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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Dosiersystems insbesondere für einen SCR-Katalysator.
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Stand der Technik
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Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei Kraftfahrzeugen 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 der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reaktionsmittel bzw. Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrang mit Hilfe einer Dosiereinrichtung eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich NH3, das als Reduktionsmittel wirkt.
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Die Harnstofflösung wird üblicherweise in einem Reduktionsmitteltank bevorratet. Der Reduktionsmitteltank ist mit einer Saugleitung ausgestattet, über die die Harnstofflösung aus dem Tank abgesaugt wird. Zur Förderung der Harnstofflösung ist eine hydraulische Pumpe vorgesehen, die die Lösung durch ein Leitungssystem zu einer Dosiereinheit befördert, sodass die Harnstofflösung über ein oder mehrere Dosierventile, beispielsweise ein elektromagnetisches Dosierventil, in den Abgasstrang eindosiert werden kann. Die Pumpe fördert das Reduktionsmittel unter einem bestimmten hydraulischen Druck, wobei für die Dosierung des Reduktionsmittels der Reduktionsmitteldruck maßgeblich ist. Der Druck wird auf einen vorgebbaren Solldruck eingeregelt, wofür ein Drucksensor im System vorgesehen ist. Für die Einregelung des Systemdrucks wird in der Regel ein PID-Druckregler eingesetzt, der über eine Ansteuerung der Pumpe den Systemdruck konstant hält. Weiterhin ist ein Rücklauf des Reduktionsmittels zum Tank über eine Drossel vorgesehen, welche eine Senke für die Druckregelung darstellt. Die Rücklaufrate wird in der Regel konstant gehalten und ist unabhängig von der Dosiermenge. Daher wird auch bei Dosierpausen die Pumpe angesteuert, um den Druck im System konstant halten zu können.
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In dem Dosiersystem kann es zu Verstopfungen der Leitungen oder Ventile oder zu Leckagen kommen. Hierdurch wird die ordnungsgemäße Dosierung des Reduktionsmittels gestört, sodass eine einwandfreie Abgasnachbehandlung nicht mehr gesichert ist. Im Allgemeinen werden während der Systemstartphase statische Druckprüfungen durchgeführt, um Verstopfungen oder Leckagen erkennen zu können. Während der Systemstartphase können derartige Fehler also sofort erkannt werden. Tritt eine Verstopfung oder eine Leckage im System jedoch erst während des Betriebes auf, wobei also die Prüfung in der Systemstartphase keinen Fehler ergeben hat, wird ein Fehler in der Regel erst dann erkannt, wenn die Einspritzmenge bei der Dosierung des Reduktionsmittels so weit vom Sollwert abweicht, dass die Umsatzrate im SCR-Katalysator unter einen tolerierbaren Grenzwert fällt. Der Fehler wird also erst im Zuge der Überwachung der Abgasemissionen erkannt. Nachteilig hierbei ist zum einen, dass der Fehler im Dosiersystem sehr spät erkannt wird. Zum anderen ist keine Differenzierung des Fehlers, beispielsweise eine Fehlerunterscheidung zwischen „offene Leitung” und „verstopfter Filter” oder „verstopftes Ventil” möglich, da der im Zuge der Überwachung der Abgasemissionen erkannte allgemeine Fehler „schlechte NOx-Umsatzrate” nicht auf den konkreten Fehler zurückgeführt werden kann, z. B. auf eine unterbrochene Druckleitung, eine defekte Komponente im Dosiersystem und so weiter. Eine Überwachung erfüllt nicht die gesetzlichen Forderungen nach dem sogenannten Pin-Pointing, nach dem ein Fehler genau erkannt und differenziert werden soll.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung eines Dosiersystems, insbesondere für einen SCR-Katalysator, bereitzustellen, das frühzeitig einen Fehler im System erkennt und zudem eine Differenzierung des Fehlers erlaubt, indem beispielsweise zwischen einer Verstopfung im System und einem Leck im System unterschieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wie es Gegenstand des Anspruchs 1 ist. Bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem Dosiersystem insbesondere für einen SCR-Katalysator aus, bei dem ein Tank für ein flüssiges Medium, beispielsweise für eine wässrige Harnstofflösung, eine druckgeregelte Förderpumpe und wenigstens ein Dosierventil vorgesehen sind. Die Eindosierung des flüssigen Mediums erfolgt über ein Öffnen des Dosierventils, wobei der Systemdruck über die druckgeregelte Förderpumpe geregelt wird, um so eine präzise und bedarfsorientierte Einspritzung des flüssigen Mediums zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Zusammenhang zwischen dem Druck im System, der von einem möglicherweise vorhandenen Fehler, wie z. B. einer Verstopfung oder einer Leckage, beeinflusst wird, und der Ansteuerung der druckgeregelten Förderpumpe. Erfindungsgemäß wird während des Betriebs des Systems der Ansteuerwert der Förderpumpe bei einer bestimmten bzw. vorgebbaren Ansteuerung des Dosierventils mit vorgebbaren Referenzwerten verglichen und bei einem Über- und/oder Unterschreiten der Referenzwerte durch die aktuellen Ansteuerwerte wird auf einen Fehler in dem Dosiersystem geschlossen. Bei dem Ansteuerwert der Förderpumpe handelt es sich insbesondere um den Ausgangswert des Druckreglers, beispielsweise eines PID-Druckreglers. Wenn die Förderpumpe während des Systembetriebs also mit Werten angesteuert wird, die von zu erwartenden Referenzwerten abweichen, kann darauf geschlossen werden, dass ein Fehler vorliegt. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass im System ein unerwartet hoher oder niedriger Systemdruck vorliegt, auf den die Förderpumpe durch die Druckregelung entsprechend reagiert. Diese nicht zu erwartenden Druckverhältnisse implizieren, dass beispielsweise eine Verstopfung im Leitungssystem oder im Dosierventil oder eine Leckage im System vorliegt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem vorgebbaren Referenzwert um einen minimalen Ansteuerwert für die Förderpumpe. Der minimale Ansteuerwert bezieht sich hierbei beispielsweise auf eine Ansteuerung der Pumpe außerhalb von Dosierpausen. Bei einem Unterschreiten des Referenzwertes durch den aktuell erfassbaren Ansteuerwert wird auf eine unzulässig niedrige Rücklaufrate des Reduktionsmittels in den Tank und/oder auf eine Verstopfung im Dosiersystem, beispielsweise eine verstopfte Druckleitung oder ein verstopftes und/oder klemmendes Dosierventil geschlossen. Die verstopfte Leitung kann beispielsweise durch eine Verstopfung des Dosierventils oder eine andere Verstopfung in der Leitung, beispielsweise durch einen zugesetzten Filter in der Leitung verursacht sein. Eine unzulässig niedrige Rücklaufrate kann beispielsweise durch einen verstopften Systemrücklauf verursacht sein. Es ist auch möglich, dass sich der minimale Ansteuerwert als Referenzwert auf die Ansteuerung der Pumpe während der Dosierpausen bezieht. In diesem Fall ist es allerdings nicht möglich, ein verstopftes Dosierventil zu erkennen, da das Dosierventil während der Dosierpausen ohnehin geschlossen ist.
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Weiterhin kann es sich bei dem vorgebbaren Referenzwert um einen maximalen Ansteuerwert für die Förderpumpe handeln. Wird dieser Referenzwert durch den aktuellen Ansteuerwert überschritten, wird auf einen unzulässig hohen Druckverlust geschlossen, der insbesondere durch eine Leckage im System verursacht ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Leck in der Leitung oder um ein offen klemmendes Ventil handeln.
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Durch die applizierbaren Minimal- und/oder Maximalwerte für die Ansteuerung der Förderpumpe bei einer bestimmten Ansteuerung des Dosierventils kann in sehr einfacher und robuster Weise die Fehlerfreiheit des Dosiersystems überwacht werden. Es sind hierfür keine weiteren als die ohnehin vorhandenen Komponenten in dem Dosiersystem erforderlich, sodass das erfindungsgemäße Verfahren in sehr kostengünstiger Weise eine Überwachung des Dosiersystems erlaubt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als der vorgebbare Referenzwert der letzte gültige gelernte Ansteuerwert der Förderpumpe eingesetzt. Dieser letzte gültige gelernte Ansteuerwert wird mit dem aktuell gelernten Ansteuerwert der Förderpumpe verglichen. Beispielsweise kann der Ansteuerwert während der Dosierpausen eingelernt werden und stellt damit ein Maß für die korrekte Rücklaufrate dar. Auf eine unzulässig niedrige Rücklaufrate kann geschlossen werden, wenn der aktuell gelernte Ansteuerwert signifikant kleiner als der letzte gültige gelernte Ansteuerwert ist. Andererseits kann auf einen unzulässig hohen Druckverlust, beispielsweise ein Leck im System, geschlossen werden, wenn der aktuell gelernte Ansteuerwert signifikant größer als der letzte gültige gelernte Ansteuerwert ist. Eine signifikante Abweichung des aktuell gelernten Ansteuerwertes gegenüber dem letzten gültigen gelernten Ansteuerwertes liegt insbesondere dann vor, wenn die aktuelle Abweichung größer als die zwischen zwei Dosierpausen zu erwartende Abweichung ist, die durch systembedingte Alterungseffekte verursacht wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Überwachungsverfahren während einer Dosierpause des Dosiersystems durchgeführt. Während einer Dosierpause ist die Dosiermenge gleich null. Doch auch während der Dosierpause wird die Pumpe aufgrund des erforderlichen Rücklaufs des Reduktionsmittels in den Tank angesteuert, um ständig den Druck im System konstant zu halten. Also auch in dieser Phase kann die Funktion des Dosiersystems mittels der applizierbaren Referenzwerte für die Ansteuerwerte der Förderpumpe überwacht werden. Dies ist während der Dosierpausen mit besonderem Vorteil möglich, da hier keine weiteren Variablen, wie insbesondere die Dosiermenge, das heißt die Ansteuerung des Dosierventils, berücksichtigt werden müssen. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch auch während der Dosierung möglich, wobei hierbei die applizierbaren Referenzwerte die jeweilige Dosiermenge und die damit einhergehenden Ansteuerwerte für die Förderpumpe berücksichtigen müssen.
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Die Referenzwerte können beispielsweise in einer Einlernphase ermittelt werden, wobei entsprechende Referenzwerte für verschiedene Betriebsphasen ermittelt werden können. Voraussetzung hierfür ist, dass die Einlernphase bei einem fehlerfreien System durchgeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Überwachung eines Dosiersystems für einen SCR-Katalysators beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren allgemein zur Überwachung von druckgeregelten Einspritzsystemen, die mit einem Druckhaltesystem ausgestattet sind, eingesetzt werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen 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. Bei dem Steuergerät kann es sich beispielsweise um das zentrale Steuergerät eines Kraftfahrzeugs bzw. einer Brennkraftmaschine oder um eine Steuereinheit des SCR-Dosiersystems des Kraftfahrzeugs handeln. Die Ausgestaltung der Erfindung als Computerprogramm oder als Computerprogrammprodukt hat den besonderen Vorteil, dass für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens keine weiteren Komponenten im Kraftfahrzeug verbaut werden müssen. Es ist lediglich erforderlich, das entsprechende Computerprogramm zu implementieren, sodass das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil auch bei bestehenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Dosiersystems für einen SCR-Katalysator und
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm zur Durchführung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt in schematischer Weise die bekannten Komponenten eines Dosiersystems für einen SCR-Katalysator. Im Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine 11 ist ein SCR-Katalysator 12 angeordnet, der durch eine selektive katalytische Reduktion (SCR) selektiv Stickoxide im Abgas reduziert. Für diese Reaktion wird Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel eingesetzt. Da Ammoniak eine toxische Substanz ist, wird diese Substanz aus der ungiftigen Trägersubstanz Harnstoff gewonnen. Harnstoff wird in Form einer flüssigen Harnstoffwasserlösung über ein Dosierventil 13 in den Abgasstrang 10 stromaufwärts des SCR-Katalysators 12 eingespritzt. Zur Bevorratung der Harnstofflösung ist ein Reduktionsmitteltank 14 vorgesehen. Die Harnstoffwasserlösung wird über eine Saugleitung 15 aus dem Tank entnommen. Die Förderung des Reduktionsmittels erfolgt über eine Pumpe 16. Die Lösung wird unter Druck in der Druckleitung 17 zum Dosierventil 13 geleitet. Die Dosierung erfolgt in einem hydraulischen System, wobei der Dosiermitteldruck für eine präzise und bedarfsgerechte Einspritzung der Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang 10 maßgeblich ist. Der Reduktionsmitteldruck wird dabei auf einen vorgebbaren Solldruck geregelt. Hierfür ist ein Drucksensor 18 vorgesehen, der die erfassten Drucksignale an ein Steuergerät 19 weiterleitet, sodass der vorgebbare Solldruck über eine Signalgebung des Steuergeräts 19 über die Förderpumpe 16 durch Bestimmen eines entsprechenden Ansteuerwertes eingeregelt werden kann. Die Ansteuerung des Dosierventils 13 erfolgt ebenfalls über eine Signalgebung des Steuergeräts 19. Weiterhin ist eine Rücklaufleitung 20 mit einer Rücklaufdrossel 21 vorgesehen, über die ein Teil des gepumpten Reduktionsmittels mit einer konstanten Rücklaufrate in den Tank 14 zurückgepumpt wird.
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2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Schritt 101 wird ein Referenzwert aus den Ansteuerwerten der Förderpumpe bei einer bestimmten bzw. vorgebbaren Ansteuerung des Dosierventils ermittelt. Bei diesem Referenzwert kann es sich beispielsweise um den letzten gültigen gelernten Ansteuerwert der Förderpumpe während einer Dosierpause handeln. Der Referenzwert kann beispielsweise während einer Einlernphase ermittelt werden und in vorgebbaren Intervallen aktualisiert werden. In einem Schritt 102 wird der aktuelle Ansteuerwert der Förderpumpe bei der entsprechenden Ansteuerung des Dosierventils aus der Druckregelung ermittelt. In einem folgenden Schritt 103 wird geprüft, ob der aktuelle Ansteuerwert größer als der Referenzwert ist. Ist dies der Fall, erfolgt die Ausgabe 104, dass ein Fehler, insbesondere ein hoher Druckverlust, im Dosiersystem vorliegt (Error 1). Dieser Fehler kann beispielsweise durch eine Leckage im System verursacht sein. Liegt der aktuelle Ansteuerwert nicht oberhalb des Referenzwertes, erfolgt im Schritt 105 die Überprüfung, ob der aktuelle Ansteuerwert der Förderpumpe kleiner als der Referenzwert ist. Ist dies der Fall, erfolgt die Ausgabe 106, dass ein Fehler, insbesondere eine Verstopfung im System, vorliegt (Error 2). Hierbei kann es sich beispielsweise um ein verstopftes Dosierventil oder um eine verstopfte Leitung im Dosiersystem handeln. Sofern der Referenzwert in einer Dosierpause ermittelt wurde, kann in diesem Fall auf eine unzulässig niedrige Rücklaufrate geschlossen werden. Ergibt die Abfrage in Schritt 105, dass der aktuelle Ansteuerwert der Förderpumpe nicht kleiner als der Referenzwert ist, kann das Verfahren ohne Fehlerausgabe beendet oder ab Schritt 102 erneut durchlaufen werden.
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Vorzugsweise wird für den Vergleich des aktuellen Ansteuerwertes mit dem Referenzwert ein Toleranzband oberhalb und unterhalb des Referenzwertes berücksichtigt, um bei nur geringen Abweichungen vom Referenzwert, die innerhalb der üblichen Schwankungen liegen, nicht bereits auf einen Fehler zu schließen.
