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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Einspritzsystems für ein Reagenzmittel, insbesondere des Einspritzsystems eines SCR-Katalysatorsystems. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie ein Einspritzsystem für ein Reagenzmittel, umfassend ein Steuergerät, auf dem ein Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
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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 (N2) reduziert. Solche SCR-Katalysatoren werden beispielsweise in den Abgasablagen von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen und Industrieanlagen eingesetzt. Insbesondere ist jedoch ihr Einsatz zur Verringerung des Stickoxidgehalts in den Abgasen von Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen bekannt.
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Durch SCR kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich vermindert werden. Für den Ablauf der Reduktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird und mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. Als Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. Im KfZ-Bereich wird hierfür in der Regel gemäß DIN 70070 eine 32,5%ige wässrige Harnstofflösung (Harnstoff-Wasser-Lösung; HWL) verwendet, die kommerziell unter dem Markennamen AdBlue® erhältlich ist. Diese Lösung wird mit Hilfe eines Einspritzsystems vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingespritzt. In einem vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolysekatalysator bildet sich aus dieser Lösung NH3, das als Reduktionsmittel wirkt. Zur Bevorratung der Harnstoff-Wasser-Lösung ist ein Reduktionsmitteltank bzw. ein HWL-Tank vorhanden. Die Eindosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung geschieht über das Öffnen eines Dosierventils. Der HWL-Systemdruck wird üblicherweise über einen PID-Druckregler (proportional-integtral-derivative controller) geregelt.
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Der Reduktionsmitteltank ist üblicherweise mit einer Saugleitung ausgestattet, um die Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Tank absaugen zu können. Die Förderung der Harnstoff-Wasser-Lösung erfolgt durch eine Pumpe, welche die Lösung durch ein Leitungssystem der Einspritzvorrichtung fördert, sodass die Harnstoff-Wasser-Lösung über ein Dosierventil, beispielsweise ein elektromagnetisches Einspritzventil, unter Druck in den Abgasstrang eingespritzt werden kann.
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Die Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung des SCR-Katalysatorsystems funktioniert als hydraulisches System. Maßgeblich für die Dosierung des Reduktionsmittels ist der Reduktionsmitteldruck, der auf einen vorgebbaren Solldruck geregelt wird. So bewirkt beispielsweise das Öffnen des Dosierventils Druckschwankungen bzw. Druckänderungen in dem Leitungssystem, die durch eine Änderung der Drehzahl des Förderpumpenmotors ausgeglichen werden.
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Um eine optimale Abgasnachbehandlung zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass das Reduktionsmittel bedarfsabhängig sehr genau und präzise eingespritzt wird. Es erfolgt daher eine geregelte Ansteuerung des Dosierventils.
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Im SCR-System werden während der Systemstartphase statische Druckprüfungen durchgeführt um zu erkennen, ob das Einspritzsystem frei von Verstopfungen ist. Stellt das System in diesem Betriebzustand eine Verstopfung fest, wird dieser Fehler sofort erkannt.
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Entsteht aber nach einer fehlerfreien Startprüfung während des Betriebs eine Verstopfung im Einspritzsystem (z. B. kann das Dosierventil bei langen Dosierpausen durch Harnstoffkristalle verstopft werden), erkennt die Überwachung der Abgasemissionen (On-Board-Diagnose, OBD) einen Fehler. Eine Fehlerunterscheidung zwischen, einem Fehler am SCR-Katalysator und einem verstopften System ist dabei jedoch nicht mehr gegeben.
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Als Folge meldet das System zwar den allgemeinen Fehler „schlechte NOx Umsatzrate”, was aber verschiedene Ursachen haben kann (z. B. kann eine Komponente im Einspritzsystem defekt sein, der SCR-Katalysator kann gealtert sein, es könnte ein falsches Reduktionsmedium eingefüllt worden sein, es könnte ein Fehler am NOx-Sensor vorliegen, etc.). Es gibt seitens der OBD-Gesetzgeber in Europa, USA und Japan die Anforderung, einen Fehler zu erkennen und diesen zu separieren, wenn im HWL-Verbrauch signifikante Abweichungen zum Sollverbrauch zu erkennen sind. Dabei ist dieser Fehler in der Dosierung von Fehlern des SCR-Katalysators zu unterscheiden (so genanntes Pin-Pointing). Diese gesetzliche Forderung kann mit der allgemeinen Fehleraussage „schlechte NOx Umsatzrate” jedoch nicht ohne weiteres erfüllt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, zu erkennen, ob es beim Betrieb eines druckregelnden Einspritzsystems zu einer Verstopfung dieses Systems kommt. insbesondere soll dieses Verfahren es ermöglichen, im Rahmen der OBD, während des Betriebs eines SCR-Katalysators zu erkennen, ob eine Verstopfung des Einspritzsystems des SCR-Katalysators vorliegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Einspritzsystems für ein Reagenzmittel, insbesondere des Einspritzsystems eines SCR-Katalysatorsystems, gelöst, wobei das Einspritzsystem ein Dosierventil und eine Förderpumpe aufweist. Die Aktivität der Förderpumpe wird auf einen vorgebbaren Reagenzmitteldruck eingeregelt. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen konstanten Druck. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Die angeforderte Dosiermenge des Reagenzmittels oder ein mit der angeforderten Dosiermenge korrelierender Wert A wird ermittelt.
- – Die tatsächlich eindosierte Dosiermenge des Reagenzmittels oder ein mit der eindosierten Dosiermenge korrelierender Wert E wird ermittelt.
- – Die angeforderte Dosiermenge bzw. der mit der angeforderten Dosiermenge korrelierender Wert A wird mit der eindosierten Dosiermenge bzw. dem mit der eindosierten Dosiermenge korrelierenden Wert E in Beziehung gesetzt. Anhand dieser Beziehung wird eine Aussage über eine mögliche Verstopfung des Einspritzsystems getroffen.
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Der mit der angeforderten Dosiermenge korrelierende Wert A wird bevorzugt durch integrieren der Ansteuerungen des Dosierventils ermittelt. Das Dosiersystem steuert je nach Dosiermengenanforderungen das Dosierventil an, so dass eine eindeutige Korrelation zwischen der Dosierventilaktivität und der eindosierten Dosiermenge besteht.
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Die Dosiermengenanforderung ergibt sich aus der Dosierstrategie basierend auf NOx-Werten und Beladungszustand sowie der Umsatzrate des Katalysators. Zusätzlich kann dazu eine Dosiermenge aus der Komponentenschutzfunktion (zusätzliche Dosiermenge zur Kühlung des Dosierventils bzw. Komponentenschutzmenge) addiert werden. Dies ist in 1 dargestellt. Ausgehend von den Eingangswerten Temperatur des Katalysators, Abgasmassen und NOx-Rohemission, d. h. NOx-Emission der Brennkraftmaschine 1 wird ein SCR-Modell 2 aufgestellt. Dies beinhaltet das gespeicherte NH3, die Konvertierung η und die NOx-Emissionen. Diese Ergebnisse des SCR-Modells 2 werden der Vorsteuerung (Feed forward controller) 3 und dem Beladungsregler (Load Governor) 4 zugeführt. Zusätzlich erfolgt ausgehend von den Eingangswerten 1 eine Ermittlung 5 der Nominalbeladung 6. Diese Ermittlung erfolgt empirisch in Abhängigkeit von der Temperatur des SCR-Katalysators und den Daten der Brennkraftmaschine bzw. den Motordaten. Die so ermittelte Nominalbeladung 6 wird ebenfalls dem Beladungsregler 4 zugeführt. Durch Addition der Ausgaben von Vorsteuerung 3 und Beladungsregler 4 und Multiplikation des Ergebnisses mit einem Korrekturfaktor 7 ergibt sich die Dosiermengenanforderung 8. Dazu kann optional die Komponentenschutzmenge addiert werden, um den Wert A zu erhalten.
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Ein mit der tatsächlichen Dosiermenge (Wert E) korrelierender Wert wird bevorzugt durch Integrieren der Druckregelungen, die zur Ansteuerung der Pumpe führen und zum Ausgleich der Dosierventilaktivitäten notwendig sind, ermittelt. Eine Öffnung des Dosierventils führt zu einer Verminderung des Systemdrucks. Da die Aktivität der Förderpumpe auf einen vorgebbaren Reduktionsmitteldruck eingeregelt wird, versucht die Druckregelung, diesen Druckabfall durch Erhöhung der Pumpendrehzahl zu kompensieren. Zwischen der Druckregelung und der angeforderten Dosiermenge besteht somit eine eindeutige Korrelation.
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Der Wert E wird besonders bevorzugt anhand folgender Funktion ermittelt:
∫DutyCyclePumpe
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Aus der angeforderten Dosiermenge bzw. dem mit der angeforderten Dosiermenge korrelierenden Wert A und der eindosierten Dosiermenge bzw. dem mit der eindosierten Dosiermenge korrelierenden Wert E wird bevorzugt der Quotient Q = E/A gebildet. Hierbei kann darauf geschlossen werden, dass eine Verstopfung des Einspritzsystems vorliegt, wenn die Bedingung x ≤ Q ≤ y nicht erfüllt ist, d. h. wenn die tatsächlich dosierte Menge an Reagenzmittel deutlich von der angeforderten Menge abweicht. Die Werte x und y sind vom Einspritzsystem und spezifischem Motordaten abhängig und können empirisch bestimmt werden.
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Um falsche Fehlermeldungen zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, eine Entprellung vorzunehmen, d. h. es wird erst nach mehreren Messungen, die auf eine Verstopfung schließen lassen, ein Plausibilisierungsfehler gemeldet bzw. angezeigt. Dies erfolgt bevorzugt, indem die Werte A und E zu verschiedenen Zeitpunkten bzw. in verschiedenen Zeitfenstern ermittelt werden, beispielsweise in verschiedenen Zeitfenstern, in denen das Dosierventil im aktuellen Betrieb angesteuert wird. Aus einem Mittelwert
Q der Quotienten Q zu verschiedenen Zeitpunkten kann dann in besonders zuverlässiger und aussagekräftiger Weise auf das Vorliegen einer Verstopfung des Einspritzsystems geschlossen werden, wenn die Bedingung x ≤
Q ≤ y nicht erfüllt ist, wobei x und y bevorzugt die voranstehend genannten Werte annehmen können. Hierbei gilt
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft, beispielsweise einem Motorsteuergerät oder einem gegebenenfalls zusätzlich vorhanden Steuergerät für das SCR-System. Dieses Computerprogramm liegt als Computerprogrammprodukt mit Programmcode vor, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit einem solchen Computerprogramm lässt sich in sehr vorteilhafter Weise das Reaktionsmitteleinspritzsystem eines SCR-Katalysatorsystems überwachen. Der besondere Vorteil des Computerprogramms besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres bei bestehenden SCR-Katalysatorsystemen eingesetzt werden kann, ohne das weitere Komponenten in das SCR-Katalysatorsystem eingebaut werden müssten. Es ist lediglich eine Anpassung der Auswertesoftware durch Aufspielen des auf dem Computerprogrammprodukt gespeicherten Computerprogramms beispielsweise im Steuergerät der Brennkraftmaschine erforderlich.
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Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung ein Einspritzsystems für ein Reagenzmittel, umfassend ein Steuergerät, auf dem ein Computerprogramm abläuft, welches alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
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Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt in Verbindung mit 1 weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung, ohne das erfindungsgemäße Verfahren dadurch einzuschränken. Die einzelnen Merkmale können jeweils allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Zeichnung
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In der 1 ist schematisch die Ermittlung der Dosiermengenanforderung dargestellt.
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In der 2 sind schematisch die Komponenten einer Dosiereinrichtung eines SCR-Katalysatorsystem, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, dargestellt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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2 zeigt in schematischer Weise die bekannten Komponenten einer Einspritzvorrichtung in einem SCR-Katalysatorsystem. Ein Abgassystem 10 umfasst eine Abgase produzierende Brennkraftmaschine 11. Diese verfügt über einen Abgasstrang 12, in dem ein Hydrolysekatalysator 13 und ein SCR-Katalysator 14 angeordnet sind. Der SCR-Katalysator 13 reduziert durch eine selektive katalytische Reduktion (SCR) selektiv Stickoxide (NOx) im Abgas zu Stickstoff (N2). Für diese Reaktion wird Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel eingesetzt. Da Ammoniak eine toxische Substanz ist, wird diese Substanz aus Harnstoff als ungiftigem Ausgangsstoff gewonnen, der als flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) über ein Einspritzsystem 20 in den Abgasstrang 12 stromaufwärts des Hydrolysekatalysators 13 eingespritzt und in diesem zu NH3 und CO2 hydrolysiert wird. Das Einspritzsystem 20 umfasst eine Saugleitung 21, eine Förderpumpe 22, eine Druckleitung 23 und ein Dosierventil 24.
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Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird in einem Reduktionsmitteltank 30 bevorratet. Zur Entnahme der Harnstoff-Wasser-Lösung ist die Saugleitung 21 vorgesehen. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird über die Förderpumpe 22 aus dem Reduktionsmitteltank 30 gefördert und unter Druck in der Druckleitung 23 zum Dosierventil 24 geleitet. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird durch das Dosierventil 24 präzise und bedarfsgerecht in den Abgasstrang 12 eingespritzt. Hierfür ist der Druck der Harnstoff-Wasser-Lösung in der Druckleitung 23 maßgeblich, Dieser Druck wird von einem Steuerungssystem mittels eines PID-Druckreglers auf einen vorgebbaren Solldruck geregelt. Hierfür ist ein Drucksensor 41 vorgesehen, der die erfassten Drucksignale an ein Steuergerät 42 weiterleitet, sodass die Förderpumpe 22 über eine Signalgebung des Steuergeräts 42 den vorgebbaren Solldruck einregeln kann. Die Ansteuerung des Dosierventils 24 erfolgt ebenfalls über eine Signalgebung des Steuergeräts 42.
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Erfindungsgemäß wird die Funktion des Einspritzsystems 20 durch ein Computerprogramm überwacht, welches auf dem Steuergerät 42 läuft. Hierbei wird ein mit der angeforderten Dosiermenge korrelierender Wert A ermittelt, indem über die Druckregelungen, die zur Ansteuerung der Förderpume 22 führen und zum Ausgleich der Aktivitäten des Dosierventils 24 notwendig sind, integriert wird. Ein mit der eindosierten Dosiermenge korrelierender Wert E wird ermittelt, indem über die Ansteuerungen des Dosierventils 24 integriert wird. Um festzustellen, ob eine Verstopfung des Einspritzsystems 20 vorliegt, wird zu verschiedenen Zeitpunkten der Quotient Q = E/A gebildet und der Mittelwert Q der Quotienten Q berechnet. Wenn die Bedingung x ≤ Q ≤ y nicht erfüllt ist, wird von einer Verstopfung des Einspritzsystems 20 ausgegangen und vom OBD-System eine Fehlermeldung ausgegeben. Die Werte x und y sind vom Einspritzsystem und spezifischem Motordaten abhängig und können empirisch bestimmt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die von den OBD-Gesetzgebern geforderte Pin-Point-Diagnose einer möglichen Verstopfung eines Einspritzsystems möglich ist, ohne dass hierzu ein Eingriff in den Einspritzvorgang notwendig wäre. Vielmehr muss nur eine Anpassung der Auswertesoftware des Einspritzsystems durch Aufspielen eines Computerprogramms beispielsweise im Steuergerät einer Brennkraftmaschine erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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