DE102007039794A1

DE102007039794A1 - Dosiersystem und Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007039794A1
Application number: DE102007039794A
Authority: DE
Inventors: Christof Dr. Lücking
Original assignee: Eberspaecher Unna GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem und ein Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine.
Das Dosiersystem weist ein Dosierventil (10) und eine Dosierpumpe (8) zur Abgabe von Reduktionsmittel und zur Förderung von abgegebenem Reduktionsmittel zum Dosierventil (10) auf.
Erfindungsgemäß ist die Dosierpumpe (8) zur Durchführung von Einzelfördervorgängen mit einstellbarer Einzelfördermenge ausgelegt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen, dass zur Darstellung eines gegenüber einem Reduktionsmittel-Maximaldurchsatz verminderten Reduktionsmitteldurchsatzes die Dosierpumpe (8) derart angesteuert wird, dass sie eine gegenüber einer maximalen Einzelfördermenge reduzierte Einzelfördermenge abgibt.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet zur Dosierung von wässriger Harnstofflösung als Reduktionsmittel zur Stickoxidverminderung.

Description

Die Erfindung betrifft Dosiersystem und Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Aus der DE 10 2004 050 A1 ist ein Dosiersystem und ein Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem von einer Dosierpumpe das Reduktionsmittel in aufeinander folgenden, zeitlich voneinander abgesetzten Einzelfördervorgängen zu einem Dosierventil gefördert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dosierverfahren und ein Dosiersystem der oben genannten Art anzugeben, welches eine erhöhte Dosiermengenspreizung und insbesondere eine Ausdehnung des einstellbaren Dosiermengenbereichs für ins Abgassystem zu dosierendes Reduktionsmittel zu kleinen Werten hin ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Dosiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Das erfindungsgemäße Dosiersystem umfasst ein Dosierventil zur Abgabe des Reduktionsmittels in das Abgassystem und eine Dosierpumpe zur Abgabe von Reduktionsmittel und zur Förderung von abgegebenem Reduktionsmittel zum Dosierventil über eine die Dosierpumpe mit dem Dosierventil verbindende Vorlaufleitung in aufeinander folgenden, zeitlich voneinander abgesetzten Einzelfördervorgängen. Charakteristischerweise ist die Dosierpumpe zur Durchführung von Einzelfördervorgängen mit einstellbarer Einzelfördermenge für von der Dosierpumpe abgegebenes Reduktionsmittel ausgelegt. Infolge dieser Ausführungsform kann eine in einem Einzelfördervorgang von der Dosierpumpe abgegebene Einzelfördermenge bei Bedarf verringert werden und es ergibt sich gegenüber einer Ausführung mit festgelegten, konstanten Einzelfördermengen eine vergrößerte Spreizung des Dosiermengenbereichs. Es kann eine Ausführungsform derart vorgesehen sein, dass eine Einzelfördermenge bedarfsweise um bis zu 90%, wenigstens jedoch um mehr als 50% gegenüber der maximal einstellbaren Einzelfördermenge reduziert werden kann. Vorzugsweise arbeitet die Dosierpumpe mit einer überwiegend konstanten jedoch einstellbaren Frequenz, so dass je Sekunde etwa 10 bis 100 Einzelfördermengen von der Dosierpumpe zum Dosierventil gefördert werden. Diese bevorzugte Ausführungsform ist besonders robust und einfach aufgebaut und erlaubt gleichzeitig eine genaue Dosierung. Insbesondere zur Realisierung geringer Dosiermengen kann jedoch auch eine Ansteuerung zur Durchführung nichtäquidistanter Einzelfördervorgänge vorgesehen sein. Dadurch ist eine weiter vergrößerte Spreizung des Dosiermengenbereichs ermöglicht.
In Ausgestaltung der Erfindung ist eine vom Dosierventil zu einem Behälter für das Reduktionsmittel geführte Rücklaufleitung vorgesehen. Diese Ausführungsform ermöglicht es, bei Bedarf lediglich einen Teil des in Einzelfördervorgängen zum Dosierventil geförderten Reduktionsmittels auch tatsächlich ins Abgas abzugeben. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine in einem Einzelfördervorgang von der Dosierpumpe zum Dosierventil geförderte Einzelfördermenge wenigstens annähernd vollständig wahlweise entweder in einem Einzeldosiervorgang vom Dosierventil in das Abgassystem abgegeben oder in einem Einzelrücklaufvorgang durch das Dosierventil hindurch und über die Rücklaufleitung zum Behälter für das Reduktionsmittel zurück geleitet werden kann. Die Rücklaufleitung erlaubt ein Durchströmen des Dosierventils mit Reduktionsmittel auch dann, wenn keine Reduktionsmittelabgabe ins Abgas erfolgt. Auf diese Weise ist eine verbesserte Kühlung des Dosierventils ermöglicht.
Soll weniger als ein maximal darstellbarer Reduktionsmitteldurchsatz ins Abgas dosiert werden, was in den meisten Betriebssituation der Fall ist, so wird vorzugsweise die Anzahl der Einzeldosiervorgänge in einem Zeitintervall zugunsten der Einzelrücklaufvorgänge verringert, wobei eine weiter verminderte Solldosiermenge zusätzlich durch die erfindungsgemäß mögliche Verringerung der Einzelfördermengen erreicht werden kann. Der Durchsatz von dosiertem Reduktionsmittel ergibt sich im Zusammenhang mit den bekannten Werten für die Größe einer Einzelfördermenge und die Pumpfrequenz über das Anzahlverhältnis von Einzeldosiervorgängen zu Einzelrücklaufvorgängen in einem bestimmten Zeitintervall. Dadurch können Anpassungen der Pumpfrequenz an die jeweils geforderte Dosiermenge vermieden werden. Eine Veränderungsmöglichkeit für die Pumpfrequenz, d. h. der im Zeitintervall durchgeführten Einzelfördervorgänge kann gleichwohl vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Dosierpumpe mit einem eine maximale Einzelfördermenge bestimmenden För derkammervolumen eingesetzt, wobei zur Darstellung eines gegenüber einem Reduktionsmittel-Maximaldurchsatz verminderten Reduktionsmitteldurchsatzes in einem Einzelfördervorgang Reduktionsmittel entsprechend einem vorgebbaren Bruchteil des Förderkammervolumens abgegeben werden kann. Hierfür können prinzipiell alle bekannten diskontinuierlich fördernden Dosierpumpen eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Membranpumpe mit variablem Nennvolumen der zugeordneten Förderkammer eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Dosierpumpe als Hubkolbenpumpe mit einem elektromagnetisch angetriebenen Hubkolben mit einem variabel einstellbaren Kolbenhubweg ausgeführt ist. Wird der Kolbenhubweg gegenüber seinem maximal möglichen Hub vermindert, so wird als Einzelfördermenge je Förderhub lediglich Reduktionsmittel in einer Menge mit einem entsprechenden Bruchteil des Förderkammervolumens von der Dosierpumpe abgegeben und zum Dosierventil gefördert. Auf diese Weise lassen sich sehr kleine Einzeldosierfördermengen und damit eine entsprechend verminderte Dosiermenge erzielen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren, bei welchem von einer Dosierpumpe das Reduktionsmittel in aufeinander folgenden, zeitlich voneinander abgesetzten Einzelfördervorgängen abgegeben und zu einem Dosierventil gefördert wird, und das in den Einzelfördervorgängen zum Dosierventil geförderte Reduktionsmittel wenigstens teilweise vom Dosierventil in das Abgassystem abgegeben wird, wobei erfindungsgemäß zur Darstellung eines gegenüber einem Reduktionsmittel-Maximaldurchsatz verminderten Reduktionsmitteldurchsatzes die Dosierpumpe derart angesteuert wird, dass sie eine gegenüber einer maximalen Einzelfördermenge reduzierte Einzelfördermenge abgibt. Auf diese Weise wird eine Einschränkung des Durchsatzbereiches vermieden, welche bei konstant und unveränderlich angesteuerten Dosierpumpen notwendigerweise vorhanden ist. Für eine möglichst weite Spreizung des Dosiermengenbereichs erfolgt vorzugsweise bei Bedarf eine Durchführung von Einzelfördervorgängen mit einer Einzelfördermenge, welche im Vergleich zur maximalen Einzelfördermenge um bis zu wenigstens 50%, gegebenenfalls auch bis zu 90% reduziert ist.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Dosierpumpe eingesetzt, welche eine Förderkammer mit einem die maximale Einzelfördermenge bestimmenden Förderkammervolumen aufweist, und zur Abgabe der reduzierten Einzelfördermenge wird in einem Einzelfördervorgang Reduktionsmittel zu einem vorgebbaren Bruchteil des Förderkammervolumens abgegeben. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens als Dosierpumpe eine Hubkolbenpumpe mit einem die maximale Einzelfördermenge bestimmenden Nennhub eingesetzt wird, und zur Abgabe der reduzierten Einzelfördermenge ein Teilhub mit einem vorgebbaren Bruchteil des Nennhubs ausgeführt wird. Die Einstellung eines Teilhubs derart, dass ein vorgebbarer Bruchteil des Nennhubs ausgeführt wird, lässt sich beispielsweise durch eine Verstellung der Ansteuermechanik des Hubkolben erreichen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens als Dosierpumpe eine elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe eingesetzt wird, und zur Abgabe der reduzierten Einzelfördermenge eine Ansteuerdauer eines Ansteuersignals zur Ausführung eines Einzelfördervorgangs vermindert wird. Das Ansteuersignal dient vorzugsweise zum Aufbau einer Magnetkraft, welche entgegen einer Federkraft auf den Hubkolben einwirkt und diesen in Bewegung versetzt, wobei Reduktionsmittel aus einer Förder kammer gedrückt wird. Durch eine verminderte Ansteuerdauer wird in der Förderkammer vorhandenes Reduktionsmittel lediglich teilweise von der Dosierpumpe abgegeben und die in dem Teilhub abgegebene Einzelfördermenge ist dementsprechend vermindert. Durch die elektrische Ansteuerung zur Ausführung von Teilhüben kann auf entsprechende mechanische Mittel verzichtet werden, was konstruktive Vereinfachungen mit sich bringt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird das in den Einzelfördervorgängen zum Dosierventil geförderte Reduktionsmittel wahlweise entweder in zeitlich voneinander abgesetzten Einzeldosiervorgängen vom Dosierventil in das Abgassystem abgegeben oder in zeitlich voneinander abgesetzten Einzelrücklaufvorgängen durch das Dosierventil hindurch und zu einem Behälter für das Reduktionsmittel geleitet. Über eine Festlegung einer Anzahl von Einzeldosiervorgängen ist dabei eine hohe Dosiergenauigkeit ermöglicht. Das in den Einzelrücklaufvorgängen durch das Dosierventil geförderte Reduktionsmittel ermöglicht eine effektive Kühlung des Dosierventils.
Je nach Bedarf kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Reihenfolge von Einzeldosiervorgängen und Einzelrücklaufvorgängen unterschiedlich festgelegt werden. Beispielsweise können Einzeldosiervorgänge und Einzelrücklaufvorgänge in vorgebbarer Reihenfolge abwechseln. Es ist vorgesehen, dass ein Solldurchsatz von in das Abgassystem abzugebendem, d. h. zu dosierendem Reduktionsmittel vorgegeben wird und eine Reihenfolge von Einzeldosiervorgängen und Einzelrücklaufvorgängen derart berechnet und durchgeführt wird, dass der Solldurchsatz zumindest annähernd erreicht wird. Der Solldurchsatz orientiert sich hierbei vorzugsweise an einem Reduktionsmittelbedarf zur Erzielung einer angestrebten Wirkung einer Abgasreinigungskomponente, wie beispielsweise einer Stickoxidverminderungsrate. Bei einem höheren angeforderten Reduktionsmittel-Solldurchsatz wird das Verhältnis von Einzeldosiervorgängen zu Einzelrücklaufvorgängen gegenüber einem geringeren Reduktionsmittel-Solldurchsatz erhöht. Dabei kann in vorteilhafter Weise die Pumpfrequenz der Dosierpumpe konstant bleiben. Bei höherem Reduktionsmitteldurchsatz zu Dosierzwecken ist eine Kühlung des Dosierventils durch den erhöhten Durchsatz von ins Abgas abgegebenem Reduktionsmitteldurchsatz gewährleistet, während bei einem diesbezüglich geringeren Reduktionsmitteldurchsatz eine erhöhte Anzahl von Einzelrücklaufvorgängen für eine ausreichende Kühlung des Dosierventils sorgt. Insbesondere bei einem verminderten Kühlbedarf können auch in unregelmäßigen Abständen durchgeführte Einzelfördervorgänge vorgesehen sein, wobei auch eine Verminderung der Häufigkeit von durchgeführten Einzelrücklaufvorgängen vorgesehen sein kann. Gegebenenfalls kann auch zumindest zeitweise auf die Durchführung von Einzelrücklaufvorgängen gänzlich oder überwiegend verzichtet werden. Auf diese Weise werden die Belastung und der Verschleiß der Dosierpumpe vermindert.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine, der ein Abgassystem und ein Dosiersystem für ein Reduktionsmittel zugeordnet sind,
2a eine schematisch dargestellte zeitliche Folge von in Einzeldosiervorgänge und Einzelrücklaufvorgänge aufgeteilten Einzelfördervorgängen bei einer bevorzugten Durchführungsweise des erfindungsgemäßen Dosierverfahrens für eine große Dosiermenge,
2b eine schematisch dargestellte zeitliche Folge von Einzelfördervorgängen analog 2a für eine demgegenüber verringerte Dosiermenge,
2c eine schematisch dargestellte zeitliche Folge von Einzelfördervorgängen analog 2b für eine demgegenüber weiter verringerte Dosiermenge,
3 ein Zeitdiagramm mit schematisch dargestellten Zeitverläufen für ein Ansteuersignal einer als Hubkolbenpumpe ausgeführten Dosierpumpe und einem zugehörigen Kolbenhubweg und
4 ein Zeitdiagramm mit schematisch dargestellten Zeitverläufen für ein Ansteuersignal und einen Kolbenhubweg analog 3, jedoch für einen Einzelfördervorgang mit einer demgegenüber verminderten Einzelfördermenge.
In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs mit einem zugeordneten Abgassystem und einem zugeordneten Dosiersystem 2 für ein Reduktionsmittel dargestellt, wobei das Abgassystem eine Abgasleitung 4 mit einem darin angeordneten Abgaskatalysator 3 umfasst. Das Dosiersystem 2 dient der dosierten Abgabe des Reduktionsmittels in das Abgassystem stromauf des Abgaskatalysators 3. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 1 als Dieselmotor ausgebil det, und der Abgaskatalysator 3 ist als Stickoxidreduktionskatalysator, vorzugsweise als so genannter SCR-Katalysator zur selektiven Reduktion von im Abgas des Dieselmotors 1 enthaltenen Stickoxiden (NOx) ausgeführt. Für das Abgassystem sind vorzugsweise weitere, hier nicht näher dargestellte Komponenten vorgesehen. Beispielsweise können zusätzliche reinigungswirksame Bauteile wie ein weiterer Abgaskatalysator oder ein Partikelfilter sowie Abgas- und Temperatursensoren zur Unterstützung des Betriebs des Abgassystems vorgesehen sein. Wird mittels eines vor, nach oder im Abgaskatalysator 3 angeordneten Temperatursensors festgestellt, dass dieser den Temperaturbereich seiner Wirksamkeit verlassen hat, so wird vorzugsweise eine Abgabe von Reduktionsmittel ins Abgas unterbunden. Beispielsweise kann im Zusammenhang mit einer thermischen Regeneration eines dem Abgaskatalysator 3 vorgeschalteten Partikelfilters der Abgaskatalysator sich derart aufheizen, dass zugeführtes Reduktionsmittel unwirksam ist. In diesem Fall wird die Abgabe von Reduktionsmittel ins Abgas ebenso unterbunden, wie bei einer zu starken Abkühlung des Abgaskatalysators, etwa unter 180°C.
Entsprechend der bevorzugten Ausführung des Abgaskatalysators 3 als SCR-Katalysator ist das Dosiersystem 2 zur Abgabe eines hinsichtlich der Entfernung von NOx geeigneten Reduktionsmittels ausgebildet. Obschon das Dosiersystem 2 auch zur Dosierung von Kraftstoff oder anderen flüssigen organischen Reduktionsmitteln, beispielsweise zur Unterstützung einer Regeneration eines Partikelfilters geeignet ist, wird nachfolgend davon ausgegangen, dass es sich bei dem Reduktionsmittel um eine wässrige Harnstoff-Lösung, nachfolgend abgekürzt als HWL bezeichnet, handelt. Hierfür umfasst das Dosiersystem 2 einen Tank T, der über eine Leitung 11 mit einer Dosierpumpe 8 verbunden ist. Über eine Vorlaufleitung 9 kann von der Dosierpumpe 8 mengenmäßig kontrolliert und bedarfsgerecht Lösung zu einem Dosierventil 10 gefördert werden. Über das Dosierventil 10 erfolgt eine fein verteilte Abgabe der Lösung ins Abgas. Von der Dosierpumpe 8 zum Dosierventil 10 geförderte und nicht ins Abgas abgegebene Lösung wird über eine Rücklaufleitung 12 zum Tank T zurückgeleitet.
Eine mengenmäßig kontrollierte Abgabe der Lösung ins Abgas wird von einem Dosiersteuergerät 7 gesteuert, welches hierfür die Dosierpumpe 8 sowie eine in der Rücklaufleitung 12 angeordnete Steuerventilanordnung 13 ansteuert, worauf weiter unten näher eingegangen wird.
Zur Steuerung bzw. Erfassung des Motorbetriebs ist ein elektronisches Motorsteuergerät 6 vorgesehen. Das Motorsteuergerät 6 erhält einerseits Informationen über maßgebliche Zustandsgrößen wie z. B. Motordrehzahl und -Last, Temperaturen, Drücke von entsprechenden Sensoren bzw. Fühlern und kann andererseits Steuersignale als Einstellgrößen an Aktuatoren wie z. B. ein AGR-Ventil oder einen Abgasturbolader ausgeben, wobei die entsprechenden Bauteile der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Weiter ist das Motorsteuergerät 6 in der Lage, eine Einspritzung von Kraftstoff bedarfsgerecht einzustellen. Hierfür kann das Motorsteuergerät 6 auf abgespeicherte Kennfelder oder Berechnungsroutinen zurückgreifen.
In analoger Weise wird eine Erfassung und Einstellung von Betriebs- und Zustandsgrößen des Abgassystems und insbesondere des SCR-Katalysators 3 vorgenommen. Diese Aufgabe kann von einem separaten Steuergerät oder vom Dosiersteuergerät 7 durchgeführt werden. Nachfolgend wird jedoch davon ausgegangen, dass dies ebenfalls vom Motorsteuergerät 6 übernommen wird.
Allgemein sind zur Datenübermittlung Datenleitungen 5 vorgesehen, welche in Form von unidirektionalen oder bidirektionalen Signalleitungen vorliegen können. Insbesondere sind das Motorsteuergerät 6 und das Dosiersteuergerät 7 über eine vorzugsweise als so genannter CAN-Bus ausgeführte Datenleitung 5 miteinander verbunden. Ferner sind Datenleitungen vom Dosiersteuergerät 7 zur Dosierpumpe 8 und zur Steuerventilanordnung 13 vorgesehen, über welche diese angesteuert werden.
Das Motorsteuergerät 6 ermittelt vorzugsweise auf der Basis von ihm vorliegenden Daten betreffend beispielsweise Ansaugluftmassenstrom, Kraftstoffeinspritzdruck, Steuerzeiten der Kraftstoffeinspritzung, AGR-Rate, Ladedruck, Ansauglufttemperatur und gegebenenfalls weiteren Größen eine NOx-Rohemission des Motors 1. Die genannten Größen können direkt aus Sensorsignalen oder indirekt aus Kennlinien oder Kennfeldern oder durch im Motorsteuergerät 6 abgespeicherte Berechnungsroutinen ermittelt werden. Vorzugsweise ist die Zuordnung von NOx-Rohemissionswerten zu den hierfür maßgeblichen Größen ebenfalls in Kennlinien oder Kennfeldern abgespeichert. Ferner wird aus vorliegenden Informationen betreffend den Betriebszustand des Abgassystems aus hierfür vorgesehenen Kennfeldern ein aktueller Wert des NOx-Umsatzvermögens des SCR-Katalysators 3 ermittelt.
Aus den vorliegenden Informationen über die NOx-Rohemissionswerte und das NOx-Umsatzvermögen des SCR-Katalysators 3 wird eine Sollmenge von zu dosierender HWL bzw. ein Solldurchsatz von in das Abgassystem abzugebender HWL ermittelt, mit welchen sich eine vorteilhafte, insbesondere eine möglichst hohe NOx-Verminderung erzielen lässt. Die Information betreffend die Soll-Dosiermenge wird dem Dosiersteuergerät 7 übermittelt, welches die Dosierpumpe 8 für eine vorgegebene Förderleistung ansteuert.
Typischerweise führt die Dosierpumpe 8 in rascher, gleichmäßiger und vorzugsweise konstanter Folge Einzelfördervorgänge aus. Die Förderleistung der Dosierpumpe 8 kann durch eine Anpassung der Pumpfrequenz bzw. der Frequenz von Einzelfördervorgängen und/oder durch eine Anpassung der Fördermenge der Einzelfördervorgänge verändert werden. Vorzugsweise wird jedoch mit einer konstanten Pumpfrequenz gearbeitet. Es kann jedoch auch eine unregelmäßige zeitliche Abfolge von Einzelfördervorgängen vorgesehen sein.
Das Dosierventil 10 ist vorzugsweise als federbelastetes Einspritzventil ausgebildet, welches selbsttätig bei Erreichen eines durch die Dimensionierung vorgegebenen Dosierdrucks der Lösung öffnet bzw. schließt. Bevorzugt ist eine Ausführung als federbelastetes Einspritzventil mit einer mechanischen Feder. Auf eine elektrische Ansteuerung zur Betätigung und entsprechende Betätigungselemente wie beispielsweise eine Spule kann daher verzichtet werden. Wenn infolge des Dosierdrucks der über die Vorlaufleitung 9 dem Dosierventil 10 zugeführten HWL die Schließkraft einer Schließfeder überschritten wird, so wird eine Ventilöffnung freigegeben, und die HWL wird abgespritzt. Das Dosierventil 10 ist bezüglich der vom Druck beaufschlagten Flächen und der Schließfeder bevorzugt so abgestimmt, dass eine Öffnung nur oberhalb eines Mindestwerts für den hydraulischen Druck erfolgt. Weiterhin ist eine Ausführung des Dosierventils 10 derart vorgesehen, dass die von der Dosierpumpe 8 in einem Einzelfördervorgang geförderte HWL bis nahe zur Spitze des Dosierventils 10 geleitet wird. Auf diese Weise kann das Dosierventil 10 bis zur Spitze hin wirksam gekühlt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn aufgrund der Einbau situation eine erhöhte thermische Belastung vorliegt. Dies ist dann der Fall, wenn das Dosierventil 10 teilweise von heißem Abgas umströmt ist und/oder in Wärmeübergangskontakt mit heißen Abgasleitungsteilen steht.
Die vorzugsweise als Hubkolbenpumpe oder als Membranpumpe ausgebildete Dosierpumpe 8 arbeitet intermittierend vorzugsweise derart, dass mit einer Pumpfrequenz im Bereich von etwa 0,2 Hz bis 100 Hz, besonders bevorzugt mit einer Pumpfrequenz von 5 Hz bis 50 Hz, Einzelfördervorgänge erfolgen, mit denen jeweils eine Einzelfördermenge der HWL zum Dosierventil 10 gefördert wird.
Damit eine jeweilige Einzelfördermenge ganz oder teilweise in einem korrespondierenden Einzeldosiervorgang ins Abgas abgegeben werden kann, muss der für eine Öffnung des Dosierventils 10 maßgebende hydraulische Druck in der Vorlaufleitung 9 erreicht bzw. überschritten werden. Bei der hier diskutierten bevorzugten Ausführungsform des Dosiersystems 2 ist die Stellung eines in der Rücklaufleitung 12 angeordneten und vom Dosiersteuergerät 7 entsprechend ansteuerbaren Steuerventils 13 maßgebend für die Tatsache, ob ein Einzelfördervorgang als Einzeldosiervorgang oder als Einzelrücklaufvorgang ausgeführt wird. Das Steuerventil 13 kann zur Ermöglichung eines Einzeldosiervorgangs vom Dosiersteuergerät 7 in eine Sperrstellung und zur Ermöglichung eines Einzelrücklaufvorgangs in eine Rücklaufstellung gesteuert werden. In der Sperrstellung wird die Rücklaufleitung 12 abgesperrt, so dass deren Durchströmung verhindert ist. Dadurch kann sich der für eine Öffnung des Dosierventils 10 maßgebende hydraulische Druck aufbauen, die Ventilöffnung wird freigegeben und die Einzelfördermenge wird in einem Einzeldosiervorgang ganz oder teilweise als Einzeldosiermenge ins Abgas abgegeben. In der Rücklaufstellung wird die Rücklaufleitung 12 nach Überwindung eines vorzugsweise variabel vorgebbaren bzw. einstellbaren Öffnungsdrucks vom Steuerventil 13 für einen Rücklauf freigegeben. Hierfür ist vorzugsweise ein mit einer vorgebbaren, insbesondere variabel einstellbaren Kraft belastetes Verschlusselement vorgesehen, welches in der Rücklaufstellung in den Strömungsweg der Rücklaufleitung 12 geschaltet ist.
Das Dosierventil 10 und das Steuerventil 13 sind dabei derart aufeinander abgestimmt ausgeführt, dass der Öffnungsdruck des Dosierventils 10 höher bemessen ist als der Öffnungsdruck des Steuerventils 13 in der Rücklaufstellung. Überwindet daher die Dosierpumpe 8 bei dem in Rücklaufstellung betriebenen Steuerventil 13 den Öffnungsdruck des Steuerventils 13, so öffnet dieses. Ein weiterer Druckanstieg ist somit weitgehend vermieden, das Dosierventil 10 bleibt geschlossen und der Einzelfördervorgang erfolgt als Einzelrücklaufvorgang. Auf diese Weise ist im Leitungssystem von Dosierpumpe 8 bis zum Steuerventil 13 beim Betrieb des Dosiersystems 2 ständig ein Überdruck vorhanden. Dieser liegt vorzugsweise so hoch, dass störendes Sieden bzw. eine Dampfblasenbildung zumindest zwischen Dosierpumpe 8 und Steuerventil 13 auch bei erhöhten Temperaturen bis etwa 160°C bis 180°C für die HWL verhindert ist.
Nachfolgend wird unter Bezug auf die 2a und 2b auf eine typische Vorgehensweise beim Betrieb des erfindungsgemäßen Dosiersystems 2 eingegangen. Dabei sind zwei in einem vorgebbaren Zeitintervall typischerweise eingestellte Reihenfolgen für Einzelrücklauf- und Einzeldosiervorgänge bei einer hohen Dosiermenge bzw. einem hohen Solldurchsatz (2a) von zu dosierender HWL und bei einer kleinen Dosiermenge (2b) dargestellt.
In den Zeitdiagrammen der 2a und 2b ist beispielhaft eine im festen Abstand von beispielsweise 50 ms durchgeführte Folge von Einzelfördervorgängen der mit konstanter Pumpfrequenz arbeitenden Dosierpumpe 8 dargestellt. Als Einzelrücklaufvorgänge wirksame Einzelfördervorgänge sind durch offene Balken 20 gekennzeichnet. Als Einzeldosiervorgänge wirksame Einzelfördervorgänge sind durch schraffierte Balken 21 gekennzeichnet. Es versteht sich dabei, dass beispielsweise zur Veränderung des Durchsatzes eine Veränderung der Pumpfrequenz bzw. des zeitlichen Abstands der Einzelfördervorgänge vorgesehen sein kann.
2a stellt den Fall der höchsten einstellbaren Dosiermenge für die entsprechende Pumpfrequenz dar. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, auch für die höchste einstellbare Dosiermenge wenigstens einen Einzelfördervorgang im Zeitintervall als Einzelrücklaufvorgang 20 auszubilden. Dadurch wird für das Dosierventil 10 auch bei der höchsten Dosiermenge eine Mindestkühlwirkung durch zum Tank T zurückgeführte HWL erzielt.
Sollen kleinere Dosiermengen eingestellt werden, so erfolgt eine Aufteilung von Einzelrücklaufvorgängen 20 und Einzeldosiervorgängen 21 wie oben beschrieben durch eine entsprechende Ansteuerung des Steuerventils 13 derart, dass der vom Motorsteuergerät 6 ermittelte Solldurchsatz von zu dosierender HWL zumindest annähernd erreicht und dosiert wird. Bevorzugt werden in einem Zeitintervall zunächst die Einzeldosiervorgänge 21 in direkter Folge durchgeführt und anschließend die Einzelrücklaufvorgänge 20 ebenfalls in direkter Folge. Auf die in Bezug auf eine Kühlung des Dosierventils 10 vorteilhaften Einzelrücklaufvorgänge kann dabei auch ganz oder zumindest teilweise verzichtet werden, wenn ein Kühlbedarf nicht oder nur in einem verringerten Umfang erforderlich ist.
Bei üblichen Bedingungen mit einer Dosiermenge im Bereich von oberhalb etwa 10% der maximal darstellbaren Dosiermenge werden in den Einzelfördervorgängen vorzugsweise jeweils im Wesentlichen die gleichen, durch die konstruktive Auslegung der Dosierpumpe 8 festgelegten maximalen Einzelfördermengen von der Dosierpumpe 8 abgegeben, was in 2a, 2b durch Angabe einer 100%-Marke verdeutlicht ist. Sind kleinere Dosiermengen gefordert, so können jedoch Quantisierungsfehler aufgrund der Diskretisierung der HWL-Abgabe der Dosierpumpe 8 auftreten. Erfindungsgemäß wird dem dadurch begegnet, dass die Dosierpumpe 8 derart angesteuert wird, dass sie Einzelfördermengen abgibt, welche gegenüber der maximalen Einzelfördermenge reduziert sind. In 2c ist eine 2b entsprechende Abfolge von Einzelfördervorgängen dargestellt, wobei für die Einzelrücklaufvorgänge 20 und Einzeldosiervorgänge 21 eine beispielhaft auf etwa 75% der maximalen Menge reduzierte Einzelfördermenge eingestellt ist. Die Möglichkeit zu einer stärkeren Verminderung auf 50% oder weniger ist natürlich ebenfalls möglich. Auf diese Weise ist die Einstellung eines Werts für die Dosiermenge im Zeitintervall ermöglicht, wie sie mit Einzelfördervorgängen mit jeweils maximaler Einzelfördermenge von 100% nicht dargestellt werden kann. Insbesondere bei geringen Dosiermengen bzw. einer geringen Anzahl von Einzeldosiervorgängen 21 im Zeitintervall ist somit eine deutliche Verbesserung der Dosiergenauigkeit ermöglicht. Für eine hohe Genauigkeit bei entsprechend kleinen Dosiermengen von weniger als etwa 10% der maximalen Dosiermenge ist es vorteilhaft, wenn im Einstellbereich eine Einstellung von Einzelfördermengen mit einem beliebigen Bruchteil der maximalen Einzelfördermenge ermöglicht ist. Für eine Realisierung dieser Einstellmöglichkeit hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, als Dosierpumpe 8 eine Hubkolbenpumpe mit einem elektromagnetisch angetriebenen Hubkolben einzusetzen. Derartige Dosierpumpen sind dem Fachmann bekannt, wobei beispielhaft auf die WO 93/18290 verwiesen wird.
Bei einer solchen, hier vorzugsweise als Dosierpumpe 8 eingesetzten Hubkolbenpumpe ist ein Magnetanker als Pumpenkolben ausgebildet oder der Pumpenkolben fest mit einem Magnetanker verbunden. Wird durch Anlegen eines entsprechenden Ansteuersignals eine zugeordnete Magnetspule bestromt, so wird eine auf den Anker einwirkende Magnetkraft aufgebaut und der Pumpenkolben wird in Bewegung gesetzt, die spätestens dann beendet ist, wenn der Hubkolben zur Anlage an einen Anschlag gelangt. Durch den vom Hubkolben ausgeführten Hub wird in einer Förderkammer der Dosierpumpe 8 vorhandene Flüssigkeit aus der Förderkammer herausgedrückt und von der Pumpe abgegeben. Typischerweise erfolgt eine erneute Befüllung der Förderkammer durch eine federkraftverursachte Rückbewegung des Pumpenkolbens, wenn die Bestromung der Magnetspule ausgeschaltet wird.
Bei jedem auf die beschriebene Weise durchgeführten Nennhub der Hubkolbenpumpe mit einem Kolbenhubweg vorgegebener Länge wird dasselbe, durch das Aufnahmevolumen der Förderkammer zumindest mitbestimmte Volumen von der Dosierpumpe 8 abgegeben. Dem entspricht im erfindungsgemäßen Fall die maximale Einzelfördermenge. Ein typischer Zusammenhang zwischen Ansteuersignal der Dosierpumpe und Kolbenhubweg bzw. aktuell geförderter Menge ist schematisch im Zeitdiagramm der 3 dargestellt. Dabei repräsentiert der punktiert dargestellte Kurvenzug ein Ansteuersignal mit einer auf der linken Ordinate abgetragenen Amplitude A. Dem durchgezogen dargestellten Kurvenzug entspricht der auf der rechten Ordinate abgetragene Kolbenhubweg H.
In dem im Diagramm der 3 dargestellten Fall wird zum Zeitpunkt t₁ das Ansteuersignal A an die Magnetspule der Dosierpumpe 8 angelegt, deren Hubkolben sich zu diesem Zeitpunkt an seinem ersten Totpunkt mit dem Hubkolbenweg H = 0% befindet. Dementsprechend ist die Förderkammer der Dosierpumpe 8 vollständig mit HWL gefüllt. Mit Anliegen des Ansteuersignals A zum Zeitpunkt t₁ wird die Magnetspule bestromt und es beginnt ein Vormagnetisierungsvorgang, der zum Zeitpunkt t₂ zumindest soweit abgeschlossen ist, dass eine sich dabei aufbauende Magnetkraft den Hubkolben entgegen einer Federkraft in Bewegung setzt. Zum Zeitpunkt t₃ erreicht der Hubkolben seinen zweiten Totpunkt und hat damit 100% des maximalen Kolbenhubwegs H zurückgelegt, d. h. den Nennhub ausgeführt. Zu diesem Zeitpunkt ist damit auch die maximale Einzelfördermenge abgegeben und typischerweise die Förderkammer der Dosierpumpe 8 annähernd vollständig entleert. Wird kurz nach Ausführen des Nennhubs zum Zeitpunkt t₄ das Ansteuersignal A abgeschaltet, so wird der Hubkolben infolge des Wegfalls der Magnetkraft von der Federkraft wieder auf seine erste Totpunktposition geschoben, welche er zum Zeitpunkt t₅ erreicht hat. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass durch einen geeigneten Ventilmechanismus die Förderkammer bei der Rückwärtsbewegung des Hubkolbens im Zeitraum zwischen t₄ und t₅ wieder befüllt wird. Damit kann die Dosierpumpe 8 anschließend erneut zur Durchführung eines Einzelfördervorgangs angesteuert werden.
Um eine gegenüber der maximalen Einzelfördermenge reduzierte Einzelfördermenge darzustellen, wird die Ansteuerung der Dosierpumpe 8 verändert, wobei es typischerweise ausreichend ist, lediglich die Ansteuerdauer zu verringern. Die sich ergebenden Verhältnisse sind schematisch in 4 in einem Diagramm analog dem Diagramm von 3 dargestellt. Im Unterschied zu diesem wird das Ansteuersignal abgeschaltet noch bevor der Hubkolben seine zweite Totpunktposition erreicht hat. Infolge des dadurch bedingten Wegfalls der Magnetkraft wird er ab dem Zeitpunkt t₄, nach Ausführung eines Teilhubs und Zurücklegen eines vorgebbaren Bruchteils von beispielsweise 67% des maximal möglichen Kolbenhubwegs H wieder auf seine Ausgangsposition geschoben. Entsprechend des lediglich einen Bruchteil des Nennhubs ausmachenden Teilhubs ist die von der Förderkammer der Dosierpumpe 8 maximal aufnehmbare Reduktionsmittelmenge in dem entsprechenden Einzelfördervorgang ebenfalls lediglich zu einem Bruchteil abgegeben und die Einzelfördermenge des Einzelfördervorgangs ist gegenüber der maximalen Einzelfördermenge reduziert. Durch eine entsprechend gewählte Ansteuerdauer lässt sich der Kolbenhubweg H variabel und kontinuierlich zwischen 0% und 100% einstellen. Insbesondere mit einer variablen Aufteilung der Einzelfördervorgänge in Einzelrücklaufvorgänge 20 und Einzeldosiervorgänge 21 ist damit eine sehr große Spreizung des Dosiermengenbereichs ermöglicht. Es versteht sich dabei, dass die Dosierpumpe 8 nicht notwendigerweise als Hubkolbenpumpe ausgeführt sein muss; die erläuterten Einstellmöglichkeiten und Vorteile lassen sich durch sinngemäße Übertragung der Vorgehensweise auch bei anderen Pumpentypen, wie beispielsweise bei einer Membranpumpe erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004050 A1 [0002]
- WO 93/18290 [0040]

Claims

Dosiersystem zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine (1), umfassend – ein Dosierventil (10) zur Abgabe des Reduktionsmittels in das Abgassystem und – eine Dosierpumpe (8) zur Abgabe von Reduktionsmittel und zur Förderung von abgegebenem Reduktionsmittel zum Dosierventil (10) über eine die Dosierpumpe (8) mit dem Dosierventil (10) verbindende Vorlaufleitung (9) in aufeinander folgenden, zeitlich voneinander abgesetzten Einzelfördervorgängen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe (8) zur Durchführung von Einzelfördervorgängen mit einstellbarer Einzelfördermenge für von der Dosierpumpe (8) abgegebenes Reduktionsmittel ausgelegt ist.
Dosiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Dosierventil (10) zu einem Behälter (T) für das Reduktionsmittel geführte Rücklaufleitung (12) vorgesehen ist.
Dosiersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem Einzelfördervorgang von der Dosierpumpe (8) zum Dosierventil (10) geförderte Einzelfördermenge wenigstens annähernd vollständig wahlweise entweder in einem Einzeldosiervorgang (27) vom Dosierventil (10) in das Abgassystem abgegeben oder in einem Einzelrücklaufvorgang (26) durch das Dosierventil (10) hindurch und über die Rücklaufleitung (12) zum Behälter (T) für das Reduktionsmittel zurück geleitet werden kann.
Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosierpumpe (8) mit einem eine maximale Einzelfördermenge bestimmenden Förderkammervolumen eingesetzt wird, wobei zur Darstellung eines gegenüber einem Reduktionsmittel-Maximaldurchsatz verminderten Reduktionsmitteldurchsatzes in einem Einzelfördervorgang Reduktionsmittel entsprechend einem vorgebbaren Bruchteil des Förderkammervolumens abgegeben werden kann.
Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe (8) als Hubkolbenpumpe mit einem elektromagnetisch angetriebenen Hubkolben mit einem variabel einstellbaren Kolbenhubweg (H) ausgeführt ist.
Verfahren zum Dosieren eines flüssigen Reduktionsmittels in ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine (1), wobei von einer Dosierpumpe (8) das Reduktionsmittel in aufeinander folgenden, zeitlich voneinander abgesetzten Einzelfördervorgängen abgegeben und zu einem Dosierventil (10) gefördert wird, und das in den Einzelfördervorgängen zum Dosierventil (10) geförderte Reduktionsmittel wenigstens teilweise vom Dosierventil (10) in das Abgassystem abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung eines gegenüber einem Reduktionsmittel-Maximaldurchsatz verminderten Reduktionsmitteldurchsatzes die Dosierpumpe (8) derart angesteuert wird, dass sie eine gegenüber einer maximalen Einzelfördermenge reduzierte Einzelfördermenge abgibt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosierpumpe (8) eingesetzt wird, welche eine Förderkammer mit einem die maximale Einzelfördermenge bestimmenden Förderkammervolumen aufweist, und zur Abgabe der reduzierten Einzelfördermenge in einem Einzelfördervorgang Reduktionsmittel zu einem vorgebbaren Bruchteil des Förderkammervolumens abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Dosierpumpe eine Hubkolbenpumpe mit einem die maximale Einzelfördermenge bestimmenden Nennhub eingesetzt wird, und zur Abgabe der reduzierten Einzelfördermenge ein Teilhub mit einem vorgebbaren Bruchteil des Nennhubs ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Dosierpumpe eine elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe eingesetzt wird und zur Abgabe der reduzierten Einzelfördermenge eine Ansteuerdauer eines Ansteuersignals zur Ausführung eines Einzelfördervorgangs vermindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Einzelfördervorgängen zum Dosierventil (10) geförderte Reduktionsmittel wahlweise entweder in zeitlich voneinander abgesetzten Einzeldosiervorgängen (21) vom Dosierventil (10) in das Abgassystem abgegeben oder in zeitlich voneinander abgesetzten Einzelrücklaufvorgängen (20) durch das Dosierventil (10) hindurch und zu einem Behälter (T) für das Reduktionsmittel geleitet wird.