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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten SCR-Katalysators, bei dem stromaufwärts des SCR-Katalysators flüssige Reduktionsmittellösung bedarfsgerecht in den Abgasstrang eingebracht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Dosiereinrichtung für ein SCR-Katalysatorsystem, das für die Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
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Stand der Technik
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Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, in deren Abgasbereich ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann die Stickoxidkonzentration im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden NH3 oder NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrang mithilfe einer Dosiereinrichtung eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich NH3, das als Reduktionsmittel wirkt. Die Dosierung des Reduktionsmittels erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von den motorischen Stickoxidemissionen und ist damit von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment des Motors abhängig. Vorzugsweise wird daher die Dosierung des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine und/oder in Abhängigkeit von Abgaskenngrößen vorgenommen.
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Zur Bevorratung der Harnstofflösung ist ein Reduktionsmitteltank vorgesehen. Üblicherweise ist der Reduktionsmitteltank mit einer Saugleitung ausgestattet, um die Harnstoffwasserlösung aus dem Tank absaugen zu können. Zur Förderung der Harnstoffwasserlösung ist eine Pumpe vorgesehen, die die Lösung durch ein Leitungssystem zu einer Dosiereinrichtung fördert, sodass die Harnstoffwasserlösung über ein Dosierventil, beispielsweise ein elektromagnetisches Einspritzventil, unter Druck in den Abgasstrang eingespritzt werden kann.
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In der Regel ist das Dosierventil stromaufwärts des SCR-Katalysators vorgesehen, wie es beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 17 994 A1 gezeigt ist. Über dieses Dosierventil erfolgt die Zudosierung des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von der NOx-Erzeugung der Brennkraftmaschine. In dieser Offenlegungsschrift ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der mehrere Dosierventile am Abgasauslass eines Verbrennungsmotors angeordnet sind. Die Eindosierung des Reduktionsmittels in den Abgasauslass wird abhängig von der NOx-Erzeugung vorgenommen.
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Die Zudosierung des Reduktionsmittels erfolgt druckgesteuert, wobei die Reduktionsmitteldosiereinrichtung als hydraulisches System wirkt. Jedes Öffnen eines Dosierventils bewirkt einen Druckeinbruch im Dosiersystem. Diese Druckeinbrüche wirken sich bei bekannten Dosiereinrichtungen durch die damit verbundenen Unregelmäßigkeiten im Betrieb nachteilig aus.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Dosierung von Reduktionsmittel in einem SCR-Katalysatorsystem zu verbessern und die geschilderten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators gelöst, wie es Gegenstand des Anspruchs 1 ist. Bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Eindosierung der Reduktionsmittellösung stromaufwärts eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten SCR-Katalysators über eine Mehrzahl von Dosierventilen erfolgt. Wesentlich hierbei ist, dass die Eindosierung der Reduktionsmittellösung mit einem vorgebbaren Dosiermuster verteilt auf die verschiedenen Dosierventile erfolgt. In der Summe erfolgt die Eindosierung der Reduktionsmittellösung bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der NOx-Erzeugung der Brennkraftmaschine. Die gesamte bedarfsgerechte Dosiermenge wird verteilt über wenigstens zwei Dosierventile nach einem vorgebbaren Dosiermuster in den Abgasstrang eingebracht, wobei die Dosierventile koordiniert angesteuert werden. Die Ansteuerung der einzelnen Dosierventile erfolgt beispielsweise über eine Dosiersteuereinheit. Die koordinierte Ansteuerung der Dosierventile erlaubt es, den jeweiligen Druckeinbruch im System, der mit jedem Öffnen eines Dosierventils einhergeht, zu minimieren. Hierdurch werden Unregelmäßigkeiten im System vermieden und Systemdruckschwankungen reduziert, wodurch die Genauigkeit und Präzision der Dosierung verbessert wird. Weiterhin hat die koordinierte Ansteuerung von mehreren Dosierventilen den Vorteil, dass die Vormischung der Reduktionsmittellösung im Abgasstrang verbessert wird und damit die Effizienz der Reduktion der Stickoxide im SCR-Katalysator weiter verbessert werden kann. Darüber hinaus können durch die vorgebbaren Dosiermuster bei der Ansteuerung der Dosierventile eine Diagnose der einzelnen Dosierventile und eine Überprüfung von deren Funktionsfähigkeit sowie eine Diagnose des Katalysators in besonders vorteilhafter Weise durchgeführt werden. Zusätzlich wird durch die koordinierte Ansteuerung der Dosierventile die momentane Belastung des elektrischen Bordnetzes, die durch die erhöhten Einschaltströme der Ventile verursacht wird, reduziert.
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In bevorzugter Weise werden die Dosierventile zeitlich versetzt angesteuert. Insbesondere wird hierbei die öffnende und/oder schließende Ansteuerung der einzelnen Ventile zeitversetzt vorgenommen. So kann der Druckeinbruch im Dosiersystem besonders gering gehalten werden, da zu einem bestimmten Zeitpunkt beispielsweise nur jeweils ein Ventil öffnet. Ein weiterer Vorteil der sequentiellen Eindüsung ist eine besonders gute Durchmischung der Reduktionsmittellösung mit dem Abgas im Abgasstrang und damit eine gleichmäßigere Beaufschlagung des SCR-Katalysators mit der Reduktionsmittellösung.
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Für die zeitliche Versetzung der Ansteuerung der einzelnen Dosierventile kann ein festlegbarer Wert vorgegeben werden. Beispielsweise können die einzelnen Dosierventile immer nach einem bestimmten vorgebbaren Zeitabstand nacheinander angesteuert werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann der festgelegte Wert für die zeitliche Versetzung gleichbleibend sein und beispielsweise empirisch festgelegt werden. Dieser Wert kann auch bei verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine variiert und angepasst werden. Mit besonderem Vorteil wird der Wert für die zeitliche Versetzung der Ansteuerung der Dosierventile von einer oder verschiedenen Betriebsgrößen oder Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängig gemacht. Beispielsweise kann die zeitliche Versetzung abhängig von der Taktfrequenz der Einspritzung, von der Kraftstoffeinspritzzeit, von dem Systemdruck innerhalb des SCR-Katalysatorsystems und insbesondere innerhalb der Dosiereinrichtung, von der Temperatur des Mediums, also der Reduktionsmittellösung, von der Umgebungstemperatur, von der Abgastemperatur, von dem Abgasmassenstrom, von der Batteriespannung und/oder von der Motordrehzahl gewählt werden. Die Temperatur des Mediums und die Umgebungstemperatur haben einen Einfluss auf die Dichte der Reduktionsmittellösung und beeinflussen damit das Einspritzverhalten. Daher ist es besonders vorteilhaft, diese Bedingungen bei dem Dosiermuster und insbesondere bei der zeitlichen Versetzung der Ansteuerung der einzelnen Dosierventile zu berücksichtigen. Auch der Systemdruck des SCR-Katalysatorsystems beeinflusst maßgeblich das Einspritzverhalten und wird daher mit besonderem Vorteil bei der koordinierten Ansteuerung der Dosierventile berücksichtigt.
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Die Ansteuerung der einzelnen Dosierventile kann, wie bereits erläutert, mit unterschiedlicher zeitlicher Versetzung bzw. zeitlicher Verzögerung erfolgen. Weiterhin kann die öffnende und schließende Ansteuerung der jeweiligen Dosierventile nach unterschiedlichen Mustern vorgenommen werden. Beispielsweise kann die öffnende Ansteuerung, der verschiedenen Dosierventile zwar zeitlich versetzt, aber überlappend erfolgen, so dass jeweils mehr als ein Dosierventil geöffnet ist. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet sein, dass ein Dosierventil unmittelbar nach der schließenden Ansteuerung eines anderen Dosierventils öffnend angesteuert wird. Dies hat den Vorteil, dass der bei dem Schließen eines Dosierventils auftretende ansteigende Systemdruck durch den fallenden Systemdruck, der durch das Öffnen eines anderen Dosierventils verursacht wird, im Wesentlichen kompensiert wird. In dieser Ausführungsform kann also der Systemdruck in besonders vorteilhafter Weise nahezu konstant gehalten werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die öffnende Ansteuerung eines Dosierventils mit zeitlichem Abstand zu der schließenden Ansteuerung eines anderen Dosierventils vorgenommen werden. Hierbei öffnet das eine Dosierventil also erst nach Ablauf einer gewissen Verzögerungszeit nach dem Schließen des anderen Dosierventils. In dieser Ausgestaltung des Dosiermusters erlaubt die Zeit zwischen dem Schließen des einen Dosierventils und dem Öffnen des anderen Dosierventils ein Einschwingen des Systemdrucks.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine Dosiereinrichtung für die Eindosierung von flüssiger Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine stromaufwärts eines SCR-Katalysators. Bei dieser erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung ist eine Mehrzahl von Dosierventilen vorgesehen, die nach einem vorgebbaren Dosiermuster ansteuerbar sind. Diese Dosiereinrichtung ist insbesondere für die Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, bei dem die Dosierventile insbesondere zeitlich versetzt angesteuert werden und so Druckeinbrüche im Dosiersystem vermieden werden. Weiterhin wird hierdurch die Durchmischung der Reduktionsmittellösung mit dem Abgas im Abgasstrang verbessert und damit der Umsatz im SCR-Katalysator erhöht.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogramms bzw. des Computerprogrammprodukts können mehrere Dosierventile einer Dosiereinrichtung koordiniert nach einem vorgebbaren Dosiermuster angesteuert werden. Die koordinierte und insbesondere zeitlich versetzte Ansteuerung der einzelnen Dosierventile nach einem vorgebbaren Muster führt zu einer Minimierung der Druckschwankungen in der Dosiereinrichtung einschließlich der Zuleitungen für die Dosierventile und verbessert damit die Genauigkeit und Präzision der Dosierung. Weiterhin wird durch die koordinierte Ansteuerung der verschiedenen Dosierventile die Vormischung der Reduktionsmittellösung im Abgasstrang verbessert, sodass die Gleichmäßigkeit der Beaufschlagung des SCR-Katalysators mit Reduktionsmittel und damit der Umsatz der NOx-Konvertierung im SCR-Katalysator erhöht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Die einzelnen Merkmale können hierbei jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Komponenten eines SCR-Katalysatorsystems einschließlich einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung;
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2 eine schematische Darstellung der Ansteuerung von Dosierventilen gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 drei Beispiele für den zeitlichen Verlauf der Ansteuerung von mehreren Dosierventilen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und
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4 zwei Beispiele für Dosiermuster gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt in schematischer Weise verschiedene Komponenten eines SCR-Katalysatorsystems. Im Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine 11 ist ein SCR-Katalysator 12 angeordnet, der durch eine selektive katalytische Reduktion (SCR) eine selektive Reduzierung der Stickoxide im Abgas ermöglicht. Für diese Reaktion wird Ammoniak (NH3) als Reaktionsmittel benötigt. Da Ammoniak eine toxische Substanz ist, wird diese Substanz aus der ungiftigen Trägersubstanz Harnstoff gewonnnen, der als flüssige Harnstoffwasserlösung über die Dosiereinrichtung 13 in den Abgasstrang 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 12 bedarfsgerecht eingespritzt wird. Die wässrige Harnstofflösung wird in einem Reduktionsmitteltank 14 bevorratet. Zur Entnahme der Harnstoffwasserlösung ist eine Saugleitung 15 vorgesehen. Das Reduktionsmittel wird über eine Förderpumpe 16 aus dem Reduktionsmitteltank 14 gefördert und unter Druck in der Druckleitung 17 der Dosiereinrichtung 13 zugeführt. Die Harnstoffwasserlösung wird präzise und bedarfsgerecht abhängig von der NOx-Erzeugung in der Brennkraftmaschine 11 in den Abgasstrang 10 eingespritzt. Der Reduktionsmitteldruck in der Druckleitung 17 wird auf einen vorgebbaren Solldruck eingeregelt. Ein Drucksensor 18 erfasst die Drucksignale und leitet sie an ein Steuergerät 19 weiter, sodass die Förderpumpe 16 und die Dosiereinrichtung 13 über eine Signalgebung des Steuergeräts 19 entsprechend angesteuert werden können. Erfindungsgemäß umfasst die Dosiereinrichtung 13 mehrere Dosierventile 20, in diesem Beispiel sind es drei Dosierventile. Die einzelnen Dosierventile 20 werden in einem vorgebbaren Dosiermuster angesteuert, wobei sie insbesondere zeitlich versetzt angesteuert werden. Dies erlaubt eine Minimierung der Druckeinbrüche im Dosiersystem, insbesondere in der Druckleitung 17, die durch das Öffnen der Dosierventile jeweils verursacht werden. Durch die sequentielle Ansteuerung der Dosierventile können die Druckeinbrüche durch das Öffnen der Dosierventile und die Druckanstiege durch das Schließen der Dosierventile kompensiert werden. Weiterhin erlaubt die sequentielle Ansteuerung der einzelnen Dosierventile 20 eine wesentlich gleichmäßigere Eindosierung des Reduktionsmittels in den Abgasstrang 10, sodass eine bessere Durchmischung der Reduktionsmittellösung mit dem Abgas erfolgt und der SCR-Katalysator 12 gleichmäßiger mit Reduktionsmittel beaufschlagt werden kann, wodurch die Effizienz und der Umsatz der Stickoxidkonvertierung im SCR-Katalysator 12 verbessert wird.
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2 zeigt in schematischer Weise die Ansteuerung der Dosierventile (DV1, DV2, ... DVn) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Steuergerät 19 wird die erforderliche Dosiermenge der Harnstoffwasserlösung berechnet, die von der NOx-Erzeugung in der Brennkraftmaschine abhängig ist. Diese Information wird an die Endstufe 30 weitergegeben, die für die Ansteuerung der Dosierventile DV1, DV2, ... DVn eingesetzt wird. Weiterhin fließen in die Endstufe 30 Systeminformationen 40 ein, von denen die Auswahl des Dosiermusters abhängt, mit dem die Dosierventile angesteuert werden. In Abhängigkeit von den Systeminformationen kann beispielsweise ein Wert für die zeitliche Versetzung der Ansteuerung der einzelnen Dosierventile vorgegeben werden. Dieser Wert kann abhängig von verschiedenen Betriebsgrößen oder Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Taktfrequenz der Einspritzung, der Einspritzzeit, des Systemdrucks, der Temperatur des Mediums, der Umgebungstemperatur, der Batteriespannung, des Abgasmassenstroms, der Abgastemperatur und/oder der Motordrehzahl gewählt werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein fester Wert für die zeitlich versetzte Ansteuerung der einzelnen Dosierventile unabhängig von den Betriebsgrößen vorgegeben werden.
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Die 3 zeigt verschiedene Beispiele A, B und C für die mögliche Ansteuerung der Dosierventile DV1, DV2, ... DVn. Im Beispiel A startet die Ansteuerung des DV2 innerhalb der Ansteuerung von DV1. Die Ansteuerung von DV3 (nicht dargestellt) startet innerhalb der Ansteuerung von DV2 und so weiter. Im Beispiel B startet die Ansteuerung von DV2 mit dem Ende der Ansteuerung von DV1, die Ansteuerung von DV3 (nicht dargestellt) startet mit dem Ende der Ansteuerung von DV2 und so weiter. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der ansteigende Systemdruck, der beim Schließen von DV1 auftritt, durch den fallenden Systemdruck durch das Öffnen von DV2 annährend kompensiert wird. Bei dem Beispiel C startet die Ansteuerung von DV2 erst nach dem Ablauf einer Wartezeit nach dem Schließen von DV1. Diese Wartezeit ermöglicht ein Einschwingen des Systemdrucks. Die dargestellten prinzipiellen Ansteuerungsmöglichkeiten der verschiedenen Dosierventile sind auch in verschiedenen Kombinationen miteinander möglich.
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4 zeigt zwei Beispiele für die Dosiermuster bei dem Einsatz von vier Dosierventilen DV1 bis DV4. Bei dem Dosiermuster gemäß Beispiel A werden die vier Dosierventile zeitversetzt mit jeweils der gleichen Verzögerungszeit Tv angesteuert, wobei die öffnende Ansteuerung des jeweils folgenden Ventils innerhalb der Ansteuerungszeit des vorhergehenden Ventils liegt. Insbesondere mit diesem Dosiermuster kann die Vormischung der Harnstoffwasserlösung im Abgasstrang stromaufwärts des SCR-Katalysators verbessert werden. Die Ansteuerung des ersten Ventils DV1 hängt nicht vom Arbeitstakt des Motors oder einer Phasenverschiebung dazu ab, sondern ist frei wählbar. Die gesamte Dosiermenge, die über alle angesteuerten Dosierventile in den Abgasstrang einbracht wird, hängt von dem Bedarf, also insbesondere von der NOx-Erzeugung der Brennkraftmaschine, ab. Das Dosiermuster selbst, insbesondere die Wahl der Verzögerungszeiten Tv zwischen der Ansteuerung der einzelnen Ventile hängt vorzugsweise von verschiedenen Betriebsgrößen oder Betriebsbedingungen ab, beispielsweise vom Systemdruck innerhalb des SCR-Katalysatorsystems oder von der Temperatur der Harnstofflösung. Durch die sequentielle Ansteuerung der Dosierventile und insbesondere auch durch die Auswahl geeigneter Dosiermuster bei verschiedenen Betriebsbedingungen kann eine gezielte Beladung und Durchmischung des Abgasstroms mit der Harnstoffwasserlösung erreicht werden, wodurch deutlich bessere Umsatzraten im SCR-Katalysator möglich sind. Durch eine solche asymmetrische Einspritzung mithilfe der mehreren Dosierventile, die beispielsweise die gleiche Dosierfrequenz mit unterschiedlichen Startzeiten in der Einspritzphase aufweisen (Beispiel A) werden die hydraulischen Eigenschaften im Dosiersystem und die Druckschwankungen innerhalb des Dosiersystems im Vergleich mit der herkömmlicherweise durchgeführten Einspritzung über ein einzelnes Dosierventil verbessert.
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Die seriellen Einspritzungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können sehr flexibel eingesetzt werden. Insbesondere können durch die flexiblen Dosiermuster auch Diagnosen der Dosierventile und/oder des Katalysators durchgeführt werden. Ein Beispiel für ein solches Dosiermuster ist im Beispiel B der 4 gezeigt. Hierbei werden Paare von Dosierventilen, in diesem Beispiel DV1 und DV2 auf der einen Seite und DV3 und DV4 auf der anderen Seite, spiegelbildlich angesteuert. Das heißt, solange DV1 öffnend angesteuert wird, ist DV2 geschlossen. Wenn DV2 öffnend angesteuert wird, ist DV1 geschlossen. Bei diesem Dosiermuster ist jeweils die Hälfte der Dosierventile offen, während die andere Hälfte geschlossen ist. Das bedeutet, dass die Dosiermenge über die Zeit konstant bleibt, sofern alle Dosierventile ordnungsgemäß funktionieren. Dies kann für eine Diagnose zur Funktionsüberprüfung der einzelnen Dosierventile und auch des SCR-Katalysators selbst ausgenutzt werden, indem beispielsweise die NOx-Bilanzierung während der Durchführung des Dosiermusters gemäß Beispiel B überprüft wird
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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