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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Dosierventils,
welches ein Reagenzmittel oder eine Vorstufe eines Reagenzmittels in
den Abgasbereich einer Brennkraftmaschine dosiert, und von einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung
der unabhängigen Ansprüche.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein
Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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In
der
DE 199 03 439
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine beschrieben, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator
(Selective-Catalytic-Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas
der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide mit einem Reagenzmittel zu
Stickstoff reduziert.
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Als
Reagenzmittel ist beispielsweise das Reduktionsmittel Ammoniak vorgesehen,
das aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung beziehungsweise aus
einer Harnstoff-Ameisensäure-Wasser-Lösung als
Vorstufe des Reagenzmittels gewonnen werden kann. Die Dosierung
des Reagenzmittels oder der Vorstufe muss sorgfältig festgelegt
werden. Eine zu geringe Dosierung hat zur Folge, dass Stickoxide
im SCR-Katalysator nicht mehr ausreichend reduziert werden können.
Eine zu hohe Dosierung führt zu einem Reagenzmittelschlupf,
der einerseits zu einem unnötig hohen Reagenzmittelverbrauch
und andererseits, in Abhängigkeit von der Beschaffenheit
des Reagenzmittels, zu einer unangenehmen Geruchsbelästigung
führen kann.
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Die
Festlegung der Reagenzmittelrate bzw. der Reagenzmittel-Dosiermenge
kann gemäß der
EP 1 024 254 A2 ausgehend von einer Betriebsgröße der
Brennkraftmaschine, beispielsweise der Kraftstoff-Einspritzmenge
und/oder der Drehzahl und gegebenenfalls wenigstens einer Kenngröße
des Abgases, beispielsweise der Abgastemperatur, erfolgen.
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In
der
DE 10 2006
044 080 A1 (nicht vorveröffentlicht) ist ein Verfahren
zum Betreiben eines Dosierventils beschrieben, das als elektromagnetisch betätigtes
Ventil realisiert ist. Das Dosierventil wird mit einem impulsbreitenmodulierten
Dosiersignal beaufschlagt, welches die Dosierung einer in den Abgasbereich
einer Brennkraftmaschine einzubringenden Vorstufe eines Reagenzmittels
festlegt. Die Öffnungsdauer des Dosierventils wird auf
eine minimale Öffnungsdauer begrenzt, bei welcher das Dosierventil
vollständig geöffnet ist, die derart festgelegt
ist, dass bei der Dosierung stets ein Sprühnebel entsteht.
Dadurch wird ein Auskristallisieren des Reagenzmittels verhindert.
Das bekannte Verfahren sorgt dadurch einerseits für eine
exakte Dosierung und wirkt andererseits einem Verstopfen des Dosierventils
entgegen. Die minimale Öffnungsdauer hängt von
mehreren Größen wie beispielsweise der Temperatur
und der Betriebsspannung des Dosierventil-Magneten sowie dem Reagenzmitteldruck
ab.
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In
der
DE 37 10 467 C1 ist
ein Kraftstoff-Einspritzventil beschrieben, welches einen von einem Elektromagneten
umgebenen Kern sowie einen mit dem Kern zusammenwirkenden Anker
enthält, der mit einer Ventilnadel fest verbunden ist.
Beim Einschalten des Elektromagneten zieht der Elektromagnet den
Anker an und gibt dadurch eine Öffnung zur Dosierung des
unter Druck stehenden Kraftstoffs solange frei, bis der Elektromagnet
abgeschaltet wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines Dosierventils, welches ein Reagenzmittel oder eine Vorstufe
des Reagenzmittels in den Abgasbereich einer Brennkraftmaschine
dosiert, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
anzugeben, die eine möglichst exakte Dosierung ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Betreiben
eines Dosierventils geht von einem elektromagnetisch betätigten
Ventil aus, das mit einem impulsbreitenmodulierten Dosiersignal
beaufschlagt wird, welches die Dosierung eines in den Abgasbereich
einer Brennkraftmaschine zu dosierenden Reagenzmittels oder zumindest
einer Vorstufe eines Reagenzmittels festlegt.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise zeichnet sich
dadurch aus, dass ein Taktsignal bereitgestellt wird, dessen Periodendauer
kleiner als die Periodendauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals
ist und dass die Periodendauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals
in Abhängigkeit von einem Dosier-Anforderungssignal auf
Vielfache von Periodendauern des Taktsignals festgelegt wird.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
liegt darin, dass vergleichsweise rasch auf eine Änderung
der Dosieranforderung reagiert werden kann dadurch, dass die Periodendauer
der laufenden Periode unterbrochen und eine neue Periodendauer festgelegt
werden kann. Es muss daher nicht, wie im Stand der Technik, abgewartet
werden, bis die aktuelle Periodendauer des Dosiersignals abgelaufen
ist. Da im Allgemeinen von einer taktsynchronen Signalverarbeitung
ausgegangen wird, kann durch den Betrag der Verminderung der Periodendauer
des Taktsignals im Vergleich zur Periodendauer des impulsbreitenmodulierten
Dosiersignals die Reaktionsgeschwindigkeit auf eine Änderung
der Dosieranforderung angepasst werden. Durch die erfindungsgemäße
Vorgehensweise wird es beispielsweise möglich, im Falle
einer erforderlichen plötzlichen Erhöhung der
Dosieranforderung, beispielsweise beim Anfahren eines Kraftfahrzeugs mit
hoher Last, die Dosierung unmittelbar anzupassen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals
auf Vielfache der Periodendauer des Taktsignals festgelegt wird.
Dadurch ergibt sich eine einfache signaltechnische Realisierung.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Öffnungsdauer
des Dosierventils auf eine minimale Öffnungsdauer begrenzt
wird. Dadurch wird insbesondere ein Auskristallisieren des Reagenzmittels
vermieden, welches ein Dosierventil zusetzen kann, insbesondere,
wenn es sich bei der Vorstufe des Reagenzmittels um eine Harnstoff-Wasser-Lösung
beziehungsweise um eine Harnstoff-Ameisensäure-Wasser-Lösung
handelt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens betrifft zunächst ein Steuergerät,
das zur Durchführung des Verfahrens speziell hergerichtet
ist. Das Steuergerät enthält insbesondere Mittel,
die zur Durchführung des Verfahrens geeignet hergerichtet
sind.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass das Steuergerät einen Taktgenerator
zum Bereitstellen des Taktsignals sowie eine Dosiersignal-Festlegung
zum Festlegen sowohl der Periodendauer als auch der Impulsdauer
des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals enthält.
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Das
Steuergerät enthält vorzugsweise wenigstens einen
elektrischen Speicher, in welchem die Verfahrensschritte als Computerprogramm
abgelegt sind.
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Das
erfindungsgemäße Steuerprogramm sieht vor, dass
alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgeführt werden, wenn es in einem Steuergerät
abläuft.
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Das
erfindungsgemäße Steuerprogrammprodukt mit einem
auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode
führt das erfindungsgemäße Verfahren
aus, wenn das Programm in einem Steuergerät ausgeführt
wird.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorgehensweise ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäßes
Verfahren abläuft und
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2a bis 2d Signalverläufe
in Abhängigkeit von der Zeit.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 10, in deren Ansaugbereich 11 ein
Luftsensor 12 und in deren Abgasbereich 13 eine
Dosiervorrichtung 14 sowie ein Katalysator 15 angeordnet
sind. Stromaufwärts vor dem Katalysator 15 tritt
ein NOx-Massenstrom ms_NOx_vK auf.
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Der
Luftsensor 12 stellt einem Steuergerät 20 ein
Luftsignal ms_L und die Brennkraftmaschine 10 eine Drehzahl
n zur Verfügung. Das Steuergerät 20 stellt
einer Kraftstoff-Zumessvorrichtung 21 ein Kraftstoffsignal
m_K zur Verfügung.
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Der
Dosiervorrichtung 14 ist ein Dosierventil 22 zugeordnet,
das von einem Elektromagneten 23 betätigt wird.
Der Elektromagnet 23 wird mit einem vom Steuergerät 20 bereitgestellten
impulsbreitenmodulierten Dosiersignal s_D beaufschlagt.
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Das
Steuergerät 20 enthält eine NOx-Massenstrom-Ermittlung 30,
welcher das Luftsignal ms_I sowie ein Maß Md für
die Last der Brennkraftmaschine 10 zur Verfügung
gestellt werden und welche einen berechneten NOx-Massenstrom ms_NOx_vK_Sim
bereitstellt.
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Das
Steuergerät 20 enthält weiterhin eine Dosier-Anforderungssignal-Ermittlung 31,
welcher der berechnete NOx-Massenstrom ms_NOx_vK_Sim, die Temperatur
te_Kat sowie weitere, nicht näher bezeichnete Eingangsgrößen
zur Verfügung gestellt werden und welche ein Dosier-Anforderungssignal
s_A bereitstellt.
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Das
Steuergerät 20 enthält weiterhin einen Taktgenerator 32,
der ein Taktsignal T einer Dosiersignal-Festlegung 33 zur
Verfügung stellt. Der Dosiersignal-Festlegung 33 wird
weiterhin das Dosier-Anforderungssignal s_A zur Verfügung
gestellt. Die Dosiersignal-Festlegung 33 stellt das impulsbreitenmodulierte
Dosiersignal s_D bereit.
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Beim
Betreiben der Brennkraftmaschine 10 kann insbesondere in
Abhängigkeit vom Maß Md für die Last
der Brennkraftmaschine 10 im Abgasbereich 13 ein
NOx-Massenstrom ms_NOx_vK auftreten, der aufgrund gesetzlicher Vorschriften
ein vorgegebenes Maß nicht übersteigen darf. Gleichbedeutend
mit einem NOx-Massenstrom ms_NOx_vK ist das Integral des NOx-Massenstroms
ms_NOx_vK, aus welchem die NOx-Masse bezogen auf die Zeit oder insbesondere
bezogen auf eine Fahrstrecke erhalten wird, sofern die Brennkraftmaschine 10 als
Antriebsmotor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.
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Das
Maß Md für die Last der Brennkraftmaschine 10 kann
beispielsweise aus einer Position eines nicht näher gezeigten
Fahrpedals gewonnen werden. Das Maß Md für die
Last der Brennkraftmaschine 10 spiegelt sich beispielsweise
auch im Kraftstoffsignal m_K wieder, welches wenigstens einen Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt
während eines Zyklus der Brennkraftmaschine 10 sowie
die zuzumessende Menge der Kraftstoff-Zumessvorrichtung 21 festlegt. Das
Maß Md für die Last kann weiterhin allein oder vorzugsweise
zusätzlich aus der Drehzahl n gewonnen werden. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die NOx-Massenstrom-Ermittlung 30 den
berechneten NOx-Massenstrom ms_NOx_vK_Sim anhand des vom Luftsensor 12 bereitgestellten
Luftsignals ms_L und dem Maß Md für die Last der
Brennkraftmaschine 10 bereitstellt.
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Das
im Abgas enthaltene NOx soll im Katalysator 15 so weit
wie möglich konvertiert werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird davon ausgegangen, dass als Katalysator 15 ein SCR-Katalysator vorgesehen
ist, der zur Durchführung der NOx-Konvertierung das mit
der Dosiervorrichtung 14 in den Abgasbereich 13 einzubringende
Reagenzmittel bzw. die Vorstufe des Reagenzmittels des im SCR-Katalysator 15 effektiv
wirkenden Reagenzmittels benötigt.
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Bei
der Vorstufe des Reagenzmittels kann es sich beispielsweise um eine
Harnstoff-Wasser-Lösung oder um eine Harnstoff-Ameisensäure-Wasser-Lösung
handeln, die unmittelbar in den Abgasbereich 13 eingesprüht
wird, wobei dort durch Thermolyse Ammoniak gebildet wird, welches
der SCR-Katalysator 15 als Reagenzmittel verwenden kann.
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Das
Reagenzmittel kann vom Dosierventil 22 unmittelbar in den
Abgasbereich 13 gesprüht werden. In diesem Fall
ist die Dosiervorrichtung 14 bis auf beispielsweise einen
Montageflansch identisch mit dem Dosierventil 22. Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die Dosiervorrichtung 14 ein
Sprührohr enthält und dass das Dosierventil 22 nicht
unmittelbar an einem Abgasrohr oder dessen Nähe angebracht ist.
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Das
Dosierventil
22 wird vom Elektromagneten
23 betätigt.
Eine kostengünstige Realisierung des Dosierventils
22 kann
vorsehen, dass als Dosierventil
22 ein herkömmliches,
beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik gemäß
DE 37 10 467 C1 bekanntes,
gegebenenfalls modifiziertes Benzin-Einspritzventil herangezogen
wird, das aufgrund der Massenfertigung äußerst
preiswert bereitgestellt werden kann.
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Eine
einfache Realisierung des Dosierventils 22 sieht vor, dass
der Elektromagnet 23 im eingeschalteten Zustand einen Anker
anzieht, der fest mit einer Ventilnadel verbunden ist, die im angezogenen Zustand
des Ankers eine oder mehrere Öffnungen freigibt, aus welchen
das unter dem Reagenzmittel-Betriebsdruck p stehende Reagenzmittel
abgesprüht wird.
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Die
Dosier-Anforderungssignal-Ermittlung 31 berücksichtigt
neben dem berechneten NOx-Massenstrom ms_NOx_vK_Sim insbesondere
die Temperatur te_Kat des SCR-Katalysators 15 sowie vorzugsweise
nicht näher gezeigte Einflussgrößen wie beispielsweise
die Abgastemperatur und/oder Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10.
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Gegenüber
einer herkömmlichen Benzin-Einspritzung dosiert das vorzugsweise
als Benzin-Einspritzventil oder modifiziertes Benzin-Einspritzventil
realisierte Dosierventil 22 bei der vorliegenden Anwendung
eine erheblich geringere Flüssigkeitsmenge bezogen auf
die Zeit bzw. eine Fahrstrecke. Während bei der Benzin-Einspritzung
von einer Menge von beispielsweise einigen Litern/100 km ausgegangen
wird, kann bei der Reagenzmittel-Dosierung von einem Verbrauch von
beispielsweise nahezu null bis zwei Litern/1000 km ausgegangen werden.
Das Tastverhältnis des in den 2b–2d näher
gezeigten impulsbreitenmodulierten Dosiersignals s_D, welches als
Verhältnis von Impulsdauer d_D zur Periodendauer p_D definiert
sein soll, variiert daher in einem entsprechend großen
Bereich.
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2a zeigt
das vom Taktgenerator 32 bereitgestellte Taktsignal T,
das eine Periodendauer p_T aufweist, die kürzer als die
Periodendauer p_D des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals s_D
ist. Die Periodendauer p_D des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals
s_D ist auf ganzzahlige Vielfache der Periodendauern p_T des Taktsignals
T festgelegt.
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Die
Dosiersignal-Festlegung 33 legt die Periodendauer p_D des
impulsbreitenmodulierten Dosiersignals s_D in Abhängigkeit
vom Dosier-Anforderungssignal s_A fest, um die erforderliche Dosierung des
Reagenzmittels einzustellen. Durch die Festlegung der Periodendauer
p_D des Dosiersignals s_D auf ganzzahlige Vielfache des Taktsignals
T wird einerseits eine signaltechnisch einfache Realisierung möglich.
Andererseits kann bei einer Änderung des Dosier-Anforderungssignals
s_A vergleichsweise schnell durch Änderung der Periodendauer
p_D des Dosiersignals s_D reagiert werden.
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Die
zu dosierende Reagenzmittelmenge kann in weiten Grenzen sowohl durch
die Festlegung der Periodendauer p_D als auch durch die Festlegung
der Impulsdauer d_D des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals s_D
variiert werden.
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In 2b ist
ein Dosiersignal s_D gezeigt, das zu einer vergleichsweise hohen
Dosierung führt. Die Periodendauer p_D des impulsbreitenmodulierten
Dosiersignals s_D ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
auf einen vorzugsweise vorgesehenen minimalen Faktor von beispielsweise
drei Periodendauern p_T des Taktsignals T festgelegt. Die Impulsdauer
d_D ist auf zwei Periodendauern p_T des Taktsignals T festgelegt,
so dass das Tastverhältnis des Dosiersignals s_D 66,6%
beträgt.
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2c zeigt
einen Übergang zu einer geringeren Dosierung, wobei zunächst
die Periodendauer p_D des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals
s_D noch festgehalten ist. Vermindert wurde jedoch die Impulsdauer
d_D, wobei die erste Impulsdauer d_D auf eine Periodendauer p_T
des Taktsignals T und die darauf folgende Impulsdauer d_D auf die
halbe Periodendauer p_T des Taktsignals T festgelegt ist. Durch
Variation der Impulsdauern d_D kann selbst bei unveränderter
Periodendauer p_D des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals s_D
das Tastverhältnis in weiten Bereichen den Erfordernissen
angepasst werden.
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2d zeigt
einen Übergang zu einer noch geringeren Dosierung wobei
die Periodendauer p_D des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals
s_D gegenüber den in den 2b und 2c gezeigten Verhältnissen
verdoppelt wurde, sodass eine Periodendauer p_D sechs Periodendauern
p_T des Taktsignals T entspricht. Prinzipiell wäre eine
Erhöhung der Periodendauer auf einen geringeren Wert möglich,
wobei der geringste Wert derart festgelegt ist, dass die Periodendauer
p_D vier Periodendauern p_T des Taktsignals T entspricht.
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In
den gezeigten Ausführungsbeispielen ist davon ausgegangen,
dass die Impulsdauern d_D des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals
s_D einer ganzen Periodendauer p_T oder einer halben Periodendauer
p_T des Taktsignals T entsprechen. Durch diese Ausgestaltung kann
die Impulsdauer d_D signaltechnisch mit einfachen Mitteln unmittelbar
aus dem Taktsignal T gewonnen werden.
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Anhand
von Versuchen wurde festgestellt, dass unterhalb einer bestimmten Öffnungsdauer
des Dosierventils 22 das Reagenzmittel nicht mehr als Sprühnebel
abgesprüht wird. Stattdessen entstehen Tröpfchen,
die teilweise am Dosierventil 22 verbleiben oder als ein
unvollständiger Sprühnebel oder insbesondere Tröpfchen
in den Abgasbereich 13 gelangen.
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Durch
die Tröpfchenbildung tritt einerseits ein Verlust von Reagenzmittel
auf und andererseits wurde festgestellt, dass beispielsweise eine
Harnstoff-Wasser-Lösung auskristallisiert. Die Kristallisation
beeinflusst die geometrischen Verhältnisse am Dosierventil 22 und
kann die Fähigkeit zur Ausbildung eines Sprühnebels
verschlechtern. Im Extremfall kann die Kristallisation zu einem
Zusetzen des Dosierventils 22 führen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist deshalb die Begrenzung der Öffnungsdauer
des Dosierventils 22 auf eine minimale Öffnungsdauer
vorgesehen. Die minimale Öffnungsdauer wird durch eine
entsprechende Festlegung der Impulsdauer d_D des impulsbrei tenmodulierten
Dosiersignals s_D erzielt, wobei die Impulsdauer d_D vorzugsweise
in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsbedingungen des
Dosierventils 22 variiert wird. Die minimale Öffnungsdauer hängt
vom Ventiltyp und/oder von den Bedingungen im Abgasbereich 13 ab
und wird vorzugsweise experimentell ermittelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19903439
A1 [0003]
- - EP 1024254 A2 [0005]
- - DE 102006044080 A1 [0006]
- - DE 3710467 C1 [0007, 0035]