DE102008001789A1

DE102008001789A1 - Verfahren zum Betreiben eines Dosierventils und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008001789A1
Application number: DE102008001789A
Authority: DE
Inventors: Jens Reinhold; Marc Chaineux
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-19
Also published as: US8534049B2; US20090282815A1; FR2931200A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetisch betätigten Dosierventils, das mit einem Dosiersignal beaufschlagt wird, welches die Dosierung eines in den Abgasbereich einer Brennkraftmaschine einzubringenden Reagenzmittels oder einer Vorstufe des Reagenzmittels festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Dosierventil in einem vorgebbaren Takt der Reagenzmitteldruck erfasst wird, aus diesem auf den Reagenzmittelfluss geschlossen wird und der Reagenzmittelfluss über die Öffnungszeit des Ventils zur Festlegung der tatsächlichen Dosiermenge summiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dosierventils, welches ein Reagenzmittel oder eine Vorstufe eines Reagenzmittels in den Abgasbereich einer Brennkraftmaschine dosiert und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Gegenstand der Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Aus der DE 199 03 439 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, 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.
Als Reagenzmittel kommt dabei beispielsweise das Reduktionsmittel Ammoniak zum Einsatz, das aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung bzw. aus einer Harnstoff-Ameisensäure-Wasser-Lösung als Vorstufe des Reagenzmittels gewonnen werden kann. Die Dosierung des Reagenzmittels oder der Vorstufe muss sehr präzise erfolgen. Eine zu geringe Dosierung führt dazu, dass Stickoxide im SCR-Katalysator nicht mehr ausreichend reduziert werden können. Eine zu hohe Do sierung hat einen sogenannten Reagenzmittelschlupf zur Folge, der einerseits zu einem unnötig hohen Reagenzmittelverbrauch und andererseits, in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Reagenzmittels, zu einer unangenehmen Geruchsbelästigung führen kann.
Aus der DE 10 2006 044 080 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosierventils bekannt geworden, bei dem mittels einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil Reagenzmittel dosiert wird. Das Dosierventil wird mit einem impulsbreitenmodulierten Dosiersignal beaufschlagt, das 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 Öffnungsdauer wird dabei so festgelegt, dass ein feiner Sprühnebel entsteht. Dadurch wird ein Auskristallisieren des Reagenzmittels verhindert. Hierdurch ist eine exakte Dosierung möglich, außerdem wird einem Verstopfen des Dosierventils entgegengewirkt. Die minimale Öffnungsdauer hängt von mehreren Größen, beispielsweise der Temperatur und der Betriebsspannung des Dosierventil-Magneten sowie von dem Reagenzmitteldruck ab.
Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2007 044 807.6 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Dosierventils und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem das elektromagnetisch betätigte Dosierventil mit einem impulsbreitenmodulierten Dosiersignal beaufschlagt wird. Hierbei wird ein Taktsignal bereitgestellt, dessen Periodendauer kleiner als die Periodendauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals ist. Die Periodendauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals wird in Abhängigkeit von einem Dosieranforderungssignal auf Vielfache von Periodendauern des Taktsignals festgelegt.
Problematisch bei diesen Verfahren ist es, dass die dosierte Menge in manchen Fällen nicht exakt den Anforderungen, d. h. der gewünschten Dosiermenge entspricht. Darüber hinaus hängt die Dosiermenge nicht nur von der Öffnungszeit des Ventils ab, sondern wird auch von mehreren anderen Faktoren bestimmt. Am stärksten wird die Menge durch den Reduktionsmitteldruck bestimmt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetisch betätigten Dosierventils so weiterzubilden, dass eine wesentlich präzisere Dosierung des Reduktionsmittels möglich ist, wobei insbesondere Einflüsse des Reduktionsmitteldrucks berücksichtigt werden sollen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetisch betätigten Dosierventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Grundidee der Erfindung ist es, die Abhängigkeit der zugemessenen Dosiermenge vom Reduktionsmitteldruck dadurch zu berücksichtigen, dass der Durchfluss durch das Dosierventil nicht mehr in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis eines impulsbreitenmodulierten Signals, wie es beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2007 044 807.6 beschrieben ist, bestimmt wird, sondern dass der Durchfluss bei vollständig geöffnetem Ventil in Abhängigkeit von dem Reduktionsmitteldruck bestimmt wird. Hierzu wird eine Kennlinie ermittelt, welche den Zusammenhang des stationären Durchflusses über dem Druck repräsentiert. Der aus dieser Kennlinie gewonnene Durchfluss ist das Maximum, das in einem gegebenen Zeitintervall dosiert werden kann. Dieses von dem Reduktionsmitteldruck abhängige Maximum wird nun zur Wunschmenge, d. h. zur gewünschten eingespritzten Menge ins Verhältnis gesetzt. Um Druckschwankungen und dergleichen zu erfassen, wird bei geöffnetem Dosierventil der Reagenzmitteldruck in einem vorgebbaren Takt erfasst, aus diesem auf den Reagenzmitteldruck geschlossen und der Reagenzmittelfluss über die vorgegebene Öffnungszeit des Ventils zur Festlegung der tatsächlichen Dosiermenge summiert. Auf diese Weise erhält man sehr präzise die dosierte Menge.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
So kann beispielsweise gemäß einer ersten Ausgestaltung vorgesehen sein, die Öffnungszeit des Ventils durch direktes Ansteuern des Ventils über ein Zeitsignal zu bestimmen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Öffnungszeit durch die Impulsbreite eines impulsbreitenmodulierten Dosiersignals zu bestimmen.
In jedem Falle wird der Takt, d. h. das Taktsignal so gewählt, dass die Periodendauer des Taktsignals wesentlich kleiner ist als die Öffnungszeit des Ventils bzw. wesentlich kleiner ist als die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals.
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 sind. So ist beispielsweise ein Speicher vorgesehen, in dem die Kennlinie, welche den Zusammenhang des Reagenzmitteldrucks und der Durchflussmenge bei geöffnetem Dosierventil repräsentiert, gespeichert ist. Darüber hinaus enthält das Steuergerät einen Taktgenerator zum Bereitstellen des Taktsignals und für den Fall, dass das Dosierventil mit einem impulsbreitenmodulierten Dosiersignal beaufschlagt ist, auch einen Taktgenerator zum Bereitstellen des Dosiersignals.
Das Steuergerät enthält darüber hinaus einen Speicher, in welchem die Verfahrensschritte als Computerprogramm abgelegt sind.
Das erfindungsgemäße Steuerprogramm ermöglicht den Ablauf aller Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn es auf dem Steuergerät abläuft.
Das erfindungsgemäße Steuerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In der Figur ist schematisch ein technisches Umfeld dargestellt, in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, 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.
Der Luftsensor 12 stellt einem Steuergerät 20 ein Luftsignal ms_L, die Brennkraftmaschine 10 stellt dem Steuergerät 20 eine Drehzahl n zur Verfügung. Das Steuergerät 20 stellt einer Kraftstoffzumessvorrichtung 21 ein Kraftstoffsignal m_K zur Verfügung.
Der Dosiervorrichtung 14 ist ein Dosierventil 22 zugeordnet, das von einem Elektromagneten 23 betätigt wird. Der Elektromagnet 23 wird mit einem Dosiersignal s_D beaufschlagt, das von dem Steuergerät 20 ausgegeben wird. In dem Steuergerät 20 findet nun eine NOx-Massenstrom-Ermittlung 30 statt, welcher das Luftsignal ms_L 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.
Das Steuergerät 20 enthält weiterhin eine Dosier-Anforderungssignalermittlung 31, welcher der berechnete NOx-Massenstrom ms_NOx_vK_Sim, die Tempera tur te_Kat sowie weitere, nicht näher bezeichnete Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt werden und welche ein Dosier-Anforderungssignal s_A ermittelt und bereitstellt.
Das Steuergerät 20 enthält weiterhin einen Taktgenerator 32, der ein Taktsignal T zur Verfügung stellt.
In dem Abgasbereich 13 ist ein Drucksensor 40 angeordnet, dessen Ausgangssignal p_R dem Steuergerät 20 zur Verfügung gestellt wird. In dem Steuergerät 20 wird aus diesem Reagenzmitteldrucksignal p_R in einer Durchflussbestimmung 33 der stationäre Durchfluss D_s bestimmt. Dieser stationäre Durchfluss D_s wird beispielsweise einer Kennlinie entnommen, die zuvor bestimmt wurde und die den Zusammenhang zwischen dem Reagenzmitteldruck p_R und dem stationären Durchfluss D_s bei geöffnetem Ventil 22 repräsentiert.
Der Durchfluss D_s kann auch auf andere Weise, beispielsweise rechnerisch, ermittelt werden. Das den stationären Durchfluss bei geöffnetem Ventil repräsentierende Signal D_s wird einer Recheneinheit 35 zugeführt, in der es im Takt des von dem Taktgenerator 32 zur Verfügung gestellten Datensignals summiert wird. Die Summation erfolgt dabei über die Öffnungszeit des Ventils 22, die abhängig von dem Dosier-Anforderungssignal s_A in einer Recheneinrichtung 36 bestimmt wird. Das Ergebnis dieser Summierung ist ein Signal der eingespritzten Menge m_E des Reagenzmittels.
Grundidee der Erfindung ist es also, anders ausgedrückt, alle in einer Periode auftretenden diskreten Mengen, die pro Rechenschritt und Druck anfallen, zu addieren und auf diese Weise die insgesamt eingespritzte tatsächliche Dosiermenge zu bestimmen. Wenn dabei die Dosierung während des Taktes nicht die ganze Zeit andauert, wird die entsprechende Menge nur anteilig berücksichtigt. Die so berechnete Dosiermenge m_E ist für größere Mengen erheblich genauer als die auf an sich bekannte Weise bestimmte Dosiermenge, d. h. die Vorsteuermenge.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist es, dass durch die Summierung eine Abweichung der tatsächlichen Dosiermenge m_E von der Wunschmenge s_A schon vor Ablauf der Einspritzperiode erkannt werden kann und insoweit auch bestimmt werden kann, ob die Periode verlängert oder verkürzt werden muss, wobei mit Periode immer die Zeit der Einspritzung des Reagenzmittels gemeint ist.
Die Öffnung des Ventils 22 kann durch unmittelbares Ansteuern des Ventils 22 erfolgen. In diesem Falle wird die Öffnungszeit des Ventils 22 demnach durch direktes Ansteuern des Ventils 22 bestimmt.
Es kann aber auch vorgesehen sein, im Falle einer impulsbreitenmodulierten Ansteuerung des Ventils 22, wie sie beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2007 044 807.6 der Anmelderin beschrieben ist, auf die insoweit Bezug genommen wird, die Öffnungszeit durch die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Signals zu bestimmen.
Die Periodendauer des Taktsignals wird frei gewählt. Sie wird in jedem Fall so gewählt, dass sie kleiner ist als die Öffnungszeit des Ventils 22 bzw. kleiner ist als die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Periodendauer ein Vielfaches der Grundperiode ist. In diesem Falle wird nach Ablauf der Periode eine neue gestartet, wobei die in dem Summierer oder Integrator 35 bestimmte Restmenge von dem neuen Dosierwunsch vor der Berechnung der Öffnungszeit abgezogen wird. Denn diese Menge verbleibt als Rest noch aus der letzten Dosierung, muss also nicht erneut dosiert werden. Durch den Summierer oder Integrator 35 kann einerseits die zeitliche Übernahme eines neuen Dosierwunsches an die tatsächliche Dosierung angepasst und andererseits die neue Wunschmenge so modifiziert werden, dass sie den Rest der noch nicht dosierten Reagenzmittelmenge berücksichtigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19903439 A1 [0003]
- DE 102006044080 A1 [0005]
- DE 102007044807 [0006, 0010, 0031]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetisch betätigten Dosierventils, das mit einem Dosiersignal beaufschlagt wird, welches die Dosierung eines in den Abgasbereich einer Brennkraftmaschine einzubringenden Reagenzmittels oder einer Vorstufe des Reagenzmittels festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Dosierventil in einem vorgebbaren Takt der Reagenzmitteldruck erfasst wird, aus diesem auf den Reagenzmittelfluss geschlossen wird und der Reagenzmittelfluss über die Öffnungszeit des Ventils zur Festlegung der tatsächlichen Dosiermenge summiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeit des Ventils durch direktes Ansteuern des Ventils über ein Zeitsignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeit des Ventils durch die Impulsbreite eines impulsbreitenmodulierten Dosiersignals bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt so gewählt wird, dass die Periodendauer des Taktsignals kleiner ist als die Öffnungszeit des Ventils bzw. kleiner als die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Dosiersignals.
Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetisch betätigten Dosierventils, das mit einem Dosiersignal beaufschlagt wird, welches die Dosierung eines in den Abgasbereich einer Brennkraftmaschine einzubringenden Reagenzmittels oder eine Vorstufe des Reagenzmittels festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergerichtetes Steuergerät vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät einen Taktgenerator zum Bereitstellen des Taktsignals sowie eine Speichereinrichtung umfasst, in der der funktionale Zusammenhang des stationären Durchflusses und des Drucks gespeichert sind sowie eine Recheneinrichtung zur Bestimmung des stationären Durchflusses bei einem gemessenen Druck.
Steuerprogramm das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt, wenn es in einem Steuergerät abläuft.
Steuerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Programm in einem Steuergerät ausgeführt wird.