Die Verminderung der Stickoxidemission einer mit Luftüber- schuß arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer Die- sel-Brennkraftmaschine kann mit Hilfe der Selektiv-Catalytic- Reduction-Technologie (SCR) zu Luftstickstoff (N2) und Was- serdampf (H20) erfolgen. Als Reduktionsmittel werden entweder gasförmiges Ammoniak (NH3), Ammoniak in wässeriger Lösung oder Harnstoff in wässeriger Lösung eingesetzt. Der Harnstoff dient dabei als Ammoniakträger und wird mit Hilfe eines Do- siersystems vor einem Hydrolysekatalysator in das Auspuffsy- stem eingespritzt, dort mittels Hydrolyse zu Ammoniak umge- wandelt, der dann wiederum in dem eigentlichen SCR-oder DENOX-Katalysator die Stickoxide reduziert.

Ein solches Dosiersystem weist als wesentliche Komponenten einen Reduktionsmittelbehälter, eine Pumpe, einen Druck- regler, einen Drucksensor und ein Dosierventil auf. Die Pumpe fördert das in dem Reduktionsmittelbehälter bevorratete Re- duktionsmittel zu dem Dosierventil, mittels dessen das Reduk- tionsmittel in den Abgasstrom stromaufwärts des Hydrolyseka- talysators eingespritzt wird. Das Dosierventil wird über Si- gnale einer Steuereinrichtung derart angesteuert, daß abhän- gig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine be- stimmte, aktuell nötige Menge an Reduktionsmittel zugeführt wird (DE 197 43 337 C1).

Es ist ein Vorteil der in wässerigen Lösungen vorliegenden ammoniakfreisetzenden Substanzen, wie z. B. Harnstoff, daß die Bevorratung, die Handhabung, die Förder-und Dosierbarkeit

technisch relativ einfach zu lösen sind. Ein Nachteil dieser wässerigen Lösungen besteht darin, daß in Abhängigkeit der Konzentration der gelösten Substanz die Gefahr des Einfrie- rens bei bestimmten Temperaturen besteht.

32% ige Harnstofflösung, wie sie typischerweise in SCR- Systemen als Reduktionsmittel verwendet wird, weist einen Ge- frierpunkt von-11° C auf. Deshalb müssen Vorrichtungen zum Heizen des Dosiersystems vorgesehen werden um die Funktions- fähigkeit aller Systemkomponenten nach einem Systemstart bei Umgebungstemperaturen unter-11°C in einer akzeptablen Zeit sicherzustellen und zu verhindern, daß Systemkomponenten wäh- rend des Betriebs einfrieren.

Eine der Hauptkomponenten ist der Harnstoffdrucksensor. Da mit diesem Drucksensor kontinuierlich das Harnstoffdrucksy- stem überwacht wird ; insbesondere kann mit dem Drucksensor ein Einfrieren der Reduktionsmittelpumpe, der Verbindungs- schläuche oder des Dosierventils erkannt werden, muß dieser Drucksensor zuverlässig aufgetaut und frostfrei gehalten wer- den. Das Drucksensorelement wird zweckmäßigerweise in räumli- cher Nähe zur Steuerelektronik für das Dosiersystem und in der Nähe des Pumpenausganges verbaut. Trotzdem ist es nicht oder nur schwer möglich, den Drucksensor nur über die Heizung von Reduktionsmittelleitung, Reduktionsmittelpumpe und Ei- generwärmung der Steuerelektronik aufzutauen.

Aus der DE 44 32 577 A1 ist eine Einrichtung zur Vermeidung von Frostschäden an Teilen einer nach dem Prinzip der selek- tiven katalytischen Reduktion arbeitenden Abgasrei-nigungs- anlage während der Stillstandszeiten und dem Er-möglichen des Betriebes solcher Anlagen unterhalb des Gefrierpunktes der verwendeten Reduktionsmittellösung bekannt. Hierzu weist die Einrichtung einen thermisch isolierten Vorratsbehälter für die Reduktionsmittellösung und eine daran angeschlossene Zu- führungsleitung auf, die in einer Austrittsöffnung für die Flüssigkeit endet, wobei in der Zuführungsleitung ein Rück-

spül-Ventil vorgesehen ist, das mit einem unter Druck stehen- den Gases beaufschlagbar ist. Der Vorratsbehälter und die Zu- führungsleitung sind dabei mittels einer elektrischen Heizung , die einen Wärmetauscher mit Wärme versorgt, beheizbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit der bzw. mit dem Frostschä- den an Teilen einer Abgasnachbehandlungsanlage vermieden wer- den, sowohl während der Stillstandszeit, als auch beim Be- trieb einer solchen Anlage bei Temperaturen unterhalb des Ge- frierpunktes der verwendeten Reduktionsmittellösung.

Diese Aufgabe wird für die Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und für das Verfahren durch die Merkmale dses Anspruches 7 gelöst.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee beruht darin, die Drucksensormembran als Träger für Heizwiderstände und zur Temperaturmessung zu nutzen. Die Technologie für die Ferti- gung des Sensor-Widerstandsnetzwerkes wird benutzt, um zu- sätzlich Heiz-und Temperaturmeßwiderstände aufzubringen.

Durch die Nutzung der Sensormembranfläche zur elektrischen Heizung der wässerigen Harnstofflösung wird zusätzlicher Be- darf an Einbauraum, Dichtstellen und Stecker für die elektri- sche Versorgung oder Ansteuerung vermieden.

Die elektrischen Heizwiderstände ermöglichen es, direkt die Sensormembran zu heizen und somit die Verfügbarkeit des Drucksensors schnellstmöglich sicherzustellen und den Druck des Harnstoffsystems bereits während der Auftauphase zu über- wachen.

Die Mehrkosten für die Beheizbarkeit des Drucksensors sind relativ gering, da maximal ein zusätzliches Widerstands-Layer gedruckt werden muß, und nur ein zusätzlicher elektrischer Anschluß am Sensorelement benötigt wird.

Da der Drucksensor ohnehin elektrisch mit dem Steuergerät verbunden ist, ergeben sich für den elektrischen Anschluß der Heizung nur geringe Kosten.

Werden die Heizwiderstände mit einer Dickschichtpaste mit ge- eignetem Temperaturkoeffizienten gedruckt, dienen diese gleichzeitig als Temperatursensor. Da der Drucksensor ohne- hin, wegen der Temperaturkompensation durch Lasertrimmen un- ter kontrollierten Temperaturen kalibriert wird, verursacht der Abgleich des Temperatursensors nur unwesentliche Mehrko- sten. Andererseits kann bei bekanntem Temperaturgang des Drucksensors durch Messen der Sensortemperatur auf eine Tem- peraturkompensation verzichtet werden, was die Gesamtkosten des Sensors erheblich reduziert. Zur Temperaturmessung kann auch ein separater Temperatur-Meßwiderstand aufgebracht wer- den, was eine höhere Genauigkeit der Temperaturmessung er- gibt, da der Wert des Widerstandes für diese Anwendung opti- miert sein kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er- läutert. Es zeigen : Figur 1 eine Blockdarstellung einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasnachbehandlungsanlage, bei der der erfingsgemäße Drucksensor eingesetzt wird, Figur 2 eine schematische Darstellung einer Drucksensormem- bran und Figur 3 einen Schnitt durch ein Teil eines Pumpenmodulgehäu- ses mit integriertem Drucksensor In Figur 1 ist in Form eines Blockschaltbildes sehr verein- facht eine mit Luftüberschuß betriebene Brennkraftmaschine mit einer ihr zugeordneten Abgasnachbehandlungsanlage ge-

zeigt. Dabei sind nur diejenigen Teile dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf die Darstellung des Kraftstoffkreislaufes verzichtet worden. In diesem Ausführungsbeispiel ist als Brennkraft- maschine eine Dieselbrennkraftmaschine gezeigt und als Re- duktionsmittel zum Nachbehandeln des Abgases wird wässerige Harnstofflösung verwendet.

Der Brennkraftmaschine 1 wird über eine Ansaugleitung 2 die zur Verbrennung notwendige Luft zugeführt. Eine Einspritz- anlage, die beispielsweise als Hochdruckspeichereinspritz- anlage (Common rail) mit Einspritzventilen ausgebildet sein kann, die Kraftstoff KST direkt in die Zylinder der Brenn- kraftmaschine 1 einspritzen, ist mit dem Bezugszeichen 3 be- zeichnet. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 strömt über eine Abgasleitung 4 zu einer Abgasnachbehandlungsanlage 5 und von diesem über einen nicht dargestellten Schalldämpfer ins Freie.

Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1 ist ein an sich bekanntes Motorsteuergerät 6 über eine hier nur sche- matisch dargestellte Daten-und Steuerleitung 7 mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Über diese Daten-und Steu- erleitung 7 werden Signale von Sensoren (z. B. Temperatur- sensoren für Ansaugluft, Ladeluft, Kühlmittel, Lastsensor, Geschwindigkeitssensor) und Signale für Aktoren (z. B. Ein- spritzventile, Stellglieder) zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Motorsteuergerät 6 übertragen.

Die Abgasnachbehandlungsanlage 5 weist einen Reduktionskata- lysator 8 auf, der mehrere in Reihe geschaltete, nicht näher bezeichnete Katalysatoreinheiten beinhaltet. Stromabwärts und/oder stromaufwärts des Reduktionskatalysators 8 kann zu- satzlich je ein Oxidationskatalysator angeordnet sein (nicht dargestellt). Ferner ist ein Dosiersteuergerät 9 vorgesehen, das einem Reduktionsmittelvorratsbehälter 10 mit einer elek-

trisch ansteuerbaren Reduktionsmittelpumpe 11 zum Fördern des Reduktionsmittels zugeordnet ist.

Als Reduktionsmittel dient in diesem Ausführungsbeispiel wäs- serige Harnstofflösung, die in dem Reduktionsmittelvorratsbe- hälter 10 gespeichert ist. Dieser weist eine elektrische Heizeinrichtung 12 und Sensoren 13,14 auf, welche die Tempe- ratur der Harnstofflösung bzw. den Füllstand im Reduktions- mittelvorratsbehälter 10 erfassen. An das Dosiersteuergerät 9 werden außerdem noch die Signale eines stromaufwärts des Re- duktionskatalysators 8 angeordneten Temperatursensors und ei- nes stromabwärts des Reduktionskatalysators 8 angeordneten Abgasmeßaufnehmers, z. B. eines NOx-Sensors übergeben (nicht dargestellt).

Das Dosiersteuergerät 9 steuert ein elektromagnetisches Do- sierventil 15 an, dem bedarfsweise über eine Zuführungslei- tung 16 Harnstofflösung mit Hilfe der Reduktionsmittelpumpe 11 aus dem Reduktionsmittelvorratsbehälter 10 zugeführt wird.

In die Zuführungsleitung 16 ist ein Drucksensor 18 eingefügt, der den Druck im Dosiersystem erfaßt und ein entsprechendes Signal an das Dosiersteuergerät 9 abgibt. Die Einspritzung der Harnstofflösung mittels des Dosierventiles 15 erfolgt in die Abgasleitung 4 stromaufwärts des Reduktionskatalysators 8.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 strömt das Abgas in der eingezeichneten Pfeilrichtung durch die Abgasleitung 4.

Das Dosiersteuergerät 9 ist zum gegenseitigen Datentransfer über ein elektrisches Bussystem 17 mit dem Motorsteuergerät 6 verbunden. Über das Bussystem 17 werden die zur Berechnung der zu dosierenden Menge an Harnstofflösung relevanten Be- triebsparameter, wie z. B. Maschinendrehzahl, Luftmasse, Kraftstoffmasse, Regelweg einer Einspritzpumpe, Abgasmassen- strom, Betriebstemperatur, Ladelufttemperatur, Spritzbeginn usw. dem Dosiersteuergerät 9 übergeben.

Ausgehend von diesen Parametern und den Meßwerten für die Ab- gastemperatur und dem NOx-Gehalt berechnet das Dosiersteuer- gerät 9 die einzuspritzende Menge an Harnstofflösung und gibt über eine elektrische Verbindungsleitung 18 ein entsprechen- des elektrisches Signal an das Dosierventil 15 ab. Durch die Einspritzung in die Abgasleitung 4 wird der Harnstoff hydro- lysiert und durchmischt. In den Katalysatoreinheiten erfolgt die katalytische Reduktion des NOx im Abgas zu N2 und H20.

Das Dosierventil 15 zum Einbringen der Harnstofflösung in die Abgasleitung 4 entspricht weitgehend einem üblichen Nieder- druck-Benzineinspritzventil, das z. B. in eine mit einer Wan- dung der Abgasleitung 4 fest verbundenen Ventilaufnahmevor- richtung lösbar befestigt ist.

In Figur 2A ist eine typische Keramikdrucksensormembran 181 kreisförmigen Querschnittes des Drucksensors 18 von der dem unter Druck stehendem Medium (Reduktionsmittel) abgewandten Seite dargestellt. Figur 2B zeigt diese Keramikdrucksensor- membran 181 im Schnitt. Für Druckmessungen in wässeriger Harnstofflösung sind wegen der chemischen Beständigkeit Sen- sorelemente aus A1203-Keramik besonders geeignet. Diese Sen- sorelemente bestehen aus einem Keramikformteil mit integrier- ter Sensormembran 181. Auf der Sensormembran 181 ist ein Wi- derstandsnetzwerk 182 in Dickschichttechnologie aufgebracht, welches die Sensor-und Kalibrierwiderstände enthält. Das Meßprinzip basiert auf dem Effekt der Widerstandsänderung bei mechanischer Verspannung der Sensormembran (Piezzoresistivi- tät). Zur Kompensation von Temperaturabhängigkeiten können zusätzliche temperaturabhängige Widerstände vorgesehen sein.

Zur Heizung der Sensormembran 181 sind mit der gleichen Tech- nologie zusatzliche elektrische Widerstände 183 aufgebracht.

Auf der Sensormembran 181 sind genügend freie Flächen verfüg- bar, um diese elektrische Heizwiderstände 183 mit geeigneter Geometrie und Leistung aufzubringen. Bei Anwendungen mit ge-

ringem Bedarf an Heizleistung (kleiner 1 Watt) kann auch di- rekt durch Anlegen der Bordnetzspannung (ca. 14 Volt) anstel- le der Referenzspannung von üblicherweise 5 Volt direkt am Sensorwiderstand geheizt werden.

Die Sensormembran 181 bietet ideale Voraussetzungen für diese Art der elektrischen Heizung, da A1203-Keramik eine hohe Wär- meleitfähigkeit besitzt und zudem die Sensormembran 181 prin- zipbedingt sehr dünn ist. Die Sensormembran 181 stellt somit die optimale elektrische Isolierung der elektrischen Heizung von der beheizten wässerigen Harnstofflösung dar.

Die elektrischen Heizwiderstände 183 und das Sensorwider- standsnetzwerk 182 werden über Anschlußpins und Anschlußlei- tungen 184 mit einer Auswerteelektronik bzw. Heizungsansteue- rung, die vorzugsweise in dem Dosiersteuergerät 9 integriert ist, verbunden. Das Sensorelement kann auch mittels Bonddräh- ten oder durch direktes Einlöten mit dem Dosiersteuergerät 9 verbunden sein.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Teil des Pumpenmodulge- häuses 19 mit integriertem Drucksensor 18. Der Drucksensor 18 wird hier mittels einer O-Ring-Dichtung 20 im Gehäuse 19 ab- gedichtet. Von der Reduktionsmittelpumpe 11 gelangt Redukti- onsmittel über den Zulauf 21 zur Drucksensormembran 181 des Drucksensors 18. Über einen Schlauchanschluß 22 wird das Do- sierventil 15 mit Reduktionsmittel versorgt. Der Fluß des Rduktionsmittels ist dabei mit einem Pfeilsymbol eingezeich- net.

Bei einem Start der Brennkraftmaschine wird vom Dosiersteuer- gerät 9 die Einsatzbereitschaft jeder einzelnen Komponente des Reduktionsmitteldosiersystems geprüft. Beim Drucksensor 18 wird dazu die Temperatur gemessen. Ist die Temperatur der Drucksensormembran 181 so niedrig, daß mit einem eingefrore- nem Drucksensor zu rechnen ist, wird die Sensorheizung akti- viert, d. h. an die elektrischen Heizwiderstände 183 eine

Spannung angelegt. Wegen hoher Temperaturgradienten in der Drucksensormembran während einer Heizphase kann bei üblichen Drucksensoren in dieser Phase weder der Druck noch die Tempe- ratur gemessen werden. Nach einer festgelegten Zeit wird die Heizung abgeschaltet und die Temperatur erneut gemessen. An der Temperaturveränderung kann nun eindeutig erkannt werden, ob Reduktionsmittel im gefrorenen Zustand vorgelegen hat, oder sogar immer noch teilweise gefroren ist. Im letzeren Fall stellt sich am Drucksensor nach einer kurzen Wartezeit exakt die Schmelztemperatur des Reduktionsmittels ein. Dieser Zustand kann genutzt werden, um den Sensor in einer Selbst- lernfunktion durch Ablegen eines Korrekturwertes in einem nichtflüchtigen Speicher des Dosiersteuergerätes 9 sehr genau auf den Schmelzpunkt zu eichen. Der Heizvorgang wird bis zum vollständigen Auftauens des Reduktionsmittelvolumens im Drucksensor wiederholt. Kann die Temperaturmessung kontinu- ierlich während der Heizphase durchgeführt werden, kann durch Auswertung der Temperaturänderung pro Zeiteinheit ebenfalls sowohl der Schmelzpunkt als auch der Zeitpunkt des vollstän- digen Auftauens des Reduktionsmittelvolumens im Sensor ermit- telt werden.

Liegt die Temperatur der Sensormembran eindeutig über dem Ge- frierpunkt des Reduktionsmittels, wird das Drucksignal auf Plausibilität geprüft und das System ohne Sensorheizung in Betrieb gesetzt. Durch Auswertung der Reaktion des Drucksi- gnals auf Pumpen-und Dosierventilansteuerung kann die Be- triebsbereitschaft dieser Komponenten bei tiefen Temperaturen überwacht werden.

Da der piezzoresistive Drucksensor während und unmittelbar nach der Heizphase wegen zu hoher Temperaturgradienten keine korrekte Druckmessung erlaubt, wird die Sensorheizung nur für die Auftauphase aktiviert. Um ein Einfrieren des Sensors wäh- rend des Betriebs des Reduktionsmitteldosiersystems bei tie- fen Temperaturen zu vermeiden, wird der Drucksensor thermisch ausreichend isoliert verbaut und durch Abwärme von Redukti-

onsmitellpumpe, Leistungselektronik und eventueller Heizung der Zuführungsleitungen (z. B. Schlauchheizung) über dem Ge- frierpunkt des verwendeten Reduktionsmittels gehalten.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 bilden die Reduktionsmittelpumpe 11 und der Drucksensor 18 eine gemeinsame Baugruppe, um die Kosten für Gehäuseteile und Leitungen zu senken und den Montageaufwand zu verringern. Es ist aber auch möglich, daß die Reduktionsmittelpumpe 11 und der Drucksensor 18 als getrennte Funktionseinheiten ausgebil- det sind.

Ebenso ist es möglich, die Funktionen des Dosiersteuergerätes 9 für das Reduktionsmitteldosiersystem in das Motorsteuerge- rat 6 der Brennkraftmaschine zu integrieren.