- und Dosiersystem beinhaltet außerdem Heizungen, um es auch bei tiefen Temperaturen in Dosierbereitschaft zu setzen. So hat eine heute üblicherweise als Reduktionsmittel verwendete Harnstoff-Wasser-Lösung einen Gefrierpunkt von –11°C und muss entsprechend bei niedrigeren Temperaturen aufgetaut werden. Das Heizsystem besteht üblicherweise aus einer Tankheizung, einer Druckleitungsheizung und einer Fördermodulheizung sowie Temperatursensoren und der dazugehörigen Heizungssteuerung. Die Ansteuerung der Heizungen erfolgt abhängig von Umgebungsbedingungen, beispielsweise von der Tanktemperatur oder von der Umgebungstemperatur. Dabei ist die maximal erlaubte Zeitdauer bis zur Dosierbereitschaft des Förder- und Dosiersystems zum Beispiel von der Environmental Protection Agency (EPA) vorgegeben.
Nachteilig bezüglich der Nachhaltigkeit der durchführbaren Abgasnachbehandlung bei nachfolgenden Fahrzyklen ist hierbei die von den vorliegenden Betriebsbedingungen und der vorgegebenen Aufheizstrategie abhängige, vergleichsweise geringe Menge an während eines Auftauzyklus in der maximal zulässigen Zeitdauer aufgetautem Reduktionsmittel.
Ein weiterer Nachteil der bestehenden Ansteuerung der Heizungen ergibt sich bei Verwendung ohmscher Heizungen, welche künftig vermehrt an Stelle von den bisher verwendeten Heizungen mit PTC-Elementen verwendet werden. Da bei ohmschen Heizungen der Strom bei gleichbleibender Spannung über den gesamten Betriebsbereich annähernd gleich bleibt kann es vorkommen, dass eine maximal zulässige elektrische Leistung bei voller Bestromung aller Heizungen überschritten wird. Zudem müssen Leiterplatten, Stecker und der Kabelbaum entsprechend aufwändig auf einen maximalen Strom ausgelegt werden.
Aus der Schrift DE 10 2008 059 751 A1 ist ein Verfahren zum Beheizen eines Fluid-Leitungssystems mit mindestens zwei elektrischen Heizelementen bekannt, welche elektrisch parallel betrieben werden, wobei jedes Heizelement separat mit einem zur Einstellung seiner Heizleistung individuell gesteuerten Betriebsstrom versorgt wird. Die Heizelemente des Heizsystems sind elektrisch parallel geschaltet und mit jeweils einem separaten Steuerglied verbunden, so dass die Heizleistung jedes Heizelementes über sein zugehöriges Steuerglied individuell steuerbar ist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Heizelemente bezüglich der PWM-Steuerung derart zeitversetzt angesteuert werden, dass sich ihre PWM-Signale nicht oder nur teilweise zeitlich überlappen mit dem Ziel, den maximalen Gesamtstrom des Heizsystems gering zu halten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Energiemanagementsystem für ein Förder- und Dosiersystems eines Reduktionsmittels zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, welches eine schnelle und effiziente Aufheizung des Systems mit den verfügbaren Energieressourcen ermöglicht.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Steuereinheit bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass entsprechend einer ersten Ansteuerung eine maximal verfügbare elektrische Leistung bestimmt wird und dass diese maximal verfügbare elektrische Leistung während eines Aufheizzeitraums vollständig oder anteilig entsprechend einer zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgabe auf die zumindest zwei Heizungen verteilt wird und/oder dass entsprechend einer zweiten Ansteuerung die Leistung der zumindest zwei Heizungen über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation eingestellt wird und dass den Pulsen innerhalb der Perioden der jeweiligen Puls-Weiten-Modulation jeweils ein Zeitoffset derart vorangestellt wird, dass sich die an die zumindest zwei Heizungen ausgegebenen Pulse nicht oder nur für einen kleinstmöglichen Zeitraum überschneiden und/oder dass entsprechend einer dritten Ansteuerung aus einer in einen Reduktionsmitteltank eingebrachten Leistung und einer aus dem Reduktionsmitteltank abgeführten Leistung eine Energiebilanz für den Reduktionsmitteltank erstellt wird und dass eine Aufheizstrategie für das Förder- und Dosiersystem in Abhängigkeit von dem Wärmeinhalt des Reduktionsmitteltanks vorgegeben wird. Die drei Ansteuerungen ermöglichen es, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verfügbare elektrische Energie effizient und orientiert an den vorliegenden Bedingungen zur Beheizung des Förder- und Dosiersystems einzubringen. Insbesondere durch die kombinierte Anwendung der drei Ansteuerungen lässt sich so ein Energiemanagementsystem bereitstellen, welches eine möglichst nachhaltige Herstellung der Betriebsbereitschaft des Förder- und Dosiersystems ermöglicht, bei der in einer vorgegebenen Zeit eine möglichst große Menge an flüssigem Reduktionsmittel bereitgestellt werden kann. Das Energiemanagementsystem ermöglicht insbesondere die Verwendung von ohmschen Heizern, ohne die verfügbaren Energieversorgungseinrichtungen zu überlasten. Der optimierte Energieeinsatz führt zu einer schnellen Aufheizung bei gleichzeitiger Vermeidung oder Reduzierung von Leistungsspitzen, so dass Leiterplatten, Stecker und der Kabelbaum für geringere Spitzenleistungen ausgelegt und somit kostengünstiger hergestellt werden können.
Dadurch, dass die maximal verfügbare Leistung bestimmt und an die Heizungen aufgeteilt wird, wird zum einen vermieden, dass die maximal mögliche elektrische Leistung überschritten und die Energieversorgung überlastet wird. Zum anderen kann diese maximal verfügbare Leistung vollständig genutzt werden. Durch die zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgaben kann die Heizleistung der vorgesehenen Heizungen während einer Aufheizphase verändert und so die Auftau-Effizienz optimiert werden. So kann beispielsweise in den ersten Minuten einer Aufheizphase ein Großteil der Leistung auf eine Haupt-Tankheizung und eine Druckleitungsheizung geleitet und erst mit Verzögerung ein Leistungsbudget für andere Heizungen bereitgestellt werden. Durch diese Maßnahmen kann die Auftaumenge bei gegebenen elektrischen Ressourcen gegenüber einer statisch vorgegebenen Leistungseinbringung deutlich erhöht werden.
Durch die zeitliche Anpassung der mittels Puls-Weiten-Modulation (PWM) an die jeweiligen Heizungen ausgegebenen Spannungspulse können kurzzeitige Leistungsspitzen vermieden oder reduziert werden. Dabei ermöglicht der vorgesehene Offset eine einfache Umsetzung und Integration in bestehende PWM-Steuerungen.
Aus der Energiebilanz kann ermittelt werden, wie viel Energie tatsächlich zum Auftauen des Förder- und Dosiersystems erforderlich ist. Die Aufheizzeit kann dadurch, beispielsweise über mehrere kürzere Fahrtunterbrechungen hinweg, angepasst werden, statt sie bei jedem Start neu zu bestimmen. Gegenüber den bekannten, fest vorgegebenen Auftauverfahren kann so die Gesamt-Auftauzeit über mehrere Fahrzyklen reduziert werden. Damit können unnötig lange Aufheizzeiten, in denen das Abgassystem seiner Reinigungsaufgabe nicht nachkommt, obwohl das Reduktionsmittel ausreichend aufgetaut ist, vermieden werden.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zur Durchführung der ersten Ansteuerung die maximal verfügbare elektrische Leistung fest vorgegeben wird oder dass die maximal verfügbare elektrische Leistung zumindest in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen oder von Fahrbedingungen oder von Eigenschaften des Förder- und Dosiersystems oder von einer bisher in das Förder- und Dosiersystem eingebrachten Heizleistung jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Abhängigkeiten vorgegeben wird. Die feste Vorgabe der maximal verfügbaren Leistung ist einfach und kostengünstig umzusetzen. Durch die Ermittlung der aktuell tatsächlich vorliegenden elektrischen Leistung kann in den meisten Betriebssituationen eine größere Leistung für die Heizungen bereitgestellt werden.
Das gesamte Energiemanagement kann dadurch weiter verbessert werden, dass zur Durchführung der ersten Ansteuerung weitere, nicht für die Beheizung vorgesehene Verbraucher des Förder- und Dosiersystems bei der Verteilung der maximal verfügbaren elektrischen Leistung berücksichtigt werden. Diese können sowohl bei der Bestimmung der maximal verfügbaren Leistung wie auch bei der zeitlich veränderbaren Leistungsvergabe berücksichtigt werden. Mögliche Verbraucher sind beispielsweise die Dosiereinheit oder auch die Verlustleistung von Leiterplatten.
Um die Pulse der an die einzelnen Heizungen ausgegebenen Puls-Weiten-Modulationen zeitlich aufeinander abstimmen zu können kann es vorgesehen sein, dass zur Durchführung der zweiten Ansteuerung die Periodendauern der an die zumindest zwei Heizungen ausgegebenen Puls-Weiten-Modulationen in einem ganzzahligen vielfachen Verhältnis zueinander stehen.
Dabei lassen sich eine gleichmäßige Leistungsabgabe und gleichzeitig eine größtmögliche mittlere abgegebene Heizleistung dadurch erzielen, dass zur Durchführung der zweiten Ansteuerung dem jeweiligen Zeitoffset eine Dauer zwischen 0s und der Periodendauer abzüglich der Pulsweite zugewiesen wird.
Der Energieinhalt des Förder- und Dosiersystems kann dadurch ermittelt werden, dass zur Durchführung der dritten Ansteuerung zur Erstellung der Energiebilanz ein Modell verwendet wird, welches die eingebrachte Leistung zumindest aus einer Heizleistung der zumindest zwei Heizungen oder einer aufgenommenen Leistung einer Förderpumpe oder einer aufgenommenen Leistung einer Rückförderpumpe oder einer aufgenommen Leistung einer Dosiereinheit oder einer aufgenommenen Leistung eines weiteren elektrischen Verbrauchers des Förder- und Dosiersystems jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Leistungen bestimmt und/oder dass das Modell die abgeführte Leistung zumindest aus einer Umgebungstemperatur oder einer Tanktemperatur jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Parameter bestimmt.
Um schnellstmögliche eine nachhaltige Betriebsbereitschaft des Förder- und Dosiersystems mit einer ausreichenden Menge an aufgetautem Reduktionsmittel zu erlangen kann es vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von der Energiebilanz ein standardisierter Auftauzyklus oder ein verkürzter Auftauzyklus und/oder eine Umverteilung der Heizleistung auf eine Heizung oder mehrere der zumindest zwei Heizungen erfolgt. Das Energiemanagementsystem kann so in Kenntnis des tatsächlichen Energieinhaltes des Förder- und Dosiersystems die Heizungen derart ansteuern, dass möglichst schnell eine ausreichende Menge des Reduktionsmittels aufgetaut vorliegt, um mit der Abgasnachbehandlung zu beginnen.
Während der Ausschaltzeit der Brennkraftmaschine kühlt das Reduktionsmittel bei entsprechend niedrigen Umgebungstemperaturen ab oder es heizt sich bei höheren Umgebungstemperaturen auf. Um dies in der Energiebilanz zu berücksichtigen kann es vorgesehen sein, dass die abgeführte Leistung während der Ausschaltzeit der Brennkraftmaschine und der Steuereinheit aus einer ersten Umgebungstemperatur beim Abschalten der Brennkraftmaschine, einer zweiten Umgebungstemperatur beim Einschalten der Brennkraftmaschine und einer Abschaltdauer bestimmt wird und/oder dass eine Maximaldauer für die Ausschaltzeit vorgegeben wird und dass bei Unterschreiten der Maximaldauer die Energiebilanz erstellt und bei der Wahl der Aufheizstrategie berücksichtigt wird und dass bei Überschreiten der Maximaldauer der standardisierte Aufheizzyklus durchgeführt wird. Liegt die Abschaltdauer über der Maximaldauer, lässt sich der Temperaturverlauf während der Ausschaltzeit durch die Anfangs- und Endtemperatur nicht mehr mit ausreichender Sicherheit beschreiben und damit die Energiebilanz nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit erstellen. Daher wird bei zu langer Ausschaltzeit auf den standardisierten Aufheizzyklus zurückgegriffen.
Die die Steuereinheit betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit eine Verarbeitungseinrichtung enthält, welche entsprechend einer ersten Ansteuerung eine maximal verfügbare elektrische Leistung bestimmt und diese maximal verfügbare elektrische Leistung während eines Aufheizzeitraums vollständig oder anteilig entsprechend einer zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgabe auf die zumindest zwei Heizungen verteilt und/oder dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, entsprechend einer zweiten Ansteuerung die Leistung der zumindest zwei Heizungen über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation einzustellen und dabei den Pulsen innerhalb der Perioden der Puls-Weiten-Modulationen jeweils ein Zeitoffset derart voranzustellen, dass sich die an die zumindest zwei Heizungen ausgegebenen Pulse nicht oder nur für einen kleinstmöglichen Zeitraum überschneiden und/oder dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, entsprechend einer dritten Ansteuerung eine in einen Reduktionsmitteltank eingebrachte Leistung und eine aus dem Reduktionsmitteltank abgeführten Leistung zu bestimmten, daraus eine Energiebilanz für den Reduktionsmitteltank zu erstellen und eine Aufheizstrategie für das Förder- und Dosiersystem in Abhängigkeit von dem Wärmeinhalt des Reduktionsmitteltanks vorzugegeben. Die Steuereinheit ermöglicht so die Ansteuerung der Heizungen des Förder- und Dosiersystems entsprechend dem beschriebenen Verfahren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Förder- und Dosiersystem für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Abgasen,
2 ein Szenario einer dynamischen Leistungsverteilung entsprechend einer zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgabe,
3 von drei Endstufen nicht koordiniert ausgegebene Pulse zur Leistungssteuerung von Heizungen über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation,
4 von den drei Endstufen koordiniert ausgegebene Pulse zur Leistungssteuerung von Heizungen über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation und
5 die Leistungsabgabe einer ersten Endstufe innerhalb einer Periodendauer t_period in einem Ausführungsbeispiel mit einem Puls ES1.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung in einer möglichen Ausführungsform ein Förder- und Dosiersystem 10 für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Abgasen in einer Ausführungsvariante mit einer Rückförderpumpe 14.2 und damit das technische Umfeld, in dem die Erfindung angewendet werden kann.
Das Förder- und Dosiersystem 10 beinhalten einen Reduktionsmitteltank 11, eine Fördereinheit 12, ein Druckleitungssystem mit zumindest einer Druckleitung 16.3, eine Dosiereinheit 15, erforderliche Sensorik und eine elektronische Steuereinheit 20.
Die Fördereinheit 12 ist aus einem Zuführungssystem 13 und einem Rückfördersystem 14 aufgebaut. Das Zuführungssystem 13 ist dabei aus einer Förderpumpe 13.2, einem ersten Einlassventil 13.1 und einem ersten Auslassventil 13.3 gebildet. Die Förderpumpe 13.2 ist eingangsseitig über das erste Einlassventil 13.1 und einen Zulauf 16.1 an den Reduktionsmitteltank 11 angeschlossen. Ausgangsseitig ist die Förderpumpe 13.2 über das erste Auslassventil 13.3 und über die Druckleitung 16.3 mit der Dosiereinheit 15 verbunden. Eine Abzweigung 16.4 der Druckleitung 16.3 verbindet diese mit dem Rückfördersystem 14. Dieses ist aus der Rückförderpumpe 14.2, einem zweiten Einlassventil 14.3 und einem zweiten Auslassventil 14.1 aufgebaut. Die Abzweigung 16.4 verbindet die Druckleitung 16.3 über das zweite Einlassventil 14.3 mit dem Einlass der Rückförderpumpe 14.2. Ein Auslass der Rückförderpumpe 14.2 verbindet diese über das zweite Auslassventil 14.1 und einen Rücklauf 16.2 mit dem Reduktionsmitteltank 11.
In dem Reduktionsmitteltank 11 sind ein Tank-Temperatursensor 21 und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Tankheizung 22 angeordnet. Alternativ können auch mehr als eine Tankheizung, vorzugsweise zwei Tankheizungen, vorgesehen sein. Eine weitere Heizung ist als Druckleitungsheizung 23 an der Druckleitung 16.3 angeordnet.
Der Tank-Temperatursensor 21, die Tankheizung 22, die Förderpumpe 13.2, die Rückförderpumpe 14.2, die Druckleitungsheizung 23 und die Dosiereinheit 15 sind mit der Steuereinheit 20 elektrisch verbunden.
Die Dosiereinheit 15 sprüht entsprechend einer Ansteuerung durch die Steuereinheit 20 das Reduktionsmittel in einen nicht dargestellten Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Dort erfolgt im Rahmen einer selektiven katalytischen Reduktion an einem nachfolgenden SCR-Katalysator eine Reduzierung von in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden. Zum Aufbau des für die Dosierung notwendigen Drucks pumpt die Förderpumpe 13.2 das Reduktionsmittel von dem Reduktionsmitteltank 11 in die Druckleitung 16.3 und bildet dort den erforderlichen Betriebsdruck aus. Das erste Einlassventil 13.1 und das erste Auslassventil 13.3 verhindern dabei einen Rücklauf des Reduktionsmittels bei nicht laufender Förderpumpe 13.2. Das Rückfördersystem 14 dient der Entleerung des Druckleitungssystems.
Als Reduktionsmittel ist eine auch als Diesel Exhaust Fluid (DEF) bezeichnete Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Gefrierpunkt von –11°C vorgesehen. Liegen Temperaturen unter –11°C vor, gefriert das Reduktionsmittel. Um auch bei diesen Temperaturen die vorgeschriebene Abgasnachbehandlung mittels selektiver katalytischer Reduktion durchführen zu können sind Heizsysteme vorgesehen, mit welchen das Reduktionsmittel während des Betriebs der Brennkraftmaschine aufgetaut und flüssig gehalten werden kann. Erkennt beispielsweise der Tank-Temperatursensor 21 zu niedrige Temperaturen des Reduktionsmittels in dem Reduktionsmitteltank 11, steuert die Steuereinheit 20 die Tankheizung 22 an, so dass das Reduktionsmittel aufgetaut bzw. flüssig gehalten wird. Entsprechend heizt die Druckleitungsheizung 23 das Druckleitungssystem auf. Nicht dargestellt können auch die Rückförderpumpe 14.2 und die Förderpumpe 13.2 sowie die Dosiereinheit 15 jeweils eine Heizung aufweisen. Auch kann eine zusätzliche Tankheizung vorgesehen sein. Weiterhin sind abweichende Aufbauten des Förder- und Dosiersystems 10 möglich, in denen beispielsweise ein PTC-Heizer für das Fördermodul und darin insbesondere für einen Filter und einen Pumpenkopf vorgesehen ist oder es können Förder- und Dosiersysteme 10 vorgesehen sein, bei denen an Stelle der Rückförderpumpe 14.2 ein 4/2-Wege-Ventil vorgesehen ist. Dabei kann die Beheizung des 4/2-Wege-Ventils beispielsweise durch eine entsprechende Bestromung von dessen Magnetspule erfolgen. Zur Energieversorgung der Heizungen 22, 23 sind der Steuereinheit 20 nicht dargestellt Endstufen zugeordnet oder in dieser integriert. Die Leistungsstellung der Heizungen 22, 23 erfolgt über Puls-Weiten-Modulation (PWM).
Zur Vermeidung unnötig langer Auftauzeiten für das Förder- und Dosiersystem 10 wird erfindungsgemäß eine Wärmebilanz für den Reduktionmitteltank 11 erstellt. Das Modell zur Erstellung der Wärmebilanz ermittelt dazu die in den Reduktionmitteltank 11 eingebrachte und die abgeführte Leistung. Je nach dem Verhältnis der eingebachten und abgeführten Leistung und somit des Energieinhaltes des Reduktionmitteltanks 11 kann in einer gleichen Zeit eine unterschiedliche Menge des Reduktionsmittels aufgetaut werden. Für die Ermittlung der eingebrachten Leistung berücksichtigt das Modell zumindest die Energiezufuhr über die Heizungen 22, 23 und die Pumpen 13.2, 14.2 des Förder- und Dosiersystems 10 sowie den Einbauort des Reduktionmitteltanks 11. Die abgeführte Leistung ergibt sich zumindest aus der Umgebungstemperatur, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Tanktemperatur sowie dem Einbauort des Reduktionmitteltanks 11 mit der vorliegenden thermischen Isolation. Das Modell ermittelt eine Menge des flüssigen Reduktionsmittels in dem Reduktionmitteltank 11 sowie eine Auftau- bzw. Einfrierrate. Daraus abgeleitet wird entschieden, ob ein vollständiger, standardisierte Auftauzyklus, beispielsweise ein von der Environmental Protection Agency (EPA) vorgegebene Auftauzyklus, oder ein verkürzter Auftauzyklus vorgesehen wird, um möglichst schnell die nachhaltige Betriebsbereitschaft des Förder- und Dosiersystems 10 zu erreichen. An Hand des Modells kann weiterhin entschieden werden, ob die verfügbare Heizenergie auf bestimmte Heizkreise konzentriert wird oder ob die Abgasnachbehandlung mit einer limitierten Dosiermenge durchgeführt werden muss. Um auch Ausschaltzeiten der Brennkraftmaschine und der Steuereinheit 20 bei der Erstellung der Energiebilanz mit zu berücksichtigen, werden unter den Annahmen, dass sich die Umgebungstemperatur nur vergleichsweise langsam ändert und dass zusätzliche Wärmeeinträge nicht oder nur kurzzeitig erfolgen, die eingebrachte und die abgegebene Leistung an Hand der Temperaturen beim Abstellen und beim Wiedereinschalten der Brennkraftmaschine und der Steuereinheit 20 bestimmt. Das Modell verwendet dazu die Ausschaltdauer t_{i abstell} sowie eine aus den beiden Temperaturen berechnete Temperatur. Die berechnete Temperatur kann beispielsweise über eine Mittelung oder gewichtet über eine hinterlegte Funktion, beispielsweise über eine e-Funktion, bestimmt werden. Überschreitet die Ausschaltdauer t_{i abstell} einen vorgegebenen Grenzwert t_{i abstell,max}, so ist die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung der Energiebilanz nicht mehr ausreichend, um einen reduzierten Auftauzyklus anzuwenden, da der Temperaturverlauf während der Abschaltzeit nicht mehr mit ausreichender Sicherheit vorhergesagt werden kann. Die Zuverlässigkeit der Vorhersage kann mit dem Zusammenhang 1 – (t_{i abstell}/t_{i abstell,max.}) beschrieben werden. Ist der Wert der so ermittelten Zuverlässigkeit größer als eine vorgegebene Schwelle, beispielsweise größer als 0, wird die Energiebilanz erstellt und die weitere Aufheizstrategie an Hand der Energiebilanz festgelegt. Ist die Zuverlässigkeit kleiner als die Schwelle, beispielsweise kleiner als 0, und die Umgebungstemperatur größer als eine einstellbare Temperaturschwelle, beispielsweise größer als die Schmelztemperatur des verwendeten Reduktionsmittels, wird die Betriebsbereitschaft des Förder- und Dosiersystem 10 durch einen verkürzten Auftauzyklus schnellstmöglich hergestellt. Ist die Zuverlässigkeit kleiner als die Schwelle und die Umgebungstemperatur kleiner als die Temperaturschwelle, erfolgt ein standardisierter Auftauzyklus.
2 zeigt ein mögliches Szenario einer dynamischen Leistungsverteilung entsprechend einer zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgabe auf verschiedene Verbraucher eines Förder- und Dosiersystems 10. Die Leistungsverteilung ist dabei gegenüber einer Anteilsachse 30 und einer ersten Zeitachse 31 aufgetragen. Die Anteilsachse 30 skaliert eine elektrische Leistung zwischen 0% und 100%. 100% entspricht dabei einer zuvor ermittelten, maximal verfügbaren elektrischen Leistung. Durch entsprechende schraffierte Bereiche sind die zeitlichen Verläufe der an die verschiedenen Verbraucher abgegebenen Leistungen dargestellt. Ein erster Leistungsanteil 32 stellt dabei die an die in 1 gezeigte Tankheizung 22 abgegebene elektrische Leistung dar. Ein zweiter Leistungsanteil 33 ist einer zusätzlichen Tankheizung, ein dritter Leistungsanteil 34 der Druckleitungsheizung 23, ein vierter Leistungsanteil 35 der Förderpumpe 13.2, ein fünfter Leistungsanteil 36 der Dosiereinheit 15 und ein sechster Leistungsanteil 27 weiteren Verbrauchern zugeordnet.
Während in dem Ausführungsbeispiel am Anfang der Aufheizphase der überwiegende Anteil der verfügbaren Leistung an die Tankheizung 22 und die Druckleitungsheizung 23 abgegeben wird, steigt mit fortschreitender Aufheizphase der Anteil der zusätzlichen Tankheizung, wobei zum Ausgleich vor allem der dritte Leistungsanteil 34 der Druckleitungsheizung reduziert wird. Das Szenario kann an die jeweils vorliegenden Bedingungen derart angepasst werden, so dass die Betriebsbereitschaft des Förder- und Dosiersystems 10 schnellstmöglich nachhaltig hergestellt werden kann. Dazu können Daten der zuvor erstellten Energiebilanz des Reduktionsmitteltanks 11 berücksichtigt werden. In der Umsetzung empfängt eine in der Steuereinheit 20 angeordnete Koordinatorfunktion den Heizbedarf der Komponenten als auch die insgesamt zur Verfügung stehende elektrische Leistung. Nach Identifikation des gegenwärtigen Szenarios verteilt der Koordinator die Leistung auf die Heizkreise, so dass eine Leistungsauslastung von 100% vorliegt. Die maximale Leistungsauslastung kann, beispielsweise auf Grund von Einschränkungen durch Komponenten, dem Gesamtsystem oder Umgebungsbedingungen, auch reduziert sein. Die verfügbare Leistung kann die den Heizungen 22, 23 oder dem gesamten Förder- und Dosiersystem 10 zugeschriebene Leistung sein. So kann, wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, auch der Leistungsverbrauch bei Aktivierung der Dosiereinheit 15 und/oder eine Verlustleistung einer Leiterplatte berücksichtigt werden. Optional ist es möglich, den Leistungsbedarf einzelner Heizungen 22, 23 nicht in das beschriebene Energiemanagement einzubeziehen, beispielsweise eine kundenseitig bereitgestellte Druckleitungsheizung 23. Durch die gezeigte dynamische Leistungsverteilung an die Verbraucher ist eine stabile Energieaufnahme des Systems gewährleistet. Dies wirkt Bordnetzschwankungen auf Grund von unkoordinierten Aktivierungen von Verbrauchern entgegen. Weiterhin ergibt sich eine optimierte Aufheizeffizienz.
3 zeigt von drei Endstufen nicht koordiniert ausgegebene Pulse 42, 43, 44 zur Leistungssteuerung von drei Heizungen 22, 23 des Förder- und Dosiersystems 10 über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation. Ein erster Puls ES1 42 einer ersten Endstufe, ein zweiter Puls ES2 43 einer zweiten Endstufe und ein dritter Puls ES3 44 einer dritten Endstufe sind dabei gegenüber einer Leistungsachse 40 und einer zweiten Zeitachse 41 aufgetragen. Eine verfügbare Heizleistung 45 ist durch eine gestrichelte Linie markiert. Durch die nicht koordinierte Pulsausgabe der Endstufen liegen alle Pulse 42, 43, 44 zeitgleich vor, so dass sich Leistungsspitzen ergeben, welche deutlich über der verfügbaren Heizleistung 45 liegen und ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs überlasten können.
4 zeigt von den drei Endstufen koordiniert ausgegebene Pulse 42, 43, 44 zur Leistungssteuerung von drei Heizungen 22, 23 über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation. Dabei sind die gleichen Bezeichner wie zu 3 eingeführt verwendet. Zusätzlich ist eine Periodendauer t_period 46 dargestellt, nach der sich die Abfolge der Pulse 42, 43, 44 wiederholt. Durch eine exakte Steuerung der Pulsausgaben der Endstufen innerhalb ihrer Periodendauern sind die Pulse 42, 43, 44 derart angeordnet, dass sie sich nicht oder nur möglichst kurzzeitig überschneiden. Dazu ist der Puls ES1 42 zeitlich am Anfang der Periode, der Puls ES2 43 in der Mitte der Periode und der Puls ES3 44 am Ende der Periode angeordnet. Um den Gesamtbedarf der angeforderten elektrischen Leistung bereitstellen zu können überlappen sich der Puls ES1 42 und der Puls ES2 43 kurzzeitig. Durch die koordinierte Ausgabe der Pulse 42, 43, 44 können Leistungsspitzen vermieden oder zumindest abgeschwächt werden. Die für die drei Heizungen 22, 23 aufgebrachte Gesamtleistung bleibt dadurch nicht nur in ihrem Mittelwert, sondern auch bezüglich kurzer Leistungsspitzen innerhalb einer Periode zumindest weitestgehend unter der verfügbaren Heizleistung 45. Durch diese Maßnahme kann die mittlere an die Heizungen 22, 23 abgegebene Leistung gegenüber eine nicht koordinierten Ansteuerung der Endstufen angehoben werden, ohne ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs während innerhalb einer Periode auftretender Leistungsspitzen zu überlasten. Dadurch kann die Auftaumenge an Reduktionsmittel in gegebener Zeit vergrößert werden.
5 zeigt die Leistungsabgabe einer ersten Endstufe innerhalb der Periodendauer t_period 46 in einem Ausführungsbeispiel mit einem Puls ES1 42. Der Puls ES1 42 ist wieder gegenüber der Leistungsachse 40 und der zweiten Zeitachse 41 aufgetragen. Eine durch einen Doppelpfeil markierte Pulsweite 48 zeigt die Dauer des Pulses ES1 42 innerhalb der Periodendauer t_period 46 an. Erfindungsgemäß ist der Puls ES1 42 innerhalb der Periode t_period 46 durch eine entsprechende Ansteuerung der ersten Endstufe durch die Steuereinheit 20 um einen Zeitoffset 47 verzögert. Durch Vorgabe des Zeitoffsets 47 kann die Ausgabe des Pulses ES1 42 innerhalb der Periodendauer 46 frei gewählt werden. Durch entsprechende Vorgaben von Zeitoffsets 47 für die in 4 gezeigten weiteren Pulse 43, 44 können diese zeitlich so angeordnet werden, dass sich die drei Pulse 42, 43, 44, wie in 4 gezeigt, nicht oder nur für einen kleinstmöglichen Zeitraum überschneiden. Die Periodendauern der an die drei Heizungen ausgegebenen Puls-Weiten-Modulationen können dabei unterschiedlich sein, stehen aber entsprechend dem nachfolgenden Zusammenhang vorteilhaft in einem ganzzahligen vielfachen Verhältnis zueinander, so dass sich eine wiederholte Abfolge der Pulse 42, 43, 44 ergibt. t_period1 = n₂ × t_period2 = n₃ × t_period3
Dabei ist t_period1 die Periodendauer 46 der ersten Endstufe, t_period2 die der zweiten Endstufe und t_period3 die der dritten Endstufe. n ist eine ganze Zahl ungleich 0. Eine besonders einfache Ansteuerung der Endstufen ergibt sich, wenn die Periodendauern 46 gleich gewählt sind, wenn also n₂ = n₃ = 1 vorliegt.
Die Pulsweite 48 berechnet sich aus einem Faktor r_DutyCycle und der Periodendauer t_period 46: Pulsweite = r_DutyCycle × t_period
r_DutyCycle kann einen Wert von 0 bis 1 einnehmen. Für den Zeitoffset 47 ergibt sich dann: t_offset ≤ t_period – (r_DutyCycle × t_period)
Über den Zeitoffset 47 kann somit eine Optimierung der Leistungsspitzen vorgenommen werden. Diese Optimierung wird entweder über einen Algorithmus dynamisch bestimmt oder mittels vordefinierter Konfigurationen festgelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059751 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung von zumindest zwei Heizungen (22, 23) eines Förder- und Dosiersystems (10) für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer Steuereinheit (20) zur Ansteuerung der zumindest zwei Heizungen, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend einer ersten Ansteuerung eine maximal verfügbare elektrische Leistung bestimmt wird und dass diese maximal verfügbare elektrische Leistung während eines Aufheizzeitraums vollständig oder anteilig entsprechend einer zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgabe auf die zumindest zwei Heizungen (22, 23) verteilt wird und/oder dass entsprechend einer zweiten Ansteuerung die Leistung der zumindest zwei Heizungen (22, 23) über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation eingestellt wird und dass den Pulsen (42, 43, 44) innerhalb der Perioden der jeweiligen Puls-Weiten-Modulation jeweils ein Zeitoffset (47) derart vorangestellt wird, dass sich die an die zumindest zwei Heizungen (22, 23) ausgegebenen Pulse nicht oder nur für einen kleinstmöglichen Zeitraum überschneiden und/oder dass entsprechend einer dritten Ansteuerung aus einer in einen Reduktionsmitteltank (11) eingebrachten Leistung und einer aus dem Reduktionsmitteltank (11) abgeführten Leistung eine Energiebilanz für den Reduktionsmitteltank (11) erstellt wird und dass eine Aufheizstrategie für das Förder- und Dosiersystem (10) in Abhängigkeit von dem Wärmeinhalt des Reduktionsmitteltanks (11) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der ersten Ansteuerung die maximal verfügbare elektrische Leistung fest vorgegeben wird oder dass die maximal verfügbare elektrische Leistung zumindest in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen oder von Fahrbedingungen oder von Eigenschaften des Förder- und Dosiersystems (10) oder von einer bisher in das Förder- und Dosiersystem (10) eingebrachten Heizleistung jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Abhängigkeiten vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der ersten Ansteuerung weitere, nicht für die Beheizung vorgesehene Verbraucher des Förder- und Dosiersystems (10) bei der Verteilung der maximal verfügbaren elektrischen Leistung berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der zweiten Ansteuerung die Periodendauern (46) der an die zumindest zwei Heizungen (22, 23) ausgegebenen Puls-Weiten-Modulationen in einem ganzzahligen vielfachen Verhältnis zueinander stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der zweiten Ansteuerung dem jeweiligen Zeitoffset (47) eine Dauer zwischen 0s und der Periodendauer (46) abzüglich der Pulsweite (48) zugewiesen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der dritten Ansteuerung zur Erstellung der Energiebilanz ein Modell verwendet wird, welches die eingebrachte Leistung zumindest aus einer Heizleistung der zumindest zwei Heizungen (22, 23) oder einer aufgenommenen Leistung einer Förderpumpe (13.2) oder einer aufgenommenen Leistung einer Rückförderpumpe (14.2) oder einer aufgenommen Leistung einer Dosiereinheit (15) oder einer aufgenommenen Leistung eines weiteren elektrischen Verbrauchers des Förder- und Dosiersystems (10) jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Leistungen bestimmt und/oder dass das Modell die abgeführte Leistung zumindest aus einer Umgebungstemperatur oder einer Tanktemperatur jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Parameter bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Energiebilanz ein standardisierter Auftauzyklus oder ein verkürzter Auftauzyklus und/oder eine Umverteilung der Heizleistung auf eine Heizung (22, 23) oder mehrere der zumindest zwei Heizungen (22, 23) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeführte Leistung während der Ausschaltzeit der Brennkraftmaschine und der Steuereinheit (20) aus einer ersten Umgebungstemperatur beim Abschalten der Brennkraftmaschine, einer zweiten Umgebungstemperatur beim Einschalten der Brennkraftmaschine und einer Abschaltdauer bestimmt wird und/oder dass eine Maximaldauer für die Ausschaltzeit vorgegeben wird und dass bei Unterschreiten der Maximaldauer die Energiebilanz erstellt und bei der Wahl der Aufheizstrategie berücksichtigt wird und dass bei Überschreiten der Maximaldauer der standardisierte Aufheizzyklus durchgeführt wird.
Steuereinheit (20) zur Ansteuerung von zumindest zwei Heizungen (22, 23) eines Förder- und Dosiersystems (10) für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) eine Verarbeitungseinrichtung enthält, welche entsprechend einer ersten Ansteuerung eine maximal verfügbare elektrische Leistung bestimmt und diese maximal verfügbare elektrische Leistung während eines Aufheizzeitraums vollständig oder anteilig entsprechend einer zeitlich veränderbaren Prioritätsvorgabe auf die zumindest zwei Heizungen (22, 23) verteilt und/oder dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, entsprechend einer zweiten Ansteuerung die Leistung der zumindest zwei Heizungen (22, 23) über jeweils eine Puls-Weiten-Modulation einzustellen und dabei den Pulsen (42, 43, 44) innerhalb der Perioden der Puls-Weiten-Modulationen jeweils ein Zeitoffset (47) derart voranzustellen, dass sich die an die zumindest zwei Heizungen (22, 23) ausgegebenen Pulse nicht oder nur für einen kleinstmöglichen Zeitraum überschneiden und/oder dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, entsprechend einer dritten Ansteuerung eine in einen Reduktionsmitteltank (11) eingebrachte Leistung und eine aus dem Reduktionsmitteltank (11) abgeführten Leistung zu bestimmten, daraus eine Energiebilanz für den Reduktionsmitteltank (11) zu erstellen und eine Aufheizstrategie für das Förder- und Dosiersystem (10) in Abhängigkeit von dem Wärmeinhalt des Reduktionsmitteltanks (11) vorzugegeben.