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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Förder- und Dosiersystems für die Reduktionsmittellösung eines SCR-Katalysators in einem Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und ein elektronisches Steuergerät, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind.
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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) vorgesehen ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt. Oftmals wird für die Bereitstellung von Ammoniak eine wässrige Harnstofflösung eingesetzt, die stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrang eingespritzt wird.
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Zur Förderung und Dosierung der Reduktionsmittellösung, also der wässrigen Harnstofflösung (z. B. AdBlue®) ist im Allgemeinen ein hydraulisches Förder- und Dosiersystem vorgesehen, das einen Tank für die Reduktionsmittellösung, eine Förderpumpe (Fördermodul), Leitungen, unter anderem eine hydraulische Versorgungsleitung, und ein oder mehrere Dosierventile (Dosiermodul) umfasst.
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Bei tiefen Temperaturen gefriert die Reduktionsmittellösung. Beispielsweise liegt der Gefrierpunkt der Lösung AdBlue® bei ca. –11 °C. Es sind daher in der Regel ein oder mehrere Heizungen für das Förder- und Dosiersystem vorgesehen, um bei tiefen Außentemperaturen die Lösung auftauen und das System in Dosierbereitschaft versetzen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem Verfahren zum Betreiben eines Förder- und Dosiersystems für die Reduktionsmittellösung eines SCR-Katalysators in einem Kraftfahrzeug aus, wobei das Förder- und Dosiersystem wenigstens einen Tank für die Reduktionsmittellösung, wenigstens ein Fördermodul, Leitungen und wenigstens ein Dosiermodul aufweist. Weiterhin sind eine oder mehrere Einrichtungen zum Beheizen des Förder- und Dosiersystems vorgesehen, beispielsweise eine Heizeinrichtung für den Tank, eine oder mehrere Heizeinrichtungen für das Fördermodul, eine Heizeinrichtung für das Dosiermodul und ein oder mehrere Heizeinrichtungen für die verschiedenen Leitungen in dem System. Erfindungsgemäß wird ein Beheizen des Förder- und Dosiersystems auf der Basis von streckenbasierten Informationen über eine geplante Kraftfahrzeugroute gesteuert. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Berücksichtigung von streckenbasierten Informationen ein überflüssiges Beheizen des Förder- und Dosiersystems und damit ein überflüssiger Energieverbrauch vermieden. Zusammenfassend werden erfindungsgemäß streckenbasierte Informationen genutzt, um das Beheizen des Förder- und Dosiersystems in streckenabhängiger und damit bedarfsgerechter Weise zu optimieren und zu maximieren, wobei es dabei vorzugsweise nicht zu einem unnötigen Energieverbrauch kommt.
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Mit dem Ausdruck "Kraftfahrzeugroute" ist der Fahrzyklus zwischen Start und Ziel gemeint, wobei hierfür eine Eingabe des geplanten Ziels durch den Fahrzeugführer über eine geeignete Schnittstelle erforderlich ist, bevor das Kraftfahrzeug in Bewegung gesetzt wird oder zu Beginn der Fahrt, also beispielsweise kurz nach dem Start.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt seine Vorteile insbesondere bei tiefen Außentemperaturen. Niedrige Temperaturen, insbesondere Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes der jeweils verwendeten Reduktionsmittellösung, z.B. Temperaturen von –11 °C oder weniger, können zum Einfrieren der Reduktionsmittellösung führen, vor allem, wenn ein Kraftfahrzeug beispielsweise über Nacht abgestellt wird. Die Reduktionsmittellösung kann dabei vor allem in der Versorgungsleitung, aber auch im Tank selbst einfrieren. Um eine optimale Abgasnachbehandlung zu gewährleisten, muss das Reduktionsmittel aufgetaut werden, so dass es in flüssiger Form zur Verfügung steht und in bedarfsabhängiger Weise in den Abgasstrang eingespritzt werden kann. Für ein Beheizen des Förder- und Dosiersystems zur Bereitstellung von flüssigem Reduktionsmittel werden üblicherweise entsprechende Heizeinrichtungen über die Bordbatterie und/oder über die thermische Energie eines Motorkühlmittels betrieben. Insbesondere der Ladungszustand der Bordbatterie kann jedoch kritisch sein, so dass eine übermäßige Beanspruchung der Bordbatterie zu Problemen führt. Vor allem bei niedrigen Außentemperaturen ist eine ausreichende Batterieleistung erforderlich, um das Starten des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Vor diesem Hintergrund ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft, da eine Überbeanspruchung insbesondere der Bordbatterie für das erforderliche Beheizen des Förder- und Dosiersystems vermieden wird. Dennoch wird durch die Berücksichtigung von streckenbasierten Informationen für die Steuerung der Beheizung des Förderund Dosiersystems gewährleistet, dass so schnell wie möglich eine ausreichende flüssige Reduktionsmittellösungsmenge bereitgestellt werden kann, so dass nach dem Start des Kraftfahrzeugs eine optimale Abgasnachbehandlung über das SCR-System so schnell wie möglich erfolgen kann.
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Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Kraftfahrzeugführer zu Beginn eines Fahrzyklus das geplante Ziel des Fahrzyklus in geeigneter Weise in ein entsprechendes System des Kraftfahrzeugs einspeist, damit streckenbasierte Informationen ermittelt und erfindungsgemäß berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann hierfür der Kraftfahrzeugführer das geplante Fahrziel in ein übliches, im Kraftfahrzeug vorgesehenes Navigationsgerät eingeben. Mittels dieser Zieleingabe und der daraus ableitbaren Kraftfahrzeugroute werden erfindungsgemäß verschiedene Informationen ermittelt, auf deren Basis Aussagen über den voraussichtlichen Reduktionsmittelverbrauch getroffen werden können. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird aus den streckenbasierten Informationen abgeleitet, ob auf der geplanten Strecke der SCR-Katalysator bzw. das SCR-Katalysatorsystem überhaupt aktiv sein wird. Beispielsweise bei einer sehr kurzen Fahrstrecke kann es voraussagbar sein, dass der SCR-Katalysator nicht die erforderliche Betriebstemperatur erreichen wird, so dass in diesem Fall auch keine flüssige Reduktionsmittellösung erforderlich sein wird. In diesem Fall würde ein Beheizen des Förder- und Dosiersystems keinen Nutzen bringen, so dass in diesem Fall die Heizeinrichtungen erfindungsgemäß nicht aktiviert werden, wodurch Energie, insbesondere Batterieenergie, eingespart werden kann.
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Weiterhin kann in bevorzugter Weise unter Berücksichtigung der streckenbasierten Informationen ermittelt werden, wie viel flüssiges Reduktionsmittel, sofern der SCR-Katalysator voraussichtlich aktiv sein wird, voraussichtlich benötigt werden wird. Das Beheizen des Förder- und Dosiersystems wird dann nur in dem Maße durchgeführt, wie es für die Bereitstellung von der voraussichtlich benötigen flüssigen Reduktionsmittelmenge erforderlich ist. Hierbei wird vorzugsweise auch berücksichtigt, dass ein elektrisches Beheizen des Förder- und Dosiersystems für das Reduktionsmittel in der Regel nur in einer Anfangsphase des Fahrzyklus notwendig ist, da nach einer gewissen Fahrzeit die allgemeine Temperatur des Kraftfahrzeugs ausreichend ist, um die Reduktionsmittellösung aufzutauen bzw. in flüssigem Zustand zu halten. In dieser Phase kann beispielsweise auch ein Beheizen über die thermische Energie eines Motorkühlmittels vorteilhaft sein.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Zieleingabe durch den Kraftfahrzeugführer anhand von streckenbasierten Informationen also zunächst die voraussichtlich benötigte Menge der Reduktionsmittellösung ermittelt. Anschließend wird das Beheizen des Förder- und Dosiersystems entsprechend gesteuert, wobei insbesondere das Beheizen des Förder- und Dosiersystems beendet werden kann, wenn die voraussichtlich erforderliche Menge des Reduktionsmittels in flüssiger Form vorliegt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird damit eine schnelle Entleerung der Bordbatterie aufgrund eines überflüssigen elektrischen Beheizens des Förderund Dosiersystems für die Reduktionsmittellösung verhindert. Weiterhin wird durch die bedarfsangepasste Beheizung des Förder- und Dosiersystems berücksichtigt, dass die thermische Energiemenge eines Motorkühlmittels während des Fahrbetriebs insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen unter Umständen nicht ausreichend ist, sodass dann ein elektrisches Beheizen zumindest unterstützend angefordert werden kann. Insgesamt kann durch die Berücksichtigung von streckenbasierten Informationen, die vorzugsweise auch die Außentemperatur bzw. das Temperaturprofil der geplanten Route einschließen, die Beheizung des Förder- und Dosiersystems in streckenabhängiger und damit in bedarfsabhängiger Weise vorgenommen werden, sodass sehr schnell eine ausreichende Menge der flüssigen Reduktionsmittellösung bei niedrigen Außentemperaturen bereitgestellt werden kann. Weiterhin kann der Verbrauch von überflüssiger Heizenergie vermieden werden, wenn beispielsweise bei sehr kurzen Fahrstrecken oder bei Stadtfahrten, im Schubbetrieb, bei niedriger Motorlast oder bei niedriger Fahrgeschwindigkeit das SCR-System nicht aktiviert werden kann und daher ein Beheizen des Förder- und Dosiersystems überflüssig ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren werden die streckenbasierten Informationen über eine externe Infrastruktur, insbesondere über einen Internetdienst bereitgestellt, beispielsweise über eine Cloud. Alternativ oder zusätzlich können die streckenbasierten Informationen mittels einer Navigationseinrichtung bereitgestellt werden, die über entsprechende digitale Informationen, beispielsweise digitale Karten, verfügt. Die Verwendung von Internetdiensten ist dabei besonders vorteilhaft, da hierdurch in aktueller Weise entscheidende und kritische Informationen über die geplante Fahrzeugroute berücksichtigt werden können, beispielsweise auch Informationen über aktuelle Geschwindigkeitsbegrenzungen, Streckensperrungen, Störungen oder Ähnliches.
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Als streckenbasierte Informationen werden in erster Linie die Entfernung der geplanten Route, deren Dauer und gegebenenfalls die Topologie der Route berücksichtigt. Hieraus lassen sich weitere streckenbasierte Informationen ableiten, insbesondere die voraussichtliche durchschnittliche Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, die voraussichtliche durchschnittliche Motorgeschwindigkeit, die voraussichtliche Motorlast, den voraussichtlichen Abgasmassenstrom und das voraussichtliche Abgastemperaturprofil. Für die Ermittlung dieser Informationen können verschiedene Rechenmodelle unter Berücksichtigung von kraftfahrzeugspezifischen Merkmalen in an sich bekannter Weise herangezogen werden. Auf der Basis dieser Informationen kann erfindungsgemäß der voraussichtliche Reduktionsmittelverbrauch errechnet werden und das Beheizen des Förder- und Dosiersystems entsprechend gesteuert werden. In diese Berechnung können weiterhin Temperatur- und/oder Wetterdaten einfließen, indem beispielsweise das voraussichtliche Umgebungstemperaturprofil der geplanten Route berücksichtigt wird.
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Weiterhin kann berücksichtigt werden, ob es sich um eine Stadtfahrt, eine Überlandfahrt oder eine Autobahnfahrt handelt, da auch diese Informationen den zu erwartenden Verbrauch des Reduktionsmittels beeinflussen. Weiterhin können Beschleunigungs- und Entschleunigungspunkte einfließen, da alle diese Punkte die Geschwindigkeit, die Motorlast und die davon abhängige voraussichtliche Menge an Reduktionsmittel beeinflussen. Weiterhin wird hierbei vorzugsweise auch berücksichtigt, wie sich das Temperaturprofil des Kraftfahrzeugs während der Fahrt voraussichtlich entwickelt, da auch dies einen Einfluss auf das erforderliche Beheizen des Förder- und Dosiersystems hat. Bei längerer Fahrtzeit kann beispielsweise das Beheizen zunehmend über das erwärmte Kühlmittel aus einer Kühlmittelpumpe des Motors erfolgen. Weiterhin kann die Außentemperatur einfließen, da auch die Entwicklung der Außentemperatur entlang der geplanten Route einen Einfluss auf das erforderliche Beheizen hat, ebenso wie ein Wetterprofil entlang der geplanten Route.
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Bei der Ermittlung der streckenbasierten Informationen können beispielsweise digitale Karten, Feldüberwachungen, Satellitenbilder, Luftbilder von Flugzeugen oder ähnliche Streckeninformationen einfließen. Weiterhin können auch weitere Informationen einfließen, die beispielsweise von der Öffentlichkeit (Community) in entsprechende Datenbanken eingespeist werden, beispielsweise Informationen zu Streckensperrungen, Geschwindigkeitsbegrenzungen oder Ähnliches. Allgemein können im Prinzip alle geeigneten Informationen einfließen, die über internetbasierte Dienste von verschiedenen Quellen bereitgestellt werden.
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Wenn die streckenbasierten Informationen über eine externe Infrastruktur, beispielsweise einen Internetdienst, bereitgestellt und/oder verarbeitet werden, sollte zweckmäßigerweise eine entsprechende Konnektivität des Kraftfahrzeugs über eine entsprechende Schnittstelle vorhanden sein. In diesem Zusammenhang können beispielsweise sogenannte IoT-Dienste (Internet of Things) in Anspruch genommen werden. Hierfür kann nach einer entsprechenden Registrierung bei einem geeigneten Dienst ein Datenaustausch erfolgen. Unter Berücksichtigung der geplanten Kraftfahrzeugroute und gegebenenfalls unter Berücksichtigung von weiteren streckenbasierten Informationen, die auf der Basis der geplanten Kraftfahrzeugroute über eine externe Infrastruktur oder über digitale Informationen in einer Navigationseinrichtung bereitgestellt werden, kann die Berechnung der voraussichtlich erforderlichen Reduktionsmittelmenge beispielsweise in dem Motorsteuergerät erfolgen. Das Motorsteuergerät kann dann das Beheizen des Förder- und Dosiersystems und damit das Auftauen der Reduktionsmittellösung in bedarfsabhängiger Weise planen und triggern, so dass ein unnötiges Beheizen und ein unnötiges Auftauen der Reduktionsmittellösung vermieden werden. Auf dieser Weise werden eine übermäßige Beanspruchung der gegebenenfalls kritischen Batterieenergie und/oder ein überflüssiger Verbrauch der thermalen Energie eines Motorkühlmittels vermieden. Durch die Einsparungen von Energie durch Vermeidung von überflüssigem Heizen kann dabei auch das Beheizen auf kritische Situation, in denen das Beheizen dringend erforderlich ist, fokussiert werden, so dass gegebenenfalls ausreichend Energie zur Verfügung steht, wenn ein sehr schnelles Auftauen von Reduktionsmittellösung erforderlich ist.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm bzw. als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den besonderen Vorteil, dass auf diese Weise das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres auch bei bestehenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, um so durch Berücksichtigung von streckenbasierten Informationen über eine geplante Kraftfahrzeugroute ein überflüssiges Beheizen des Förder- und Dosiersystems für die Reduktionsmittellösung des SCR-Systems zu vermeiden.
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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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In der Zeichnung zeigt die Figur eine schematische Darstellung eines Förderund Dosiersystems für die Reduktionsmittellösung eines SCR-Katalysators, deren Beheizung erfindungsgemäß gesteuert wird.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die Figur illustriert ein Förder- und Dosiersystem für die Reduktionsmittellösung eines SCR-Katalysators in einem Kraftfahrzeug, wobei das Förder- und Dosiersystem einen Tank 10 für die Reduktionsmittellösung, ein Fördermodul 20 und ein Dosiermodul (Dosierventil) 30 umfasst. Aus dem Tank 10 führt eine Saugleitung 11 über ein Ventil 24 zur Pumpe 21 des Fördermoduls 20. Über einen Filter 25, dem ein Drucksensor 22 zugeordnet ist, gelangt die flüssige Reduktionsmittellösung über einen Auslass 26 in eine Druckleitung (Versorgungsleitung) 31 zum Dosierventil 30 und wird in bedarfsabhängiger Weise in den hier nicht dargestellten Abgasstrang einer Brennkraftmaschine 40 stromaufwärts eines hier nicht dargestellten SCR-Katalysators eingespritzt. Weiterhin führt vom Fördermodul 20 eine Rücklaufleitung 12 mit einer Drossel 23 zurück in den Tank 10. Die verschiedenen Komponenten des Förder- und Dosiersystems sind beheizbar. Hierfür sind verschiedene Heizeinrichtungen vorgesehen. Im Einzelnen können der Saugleitung 11, der Rücklaufleitung 12, der Pumpe 21, dem der Pumpe 21 vorgeschalteten Ventil 24, dem Filter 25 und dem Auslass 26 sowie der Druckleitung 31 und gegebenenfalls dem Tank 10 elektrische Heizeinrichtungen 50 zugeordnet sein. Die Heizeinrichtungen 50 werden über die Bordbatterie mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin ist ein Beheizen über die thermische Energie des Kühlmittels der Brennkraftmaschine 40 vorgesehen, wobei das aufgeheizte Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe 60 über eine Leitung 61 zum Dosiermodul 30 geleitet wird. Weiterhin ist eine weitere Leitung 62 für das aufgeheizte Kühlmittel vorgesehen, die, steuerbar über das Tankheizventil 63, den Tank 10 insbesondere im Bereich der Saugleitung 11 beheizt. Die Beheizung des Förder- und Dosiersystems wird über ein Steuergerät 70 gesteuert, wobei hierbei insbesondere das Tankheizungsventil 63 sowie die verschiedenen Heizeinrichtungen 50 angesteuert werden (in der Figur durch mehrere Pfeile angedeutet). Erfindungsgemäß wird die Steuerung der verschiedenen Heizeinrichtungen 50 und des Tankheizungsventils 63 auf der Basis von streckenbasierten Informationen 80 über die geplante Kraftfahrzeugroute durchgeführt. Hierfür gibt der Kraftfahrzeugführer zunächst das geplante Fahrziel beispielsweise in ein übliches Navigationsgerät des Kraftfahrzeugs ein. Auf der Basis dieser Information können insbesondere die zurückzulegende Entfernung und die voraussichtliche Dauer der Kraftfahrzeugroute ermittelt werden. Hierfür können die digitalen Informationen, die in dem Navigationsgerät hinterlegt sind, und weiterhin auch Informationen, die über einen Internetdienst, vorzugsweise über eine Cloud, bereitgestellt werden können, genutzt werden. Auf der Basis dieser verschiedenen Informationen zusammen mit fahrzeugspezifischen Merkmalen können die durchschnittliche Fahrzeuggeschwindigkeit, die durchschnittliche Motorgeschwindigkeit, die zu erwartende Motorlast, der zu erwartende Abgasmassenstrom und das zu erwartende Abgastemperaturprofil ermittelt werden, wobei auch das Umgebungstemperaturprofil der Route berücksichtigt werden kann. Auf der Basis einiger oder aller dieser Informationen kann die voraussichtlich benötige Menge an flüssigem Reduktionsmittel für die geplante Kraftfahrzeugroute ermittelt werden. Hiervon ausgehend wird erfindungsgemäß die Beheizung des Förder- und Dosiersystems gesteuert, so dass eine unter Umständen überflüssige Beheizung unter damit ein unnötiger Energieverbrauch, der insbesondere zu Lasten der Bordbatterie gehen kann, vermieden wird.
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Dieses Verfahren kommt vor allem bei niedrigen Außentemperaturen zum Tragen, insbesondere bei Außentemperaturen, die unterhalb des Gefrierpunktes der Reduktionsmittellösung liegen, beispielsweise unterhalb von –11 °C. Die Steuerung der Heizeinrichtungen 50 und 63 erfolgt dabei über das Steuergerät 70, wobei in dem Steuergerät 70 die verschiedenen streckenbasierten Informationen und beispielsweise Wetter- und/oder Temperaturdaten für die Aufenthaltsregion des Fahrzeugs verarbeitet und in entsprechende Steuersignale umgewandelt werden. Insbesondere kann das Steuergerät die Beheizung in geeigneter Weise aktivieren und stoppen, sobald eine ausreichende Menge von flüssiger Reduktionsmittellösung für die aktuelle Route bereitgestellt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der SCR-Katalysator optimal betrieben werden kann. Anderenfalls würde der Mangel an flüssigem Reduktionsmittel bei niedrigen Außentemperaturen zu einer mangelhaften Umsetzung der Stickoxide und zu erhöhten NOx-Emissionen führen.