DE102012200917A1 - Verfahren zum Erkennen einer Verstopfung eines Dosierventils eines SCR-Katalysatorsystems - Google Patents

Verfahren zum Erkennen einer Verstopfung eines Dosierventils eines SCR-Katalysatorsystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen eines Dosierventils eines SCR-Katalysatorsystems. Diese umfasst das Schließen des Dosierventils, das Ermitteln eines ersten Druckverlaufs im hydraulischen System in dem Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems, und das Ermitteln der Steifigkeit des hydraulischen Systems aus dem ersten Druckverlauf. Anschließend wird das Dosierventil geöffnet, ein zweiter Druckverlauf im hydraulischen System in dem Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems ermittelt, und eine Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils aus der Steifigkeit und dem zweiten Druckverlauf bestimmt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen eines Dosierventils eines SCR-Katalysatorsystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
  • Stand der Technik
  • Um die immer strengeren Abgasgesetzgebungen zu erfüllen, ist es notwendig, Stickoxide (NOx) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist es bekannt, im Abgasbereich von Verbrennungskraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective-Catalytic-Reduction) anzuordnen. In einem SCR-Katalysator werden im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxid im Abgas erheblich verringert werden. Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die stromabwärts des SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5%ige wässrige Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue® kommerziell erhältlich.
  • Ein Dosiersystem für einen SCR-Katalysator gemäß dem Stand der Technik umfasst einen Reduktionsmitteltank, ein Fördermodul und ein Dosierventil. Die Reduktionsmittellösung wird aus dem Reduktionsmitteltank durch das Fördermodul zum Dosierventil transportiert. Das Fördermodul enthält eine Pumpe, welche mittels Leitungen mit dem Dosierventil und gegebenenfalls mit einem Reduktionsmittelrücklauf verbunden ist. Dieses Leitungssystem wird als hydraulisches System bezeichnet.
  • Das „California Air Resources Board“ (CARB) fordert die Erkennung einer Dosiermengenabweichung im Katalysatorsystem, die zum Überschreiten einer definierten Stickoxidemissionsgrenze des Abgassystems eines Dieselmotors führt. Dies kann insbesondere durch Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils eines SCR-Katalysatorsystems geschehen. Es muss daher eine Erkennung zwischen angeforderter und tatsächlich eindosierter Dosiermasse des Reduktionsmediums AdBlue® erfolgen. Insbesondere durch das Vorhandensein eines Reduktionsmittelrücklaufes im Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems sowie aufgrund des Einflusses des im System eingeschlossenen Luftvolumens auf Druckverläufe beim Eindosieren bestimmter Massen des Reduktionsmittels AdBlue®, ist ein Erkennen von Dosiermengenabweichungen durch das Auswerten des Gradienten von Druckverläufen im hydraulischen System oder durch eine Abweichung der Pumpendrehzahl nicht möglich.
  • Zur Erkennung von Dosiermengenabweichungen der Harnstoffwasserlösung aufgrund einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils ist daher der Einsatz eines zusätzlichen Massenflusssensors im hydraulischen System des SCR-Katalysatorsystems notwendig.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen eines Dosierventils eines SCR-Katalysatorsystems umfasst das Schließen des Dosierventils, das Ermitteln eines ersten Druckverlaufs im hydraulischen System in einem Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems, und das Ermitteln der Steifigkeit eines hydraulischen Systems in einem Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems aus dem ersten Druckverlauf. Anschließend wird das Dosierventil geöffnet, ein zweiter Druckverlauf im hydraulischen System im Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems ermittelt, und eine Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils aus der Steifigkeit und dem zweiten Druckverlauf bestimmt. Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren das Erkennen einer Verstopfung eines Dosierventils, ohne dass hierzu ein Massenflusssensor im hydraulischen System benötigt würde.
  • Zur Ermittlung der Steifigkeit ist erfindungsgemäß möglich, vor dem Öffnen des Dosierventils den Motor einer Förderpumpe des SCR-Katalysatorsystems zu stoppen und die Steifigkeit aus dem ersten Druckverlauf im hydraulischen System zu ermitteln. Alternativ ist es auch möglich, vor dem Öffnen des Dosierventils einen Drehzahlsprung des Motors der Förderpumpe des SCR-Katalysatorsystems durchzuführen und die Steifigkeit anschließend ebenfalls aus dem ersten Druckverlauf im hydraulischen System zu ermitteln. In beiden Alternativen ist es bevorzugt, dass die Steifigkeit modellunterstützt aus dem ersten Druckverlauf im hydraulischen System ermittelt werden.
  • Durch Ermitteln des zweiten Druckverlaufs im hydraulischen System im Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems nach Öffnen des Dosierventils ist es möglich, aus diesem Druckverlauf und der Steifigkeit auf die Querschnittsfläche des Dosierventils zu schließen. Indem die so ermittelte Querschnittsfläche mit der Querschnittsfläche eines unverstopften Dosierventils verglichen wird, kann darauf geschlossen werden, ob eine Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils vorliegt. Zur Ermittlung des zweiten Druckverlaufs ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass nach dem Öffnen des Dosierventils der Motor der Förderpumpe des SCR-Katalysatorsystems gestoppt wird. Alternativ ist bevorzugt, dass nach dem Öffnen des Dosierventils ein Drehzahlsprung des Motors der Förderpumpe des SCR-Katalysatorsystems erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem vorhandenen SCR-Katalysatorsystem, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu weist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt einen Programmcode auf, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder Rechengerät ausgeführt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem, gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt den Druckverlauf im hydraulischen System des SCR-Katalysatorsystems gemäß 1, die Ansteuerung der Förderpumpe und die Ansteuerung des Dosierventils in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt den Druckverlauf im hydraulischen System des SCR-Katalysatorsystems gemäß 1, die Ansteuerung der Förderpumpe und die Ansteuerung des Dosierventils in einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt das Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystem gemäß dem Stand der Technik. Ein Reduktionsmitteltank 1, welcher Harnstoffwasserlösung 11 enthält, ist mittels einer Ansaugleitung 2, welche eine erste Drossel 21 umfasst, mit einer Förderpumpe 3 verbunden. Die Förderpumpe 3 ist über ein hydraulisches System 4 mit einem Dosierventil 5 verbunden. Im hydraulischen System 4 ist ein Drucksensor 41 angeordnet. Aus dem hydraulischen System 4 zweigt eine Rücklaufleitung 6 ab, welche eine zweite Drossel 61 umfasst und im Reduktionsmitteltank 1 endet. In einem Dosierbetrieb fördert die Förderpumpe 3 Reduktionsmittellösung 11 aus dem Reduktionsmitteltank 1 durch die Ansaugleitung 2 und das hydraulische System 4 zum Dosierventil 5, welches die Harnstoffwasserlösung 11 in einen SCR-Katalysator eindosiert.
  • 2 zeigt den Verlauf des Druckes p im hydraulischen System 4 des SCR-Katalysatorsystems, die Ansteuerung PM des Pumpenmotors der Förderpumpe 3 im Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems sowie die Ansteuerung DV des Dosierventils 5 des SCR-Katalysatorsystems jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t für eine Ausführungsform der Erfindung. In einem Zeitraum t0 bis t1 wird der Pumpenmotor konstant angesteuert. Das Dosierventil wird je nach Anforderung des SCR-Katalysators mehr oder weniger stark angesteuert um Harnstoffwasserlösung 11 in den SCR-Katalysator einzudosieren. Der Druck im hydraulischen System 4 des SCR-Katalysatorsystems schwankt analog zur Ansteuerung des Dosierventils 5. Zum Zeitpunkt t1 wird eine Verbrennungskraftmaschine, welche mit dem SCR-Katalysatorsystem verbunden ist, abgeschaltet, und es erfolgt keine Anforderung von Harnstoffwasserlösung 11 mehr. Daher werden sowohl die Förderpumpe 3 als auch das Dosierventil 5 nicht angesteuert. Der Druck im hydraulischen System 4 fällt über die zweite Drossel 61 allmählich ab. Zum Zeitpunkt t2 wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils 5 gestartet. Hierzu wird durch Ansteuerung des Pumpenmotors ein Drehzahlsprung des Pumpenmotors bewirkt, welcher zu einem sprunghaften Anstieg des Drucks p im hydraulischen System 4 auf seinen Maximalwert pmax führt. Das Dosierventil 5 bleibt hierbei geschlossen. Aus dem ersten Druckverlauf wird gemäß Formel 1 basierend auf dem Druck p(t1) zum Zeitpunkt t1 und dem Druck p(t2) zum Zeitpunkt t2 modellbasiert die Steifigkeit c des hydraulischen Systems 4:
    Figure 00050001
  • A61 bezeichnet hierbei die Querschnittsfläche der zweiten Drossel 61 und p die Dichte der Harnstoffwasserlösung.
  • Zum Zeitpunkt t3 wird der Pumpenmotor abgeschaltet und das Dosierventil 5 wird geöffnet. Hierdurch kommt es zu einem Abfall des Drucks p im hydraulischen System 4 über das Dosierventil 5 und über die zweite Drossel 61. Anschließend wird zum Zeitpunkt t4 das Dosierventil 5 wieder geschlossen. Aus diesem zweiten Druckverlauf sowie der bereits berechneten Steifigkeit c wird gemäß Formel 2 basierend auf dem Druck p(t3) zum Zeitpunkt t3 und dem Druck p(t4) zum Zeitpunkt t4 modellbasiert ermittelt, ob eine Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils 5 vorliegt:
    Figure 00060001
  • A5 gibt hierbei die Querschnittsfläche des Dosierventils 5 an. Indem die so ermittelte Querschnittsfläche A5 mit der Querschnittsfläche eines unverstopften Dosierventils 5 verglichen wird, kann darauf geschlossen werden, ob eine Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils 5 vorliegt.
  • Anschließend wird der Pumpenmotor der Förderpumpe 3 konstant angesteuert. Sobald sich der Druck p wieder auf einen konstanten Wert eingestellt hat, ist das SCR-Katalysatorsystem für eine erneute Eindosierung von Harnstoffwasserlösung 11 bereit.
  • 3 zeigt den Verlauf von Druck p, Pumpenmotoransteuerung PM und Dosierventilansteuerung DV in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie in der ersten Ausführungsform wird auch in der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Förderpumpe 3 bis zum Zeitpunkt t1 konstant angesteuert und das Dosierventil 5 wird in Abhängigkeit von der Reduktionsmittelanforderung des SCR-Katalysators angesteuert. Der Druck p im hydraulischen System 4 schwankt analog zu der Ansteuerung des Dosierventils 5. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird das Dosierventil 5 nicht mehr angesteuert, im Unterschied zur ersten Ausführungsform des Verfahrens wird der Pumpenmotor jedoch, wenn auch mit geringerer Drehzahl als vor dem Zeitpunkt t1, weiterhin angesteuert. Auch hierbei erfolgt ein Abfall des Drucks p im hydraulischen System über die zweite Drossel 61, wobei sich der Druck p jedoch auf einen höheren Wert einstellt, als in der ersten Ausführungsform des Verfahrens. Zum Zeitpunkt t2 erfolgt ein Drehzahlsprung des Pumpenmotors auf die Drehzahl vor dem Zeitpunkt t1, was zu einem Anstieg des Drucks p führt, welcher jedoch nicht so ausgeprägt ist, wie in der ersten Ausführungsform des Verfahrens. Auch hierbei ist jedoch die Ermittlung der Steifigkeit des hydraulischen Systems 4 gemäß Formel 1 aus dem ersten Druckverlauf möglich. Anschließend wird bei weiterhin konstanter Ansteuerung des Pumpenmotors das Dosierventil 5 geöffnet, wodurch es zu einem Druckabfall im hydraulischen System 4 über die zweite Drossel 61 und über das Dosierventil 5 kommt. Aus diesem zweiten Druckverlauf kann in Verbindung mit der bekannten Steifigkeit gemäß Formel 2 auf das Vorhandensein einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils 5 geschlossen werden. Zum Zeitpunkt t4 wird das Dosierventil 5 wieder geschlossen, sodass der Druck p im hydraulischen System 4 erneut ansteigen kann. Sobald dieser sich auf einen konstanten Wert eingestellt hat, ist das System wieder für ein Eindosieren von Harnstoffwasserlösung 11 bereit.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Erkennen einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen eines Dosierventils (5) eines SCR-Katalysatorsystems, umfassend – Schließen des Dosierventils (5), – Ermitteln eines ersten Druckverlaufs im hydraulischen System (4) in dem Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems, – Ermitteln der Steifigkeit eines hydraulischen Systems (4) in einem Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems aus dem ersten Druckverlauf, – Öffnen des Dosierventils (5), – Ermitteln eines zweiten Druckverlaufs im hydraulischen System (4) in dem Fördermodul des SCR-Katalysatorsystems, und – Bestimmen einer Verstopfung einer oder mehrerer Spritzöffnungen des Dosierventils (5) aus der Steifigkeit und dem zweiten Druckverlauf.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Öffnen des Dosierventils (5) der Motor einer Förderpumpe (3) des SCR-Katalysatorsystems gestoppt wird und die Steifigkeit aus einem Druckverlauf im hydraulischen System (4) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Öffnen des Dosierventils (5) ein Drehzahlsprung des Motors einer Förderpumpe (3) des SCR-Katalysatorsystems erfolgt und die Steifigkeit aus einem Druckverlauf im hydraulischen System (4) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit modellunterstützt aus dem Druckverlauf im hydraulischen System (4) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Öffnen des Dosierventils (5) der Motor einer Förderpumpe (3) des SCR-Katalysatorsystems gestoppt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Öffnen des Dosierventils (5) ein Drehzahlsprung des Motors einer Förderpumpe (3) des SCR-Katalysatorsystems erfolgt.
  7. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
  8. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder Rechengerät ausgeführt wird.
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