DE102008043469B4

DE102008043469B4 - Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Dosierventils eines NOx-Reduktionssystems einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008043469B4
Application number: DE102008043469.8A
Authority: DE
Inventors: Niclas Karlsson; Martin Czasch; Lars Wonnemann; Thomas Lorenz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: US20100114455A1; FR2938009A1; US8145408B2; FR2938009B1; DE102008043469A1

Abstract

Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Dosierventils (310) eines Reduktionsmittelsystems einer Brennkraftmaschine, bei dem Dosiermittel (105) aus einem Tank (100) mittels einer ansteuerbaren Pumpe (120) bei konstantem Druck zu dem Dosierventil (310) gefördert wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:- das Dosierventil (310) wird mit einer, die Hervorrufung einer Zustandsänderung des Dosierventils (310) charakterisierenden Steuergröße beaufschlagt,- es wird eine die Förderrate der Pumpe (120) charakterisierende Größe erfasst,- aus der Änderung der die Förderrate charakterisierenden Größe wird auf die Funktionsfähigkeit des Dosierventils (310) geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Dosierventils eines NOx-Reduktionssystems einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
Stand der Technik
Die Verminderung der Stickoxidemissionen einer mit Luftüberschuss arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, kann mit Hilfe der sogenannten Selective-Catalytic-Reduction-Technologie (SCR) erfolgen. Dabei wird eine Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff und Wasserdampf vorgenommen, wobei als Reduktionsmittel entweder gasförmiges Ammoniak oder Ammoniak in wässriger Lösung oder Harnstoff in wässriger Lösung eingesetzt werden. Der Harnstoff dient dabei als Ammoniakträger. Mit Hilfe eines Dosiersystems für einen Hydraolysekatalysator wird das Reduktionsmittel in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine eingespritzt. In dem Hydrolysekatalysator wird es mittels Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt, das dann wiederum in den eigentlichen SCR-Katalysator, der auch als DENOX-Katalysator bezeichnet wird, die im Abgas vorhandenen Stickoxide reduziert. Die wesentlichen Komponenten eines derartigen NOx-Reduktionssystems sind ein Reduktionsmitteltank, eine Pumpe, ein Druckregler, ein Drucksensor und ein Dosierventil. Die Pumpe fördert das in dem Reduktionsmitteltank bevorratete Reduktionsmittel zu dem Dosierventil, mittels dessen das Reduktionsmittel in den Abgasstrom stromaufwärts des Hydrolysekatalysators eingespritzt wird. Dabei wird das Dosierventil über Signale einer Steuereinrichtung, beispielsweise des Steuergeräts der Brennkraftmaschine, angesteuert, um eine bestimmte aktuell benötigte Menge an Reduktionsmittel zuzuführen. Bevorzugt werden in wässriger Lösung vorliegende, Ammoniak freisetzende Substanzen, wie beispielsweise Harnstoff, verwendet, da diese Reduktionsmittel wesentlich einfacher zu bevorraten und zu handhaben sind als beispielsweise gasförmiges Ammoniak. Darüber hinaus sind auch die Förder- und Dosierbarkeit dieser Lösungen mit technisch wesentlich einfacheren Mitteln möglich, als beispielsweise die Förderung und Dosierung von gasförmigen Substanzen. Da die Reduktionsmittelösungen unterhalb von etwa -11°C gefrieren, müssen Vorrichtungen zum Heizen des Reduktionsmittels in dem Reduktionsmittelbehälter vorgesehen sein.
Da es sich bei den NOx-Reduktionssystemen um ein abgasrelevantes Teil handelt, müssen Störungen, beispielsweise Lecks und dergleichen, erkannt werden. Bisherige Leckage-Erkennungsverfahren werten zur Leckageerkennung den Druck in den SCR-Systemen entweder statisch oder dynamisch aus und vergleichen diesen Druck mit absoluten, fest vorgegebenen Grenzwerten. Um hier fehlerhafte Diagnosen auszuschließen, müssen dabei sämtliche maximal möglichen Toleranzen einbezogen werden. Hierdurch reduziert sich die Erkennungsschärfe derart, dass nur größere Leckagen erkannt werden. Im Grunde eignet sich eine solche Leckageerkennung lediglich als „Schlauchabrisserkennung“, also als Verfahren zur Erkennung, ob eine Leitungsunterbrechung stattgefunden hat. Sehr problematisch bei den bisherigen Verfahren ist die Erkennung eines offen klemmenden Dosierventils.
DE 10 2004 021 372 A1 offenbart ein Verfahren zum Dosieren eines Reagenzmittels, dass in eine im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnete Abgasreinigungsvorrichtung zur Reinigung des Abgases von wenigstens einer Abgaskomponente benötigt, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Hierbei wird der Füllstand des in einem Reagenzmitteltank gelagerten Reagenzmittels gemessen. Die gemessene Änderung des Füllstands wird mit wenigstens einem verbrauchsabhängig berechnten Maß für die Änderung des Füllstands verglichen. Wenn das Vergleichsergebnis einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, wird ein Federsignal bereitgestellt.
DE 196 46 646 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur steuerbaren Zudosierung eines Stickoxidreduktionsmittels zum Abgas einer Verbrennungsanlage. Hierbei wird durch geeignete Überwachungsmittel die Stickoxidreduktionsmittel Zudosierung überwacht, indem die einem Reduktionsmittelspeicher entnommene Reduktionsmittel Entnahmemenge erfasst und mit der von einer Steuereinheit ermittelten Reduktionsmittelzudosierungsmenge jeweils in Form von Momentanwerten oder von über eine vorgebbare Zeitspanne hinweg integrierten Werten verglichen und im Falle einer Abweichung eine Fehlermeldung erzeugt wird.
DE 198 19 579 C1 offenbart eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung. Bei der zwischen Reduktionsmittelbehälter und Dosiereinrichtung ein zur Zwischenspeicherung von Reduktionsmittel dienender Druckspeicher mit einem dem Druckspeicher zugeordneten Drucksensor vorgesehen ist. Eine diesen Druckspeicher speisende Pumpe fördert nur so viel Reduktionsmittel nach, wie für die Abgasnachbehandlung verbraucht wird. Offenbarung der Erfindung
Durch das Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Dosierventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist es sehr vorteilhaft möglich, auf technisch einfach zu realisierende Weise die Funktionsfähigkeit des Dosierventils zu erkennen und damit zu prüfen. Grundidee der Erfindung ist es, die Prüfung der Funktionsfähigkeit des Dosierventils anhand der relativen Änderung des Volumenstroms bei einer Betätigung des Dosierventils durchzuführen. Hierzu wird eine die Förderrate der Pumpe charakterisierende Größe, beispielsweise die Pumpendrehzahl, das heißt die Drehzahl des Pumpenmotors der Pumpe ausgewertet und aus einer Änderung dieser Größe, beispielsweise einer Drehzahländerung auf die Funktionsfähigkeit geschlossen.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in seiner einfachen Realisierbarkeit und in seiner hohen Fehlererkennungspräzision.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
So sieht beispielsweise eine vorteilhafte Ausgestaltung eine periodische Prüfung der Funktionsfähigkeit während des Betriebs des NOx-Reduktionssystems vor. Dabei erfolgt die Prüfung auf Funktionsfähigkeit während des Fahrbetriebs periodisch. Periodisch bedeutet dabei, dass Prüfzyklen vorgenommen und ausgewertet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Dosierventil mit Steuersignalen beaufschlagt, die Sollmengen des zu dosierenden Dosiermittels entsprechen. Dabei wird die die Förderrate charakterisierende Größe, beispielsweise die Drehzahl der Dosiermittelpumpe erfasst. Es werden also gewissermaßen Testdosierungen vorgenommen. Diese Testfunktionen können beispielsweise jeweils zu Beginn eines regulären Dosierbetriebs einmal pro Fahrzyklus erfolgen. Auf diese Weise ist beim Start des NOx-Reduktionssystems eine Prüfung des Dosierventils möglich.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Einlernphase realisierbar. Dabei wird pro Fahrzyklus nach einer Prüfung der Beweglichkeit des Dosierventils, die durch gezieltes Ansteuern und Auswertung des Anwortverhaltens des Dosierventils anhand des die Förderrate charakterisierenden Signals, also beispielsweise des Drehzahlsignals erfolgt, eine Lernprozedur gestartet, bei der das Dosierventil zunächst mit einem Schließsignal beaufschlagt wird und bei geschlossenem Dosierventil eine Referenzförderratengröße, beispielsweise eine Referenzpumpendrehzahl erfasst wird.
Durch diese Lernfunktion werden Referenzwerte ermittelt, welche eine deutliche Einschränkung der Fehlertoleranz bei der Prüfung der Funktionsfähigkeit ermöglichen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

In der Figur ist schematisch ein NOx-Reduktionssystem für eine Brennkraftmaschine dargestellt.

Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur ist ein NOx-Reduktionssystem einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine dargestellt, wobei hier nur die für die Erfindung wichtigen Elemente eines solchen Reduktionssystems gezeigt sind.
Ein Tank 100 bevorratet eine Reduktionsmittellösung, beispielsweise eine Harnstoffwasserlösung 105, die auch unter dem Produktnamen „AdBlue“ vermarktet wird. Die Harnstoffwasserlösung 105 wird über eine Leitung 101 mittels einer Pumpe 120 zu einer Dosierventileinheit 300 gefördert (Pumpenmassenstrom ṁ_P), durch welche sie vor einem Katalysator K in den Abgaskanal 400 eingespritzt wird (Dosiermassenstrom ṁ_D),
Der Druck in dem NOx-Reduktionssystem wird durch einen Drucksensor 130, der in der Leitung 101 angeordnet ist, erfasst. Das Signal wird in einem Druck-Spannungswandler 132 gewandelt und einer Steuereinrichtung 200 zugeführt, beispielsweise einem Motorsteuergerät. Durch dieses Steuergerät 200 ist auch die Pumpe 120 ansteuerbar und zwar derart, dass der Druck in dem NOx-Reduktionssystem konstant gehalten wird. Wenn also beispielsweise ein Abfluss von Reduktionsmittel über die Dosiermitteleinheit 300 und von dort ins Abgas erfolgt, wird die Pumpe 100 so angesteuert, dass sich die Drehzahl erhöht, wodurch Reduktionsmittel aus dem Tank 100 gefördert wird und so der Druck in dem NOx-Reduktionssystem konstant gehalten wird. Die Dosierventileinheit 300 weist das eigentliche Dosierventil 310 auf, das über einen Elektromagnet 312, der zusammen mit dem Dosierventil 310 in einem Gehäuse 309 angeordnet ist, durch die Steuereinrichtung 200 ansteuerbar ist, sowie eine Drossel 320, die in einer Rücklaufleitung 103 angeordnet ist, die zum Tank 100 führt und einen Rücklauf des Reduktionsmittels in den Tank 100 ermöglicht (Rücklaufmassenstrom ṁ_K). Diese Rücklaufleitung 103 dient zur Kühlung des Dosierventils, das unmittelbar vor em Katalysator K im heißen Abgas angeordnet ist.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Dosierventils 310 erläutert. Zunächst wird in einem ersten Schritt geprüft, ob das Dosierventil beweglich ist. Hierzu wird es von der Steuereinrichtung 200 mit einem Signal beaufschlagt, welches das Ventil 310 in eine Offen- und Geschlossenposition bewegt. Hierbei wird die Drehzahl n eines Pumpenmotors der Pumpe 120 erfasst und in der Steuereinrichtung 200 ausgewertet. Dies ist durch einen Signalpfeil n in der Figur schematisch dargestellt.
Die Drehzahl muss bei definiertem Ansteuern des Dosierventils 310 vorgebbare Grenzwerte erreichen oder überschreiten. Wenn dies der Fall ist, wird das Dosierventil 310 schließend angesteuert und im geschlossenen Zustand die Drehzahl n des Pumpenmotors erfasst. Diese Drehzahl n dient als Referenzpumpendrehzahl. Die vorgenannten Schritte können auch als Lernfunktion oder „Einlernphase“ der Dosiereinheit 300 bezeichnet werden.
Es ist an dieser Stelle ausdrücklich darauf hinzuweisen, dass statt der Drehzahl auch eine andere die Förderrate der Pumpe 120 charakterisierende Größe erfasst werden kann. In diesem Falle wird geprüft, ob diese Größe bei definiertem Ansteuern des Dosierventils 310 einen vorgebbaren Grenzwert erreicht oder überschreitet. Ist dies der Fall, wird das Dosierventil 310, wie vorstehend beschrieben, schließend angesteuert und im geschlossenen Zustand die Größe, welche die Förderrate der Pumpe 120 kennzeichnet, erfasst. Diese Größe wird als Referenzgröße verwendet und beispielsweise in einem Speicher des Steuergeräts 200 gespeichert.
Während des Betriebs des Dosiersystems 300 erfolgt eine kontinuierliche, periodische Überwachung. Hierzu wird beispielsweise immer zu Beginn des regulären Dosierbetriebs das Dosierventil 310 einmal pro Fahrzyklus mit einem Testimpuls beaufschlagt.
Dieser Testimpuls löst eine Testdosierung aus. Bei funktionsfähigem Dosierventil 310 muss in diesem Fall die gleichzeitig erfasste Drehzahl n des Pumpenmotors innerhalb vorgebbarer Schranken einen vorgebbaren Wert erreichen.
Wird dieser Wert innerhalb der vorgebbaren Schranken erreicht, wird von einem funktionsfähigen Dosierventil 310 ausgegangen. Wird er nicht erreicht, wird auf ein nicht funktionsfähiges Dosierventil 310 geschlossen. Dabei ist einer Sollmengenvorgabe eine Änderung der Pumpendrehzahl n zugeordnet. Es wird mit anderen Worten überprüft, ob sich die Pumpendrehzahl n innerhalb vorgebbarer Größen geändert hat, wenn die Sollmenge der zu dosierenden Harnstoffwasserlösung innerhalb vorgebbarer Größe variiert.
Wenn dabei die Drehzahlvariation groß genug ist, wird auf ein funktionsfähiges NOx-Reduktionssystem geschlossen. Ist die Drehzahlvariation und damit die Volumenstromänderung kleiner als ein erwarteter Mindestwert, wird darauf geschlossen, dass das Dosiersystem defekt ist und insbesondere das Dosierventil 310 seit einem vorhergehenden Einlernvorgang unbeweglich geworden ist. Dabei kann zunächst noch nicht festgestellt werden, ob das Dosierventil 310 in der geschlossenen Stellung klemmt oder ob es in der offenen Stellung oder in einer halboffenen oder halbgeschlossenen Stellung klemmt. Um dies festzustellen, wird die zuvor gelernte Leerlaufdrehzahl als Vergleichsgröße herangezogen. Liegt die zuletzt ermittelte Drehzahl in der Nähe der gelernten Leerlaufdrehzahl, kann davon ausgegangen werden, dass der Massenstrom auf niedrigem Niveau stagniert. Dies bedeutet, dass das Dosierventil 310 geschlossen klemmt. Reagiert dagegen das System nicht mehr dynamisch und liegen die ermittelten Drehzahlen jedoch höher als die Leerlaufdrehzahl des Systems, muss davon ausgegangen werden, dass eine permanente Förderung auf höherem Niveau stattfindet. Dies kann entweder bedeuten, dass das Dosierventil offen klemmt oder dass beispielsweise ein Leitungsabriss erfolgt ist. Bei einem geschlossen klemmenden Dosierventil 210 wird dagegen weiterhin ein Druck in dem Nox-Reduktionssystem aufgebaut, da ein Austritt der Harnstoffwasserlösung nicht zu befürchten ist. Es erfolgt eine Fehlermeldung an einen Benutzer des Inhalts, dass kein SCR-Betrieb, d.h. keine Stickoxidreduktion möglich ist. Bei offen klemmendem Ventil 310 wird dagegen sofort ein Druckabbau in dem Reduktionssystem vorgenommen und gleichzeitig eine Fehlermeldung ausgegeben.
Wie vorstehend bereits erwähnt, kann statt der Drehzahl auch eine andere, die Förderrate der Pumpe 120 kennzeichnende Größe verwendet werden zur Funktionsprüfung des Dosierventils 310 und damit des gesamten Reduktionsmittelsystems.

Claims

Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Dosierventils (310) eines Reduktionsmittelsystems einer Brennkraftmaschine, bei dem Dosiermittel (105) aus einem Tank (100) mittels einer ansteuerbaren Pumpe (120) bei konstantem Druck zu dem Dosierventil (310) gefördert wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - das Dosierventil (310) wird mit einer, die Hervorrufung einer Zustandsänderung des Dosierventils (310) charakterisierenden Steuergröße beaufschlagt, - es wird eine die Förderrate der Pumpe (120) charakterisierende Größe erfasst, - aus der Änderung der die Förderrate charakterisierenden Größe wird auf die Funktionsfähigkeit des Dosierventils (310) geschlossen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die die Förderrate der Pumpe (120) charakterisierende Größe die Pumpendrehzahl der Pumpe (120) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung während des Betriebs des Reduktionsmittelsystems periodisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch Ansteuern des Dosierventils (310) mit einem, die Hervorrufung einer Änderung des Betriebszustands charakterisierenden Signal, Erfassen der die Förderrate charakterisierenden Größe, insbesondere der Drehzahl der Pumpe (120) und Vergleich der erfassten Förderratenwerte, insbesondere der Drehzahlwerte, mit Vergleichswerten auf die Betätigbarkeit des Dosierventils (310) geschlossen wird und dass im Falle eines ordnungsgemäßen Öffnens und Schließens des Dosierventils (320) dann bei geschlossenem Dosierventil (320) eine die Förderrate charakterisierende Größe, insbesondere die Drehzahl (n) der Pumpe (120) erfasst wird und diese als Referenzgröße gespeichert wird (Einlernphase).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (310) mit Steuersignalen beaufschlagt wird, die Sollmengen des zu dosierenden Dosiermittels (105) entsprechen, und dass hierbei eine die Drehzahl (n) der Dosiermittelpumpe (120) charakterisierende Größe erfasst wird und diese mit vorgebbaren Vergleichswerten verglichen und bei Abweichung auf einen Defekt des Dosierventils (310) geschlossen wird.
Computerprogramm das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät (200) der Brennkraftmaschine abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Programm auf einem Computer oder dem Steuergerät (200) der Brennkraftmaschine ausgeführt wird.