DE102012223006A1

DE102012223006A1 - Verfahren zum Betreiben eines Dosiermoduls sowie Steuergerät und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102012223006A1
Application number: DE201210223006
Authority: DE
Inventors: Matthias Burger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiermoduls (13) eines Kraftfahrzeugs, wobei Einspritzungen des Dosiermoduls (13) elektromagnetisch gesteuert werden und eine geforderte Einspritzmenge über mehrere Einzeleinspritzungen eingestellt wird. Das Dosiermodul (13) wird so angesteuert, dass ein Verschleiß der Düsennadel (37) des Dosiermoduls drastisch reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dosiermoduls eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät und ein Computerprogramm nach den Ansprüchen 8 und 9.
Stand der Technik
Für Brennkraftmaschinen ist die Einhaltung von Grenzwerten von Schadstoffemissionen im Abgas gesetzlich gefordert. Insbesondere bei einem Dieselfahrzeug ist eine Stickoxid-Reduzierung zwingend erforderlich und wird in der Regel in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung durchgeführt. Eine Möglichkeit der Stickoxid-Reduzierung ist bspw. das bekannte Verfahren einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Bei diesem Verfahren wird ein flüssiges Reduktionsmittel, z.B. eine Harnstoffwasserlösung (sog. AdBlue), in den Abgasstrom im Abgasrohr eingebracht. Mit dem heißen Abgas entwickelt sich aus der Harnstoffwasserlösung Ammoniakgas, mit dem das gesundheitsschädliche Stickoxid zu unschädlichem Wasser und Stickstoff reduziert wird.
Das flüssige Reduktionsmittel kann über unterschiedliche Vorrichtungen, die auch als Dosiermodule bezeichnet werden, in das Abgas eingebracht werden.
Bei einer neueren Ausführungsform eines Dosiermoduls sind die Pumpeinrichtung und eine auch als Ventileinrichtung bezeichnete Einspritzdüse zu einem integrierten Dosiermodul (IDM) vereinigt. Dabei ist das integrierte Dosiermodul rücklauffrei ausgebildet und die Pumpeinrichtung fördert volumetrisch, so dass die Fördermenge sehr genau über die Zahl der Förderhübe gesteuert werden kann. Ein solches IDM ist aus der nachveröffentlichten Anmeldung DE 10 2012 206 481.8 vom 19. April 2012 der Robert Bosch GmbH bekannt.
In aller Regel wird die gewünschte Fördermenge durch eine Serie von Förderhüben realisiert. Auf diese Weise kann z.B. eine Onboard-Diagnose-Fähigkeit sichergestellt werden. Jeder Förderhub der Pumpeinrichtung führt dazu, dass die Ventileinrichtung des IDM einmal öffnet und schließt. Wenn beim Schließen der Ventileinrichtung die Düsennadel auf dem Ventilsitz der Ventileinrichtung auftrifft, dann entsteht Verschleiß an der Düsennadel und/oder dem Ventilsitz, der die Lebensdauer des Dosiermoduls limitiert.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Dosiermoduls, umfassend eine volumetrisch arbeitende Pumpeinrichtung und eine Ventileinrichtung, wobei die Pumpeinrichtung durch Ansteuern eines Elektromagneten betätigt wird, ist vorgesehen, dass der Elektromagnet schon wieder angesteuert wird, bevor die durch den vorangegangenen Förderhub Ventileinrichtung geschlossen ist.
Dadurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass die Ventileinrichtung zwischen zwei Förderhüben nicht mehr vollständig schließt und infolgedessen die Düsennadel der Ventileinrichtung nicht oder zumindest mit reduzierter Geschwindigkeit auf dem Ventilsitz auftrifft. In Folge dessen wird der Verschleiß an der Düsennadel und dem Ventilsitz vollständig oder zumindest weitestgehend verhindert. Infolgedessen verlängert sich die Lebensdauer des Dosiermoduls.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Zahl der Schließvorgänge der Ventileinrichtung der Einspritzdüse um ein bis zwei Größenordnungen, entsprechend einem Faktor von etwa 10 bis 100, reduziert. Dadurch kann die Dichtheit der Ventileinrichtung über die geforderte Lebensdauer des Dosiermoduls für alle bekannten Anwendungen realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Pumpeinrichtung eine kleine Fördermenge je Förderhub hat, was grundsätzlich erwünscht ist, weil durch die kleine Fördermenge je Förderhub eine sehr genaue Zumessung des Reduktionsmittels möglich ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass es keine Änderungen an der Hardware erfordert.
Um das erfindungsgemäße Verfahren realisieren zu können, ist es lediglich erforderlich, die Schließzeit T_S der Ventileinrichtung zu erfassen. Dies kann zum Beispiel auf einem Prüfstand mit vergleichsweise geringem Aufwand erfolgen.
Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach implementierbar und arbeitet sehr zuverlässig, weil es robust gegenüber Veränderungen der Schließzeit T_S während der Betriebsdauer ist. Wenn sich beispielsweise die Schließzeit T_S aufgrund von reduzierter innerer Reibung in der Ventileinrichtung reduziert, dann kann es möglicherweise dazu kommen, dass die Ventilnadel auf dem Ventilsitz auftrifft. Allerdings bewirkt die erfindungsgemäße Ansteuerung des Elektromagneten, dass die Ventilnadel nur mit einer sehr geringen Geschwindigkeit auf dem Ventilsitz auftrifft und somit der Verschleiß zumindest stark verringert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dadurch realisiert werden, dass der Elektromagnet der Pumpeinrichtung mindestens bei zwei aufeinanderfolgenden Förderhüben der Pumpeinrichtung mit einer Ansteuerfrequenz angesteuert wird, die höher ist als eine Eigenfrequenz des Dosiermoduls. Die Eigenfrequenz hängt unter anderem ab vom Ventilhub, der Schließkraft einer Düsenschließfeder, der Masse der Düsennadel und Reibungseinflüssen; in vorteilhafter Weise werden Ventilhub, Schließkraft der Düsenschließfeder und/oder die Masse der Düsennadel so ausgelegt, dass die Verweildauer bei maximaler Ansteuerfrequenz kürzer ist als die Schließzeit der Düsennadel.
Die Eigenfrequenz des Dosiermoduls wird im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der Gleichung des Anspruchs 3 definiert. Im Ergebnis wird auch dadurch erreicht, dass bei mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden Förderhüben die Düsennadel zwischen den Förderhüben nicht oder nur mit geringer Geschwindigkeit auf den Ventilsitz aufprallt und somit der Verschleiß verringert wird.
Um die Förderleistung des Dosiermoduls, die ja unmittelbar von der Ansteuerfrequenz abhängt, reduzieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mehrere Förderhübe zu einem Cluster zusammengefasst werden, und dass die Ventileinrichtung zwischen zwei Clustern geschlossen ist. Auf diese Weise kann das Dosiermodul „getaktet“ betrieben werden und somit die durchschnittliche Förderleistung des Dosiermoduls reduziert werden. Diese Reduktion der Förderleistung ist in manchen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine erforderlich, um eine gleichmäßige Beaufschlagung des Abgases mit dem Reduktionsmittel zu erreichen.
Die Frequenz mit der mehrere aufeinanderfolgende Cluster von Förderhüben angesteuert werden, ist in vielen Anwendungsfällen < 0,5 Hz, < 0,75 Hz und besonders bevorzugt < 1 Hz. Mit diesen Frequenzbereichen ist es möglich, die Förderleistung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Dosiermodule so weit zu reduzieren, dass das im Abgasrohr strömende Abgas die eingespritzte Menge von Reduktionsmittel aufnehmen kann und somit beste Ergebnisse bei der Abgasreinigung bei gleichzeitig geringem Verbrauch an Reduktionsmittel erzielt werden.
Um die Schließzeit der Ventileinrichtung zu verlängern, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, das sogenannte "hydraulische Kleben" eines Hubanschlags der Düsennadel an der Ventileinrichtung zu verlängern. Dadurch verlängert sich die Schließzeit der Ventileinrichtung und infolgedessen kann die Ansteuerfrequenz des Elektromagneten reduziert werden unter Beibehaltung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gleichzeitig wird die Förderleistung des Dosiermoduls reduziert und die Beanspruchung des Steuergeräts beziehungsweise des Elektromagneten in dem Dosiermodul wird reduziert.
Die eingangs genannten Vorteile werden auch realisiert durch ein Steuerund/oder Regelgerät zum Betreiben eines Dosiermoduls, durch ein Computerprogramm und ein Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen 8 und 9.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient bevorzugt zum Dosieren einer Harnstoffwasserlösung in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator). Denkbar ist allerdings auch, dass bspw. Dieselkraftstoff zur Regeneration eines Partikelfilters in der Abgasnachbehandlungseinrichtung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung eines Dosiermoduls in das Abgasrohr eingedüst wird.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Zeichnung dargestellt ist. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung. Es zeigen:
1 das Umfeld der Erfindung;
2 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes Dosiermodul im Detail;
3 ein Diagramm mit einer herkömmlichen Ansteuerung des Dosiermoduls aus 2; und
4 ein Diagramm mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerung des Dosiermoduls aus 2.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 stark vereinfacht und schematisch dargestellt und zeigt das Umfeld der Erfindung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 umfasst ein Abgasrohr 5, einen Oxidationskatalysator 7 und einen SCR-Katalysator 11 zur selektiven katalytischen Reduktion von gesundheitsschädlichem Stickoxid. Nicht dargestellt ist ein Partikelfilter, der üblicherweise stromabwärts des Oxidationskatalysators 7 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung des Abgases durch das Abgasrohr 5 ist durch Pfeile (ohne Bezugszeichen) angedeutet.
Um den SCR-Katalysator 11 mit einem flüssigen Reduktionsmittel, z.B. einer Harnstoffwasserlösung (sog. AdBlue) oder einem anderen flüssigen Reduktionsmittel zu versorgen, ist stromaufwärts des SCR-Katalysators 11 am Abgasrohr 5 ein Dosiermodul 13 zum Einbringen der Harnstoffwasserlösung angeordnet. Das Dosiermodul 13 spritzt bei Bedarf, z.B. wenn eine hohe Konzentration von Stickoxiden im Abgas ermittelt wird, eine bestimmte Dosis der Harnstoffwasserlösung stromaufwärts des SCR-Katalysators 11 in das Abgasrohr 5 ein. Mit dem heißen Abgas entwickelt sich aus der Harnstoffwasserlösung Ammoniakgas, mit dem im SCR-Katalysator 11 das gesundheitsschädliche Stickoxid zu unschädlichem Wasser und Stickstoff reduziert wird.
Das Dosiermodul 13 ist Teil einer Dosiervorrichtung 15. Die Dosiervorrichtung 15 umfasst darüber hinaus eine Vorförder-Pumpe 23, die in einer Förderleitung 19 zwischen einem Vorratstank 21 und dem Dosiermodul 13 angeordnet ist. Die Förderleitung 19 versorgt das Dosiermodul 13 mit Harnstoffwasserlösung aus dem Vorratstank 21.
Der Vollständigkeit halber sei noch auf in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 angeordnete Sensoren, nämlich einen Stickoxid-Sensor 25, sowie Temperatur-Sensoren 27 und 29, hingewiesen. Die hier gezeigten Sensoren 25, 27 und 29 stellen nur eine beispielhafte Auswahl dar. Bei realen Abgasnachbehandlungseinrichtungen 3 können noch weitere Sensoren im Bereich des Abgasrohrs 5 angeordnet sein.
Die Sensoren 25, 27 und 29 sowie die Vorförder-Pumpe 23 und das Dosiermodul 13 sind über Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) mit einem Steuergerät 31 verbunden. Das Steuergerät 31 kann auch mehrere und verteilt angeordnete Steuergeräte umfassen.
2 zeigt das Dosiermodul 13 der Dosiervorrichtung 15 im Detail. Das Dosiermodul 13 ist von einem Gehäuse 33 umschlossen, das im Wesentlichen eine Pumpeinrichtung 32 und eine Ventileinrichtung 35 umfasst, wobei die Ventileinrichtung 35 teilweise aus dem Gehäuse 33 herausragt.
In dem Gehäuse 33 befindet sich eine Stufenbohrung 34 mit mehreren Abschnitten 34.1 bis 34.4, In dem ersten Abschnitt 34.1 der Stufenbohrung 34 ist die Ventileinrichtung 35 eingepresst. Die Abschnitte 34.2 bis 34.4 der Stufenbohrung 34 umfassen die Pumpeinrichtung 32.
Der zweite Abschnitt 34.2 der Stufenbohrung 34 begrenzt einen Düsenraum 41 in dem sich unter anderem eine Druckplatte 45 und eine erste Druckfeder 51 befinden.
Im vierten Abschnitt 34.4 der Stufenbohrung 34 wird eine Pumpenhülse 47 dichtend und dennoch axial verschiebbar geführt.
An dem in 2 oberen Ende des vierten Abschnitts 34.4 ist eine Magnethülse 67 eingepresst. Die Magnethülse 67 dient zusammen mit einem Anker 69 auch als Endanschlag für einen Kolben 49. Der Anker 69 ist fest mit dem Kolben 49 verbunden. In der Magnethülse 67 sind Nuten (ohne Bezugszeichen) oder Längsbohrungen eingearbeitet, die eine hydraulische Verbindung zwischen den von der Magnethülse 67 „getrennten“ Teilen eines Niederdruckraums 61 herstellen.
In der Ventileinrichtung 35 ist eine nach außen öffnende Düsennadel 37 geführt. Die Düsennadel 37 wirkt mit einem Düsensitz 36 zusammen und verschließt durch die Federkraft einer Düsenschließfeder 39 die Ventileinrichtung 35. Die Düsenschließfeder 39 stützt sich einenends gegen ein Gehäuse (ohne Bezugszeichen) der Ventileinrichtung 35 und anderenends gegen einen Anschlag 38 an der Düsennadel 37 ab.
Die Düsennadel 37 öffnet, wenn der Druck in dem Düsenraum 41 so groß ist, dass die auf die Düsennadel 37 wirkenden hydraulischen Kräfte größer als die in Schließrichtung auf die Düsennadel 37 wirkenden Kräfte der Düsenschließfeder 39 sind.
Zur Einstellung des Hubs der Düsennadel 37 kann zwischen dem Anschlag 38 und der Ventileinrichtung 35 eine Hubeinstellscheibe 43 angeordnet sein.
Der Düsenraum 41 wird in der in 2 dargestellten Schließstellung von der Druckplatte 45 an einem dem Anschlag 38 gegenüberliegenden Ende des Düsenraums 41 verschlossen.
Die Druckplatte 45 ist Teil einer Pumpenhülse 47, die im vierten Abschnitt 34.4. der Stufenbohrung 34 des Gehäuses 33 axial beweglich geführt ist. Die Pumpenhülse 47 weist eine Mittenbohrung 48 auf, in der der Kolben 49 geführt wird. Der Kolben 49 ist hohlgebohrt. Das Innere der Bohrung des Kolbens 49 ist ein Teil des Niederdruckraums 61. Außerdem sind in der Mittenbohrung 48 ein Rückschlagventil 58, umfassend ein als Kugel ausgebildetes Ventilglied 57 und eine zweite Druckfeder 59 sowie eine Rückstellfeder 66 angeordnet. Das Ventilglied 57 wird dabei durch die Druckfeder 59 gegen den hohlgebohrten Kolbens 49 gepresst und trennt dadurch den Niederdruckraum 61 von einem Pumpenarbeitsraum 55.
Der Pumpenarbeitsraum 55 wird von der Mittenbohrung 48, dem Ventilglied 57 und der Druckplatte 45 begrenzt. In der Pumpenhülse 47 ist eine Querbohrung 50 angeordnet, welche den Pumpenarbeitsraum 55 mit dem dritten Abschnitt 34.3 der Stufenbohrung 34 verbindet.
Der Niederdruckraum 61 ist über einen hydraulischen Anschluss 63 mit der Förderleitung 19 verbunden. Im Niederdruckraum 61 herrscht somit der von der Vorförderpumpe 23 erzeugte Druck.
Der hydraulische Anschluss 63 ist ein separates Bauteil, das dichtend in eine zentrale Bohrung (ohne Bezugszeichen) des Magnettopfs 71 eingesetzt und dort fixiert wird. Dies kann zum Beispiel durch eine Pressverbindung, eine Schweißverbindung oder ein anderes Fügeverfahren erfolgen.
Der Kolben 49 wird durch Bestromung eines Elektromagneten 65 aus der dargestellten Schließstellung bewegt (in 2 nach unten) und dient so als Pumpenkolben. Die Bestromung des Elektromagneten 65 wird vom Steuergerät 31 gesteuert, wobei die Bestromung in einer erfindungsgemäßen Weise erfolgt. Der Elektromagnet 65 arbeitet gegen eine Kraft der Rückstellfeder 66, die koaxial zu dem Kolben 49 angeordnet ist. Die Rückstellfeder 66 liegt einenends an einer Oberkante der Pumpenhülse 47 und anderenends an einem am Kolben 49 angeordneten Sprengring 68 an.
Der Elektromagnet 65 ist an einem der Ventileinrichtung 35 entgegengesetzten Ende im Gehäuse 33 des Dosiermoduls 13 eingelassen. Zur elektromagnetischen Betätigung ist am Kolben 49 der Anker 69 angeordnet, der in dem vierten Abschnitt 34.4 der Stufenbohrung 34 des Gehäuses 33 geführt ist. Der vierte Abschnitt 34.4 hat einen größeren Durchmesser als der Kolben 49.
Der Elektromagnet 65 wird von einen Magnettopf 71 bedeckt, wobei der Magnettopf 71 mit dem hydraulischen Anschluss 63 gleichzeitig auch das Dosiermodul 13 zur Förderleitung 19 hin verschließt. Im Magnettopf 71 ist ein elektrischer Anschluss 72 für den Betrieb des Elektromagneten 65 vorgesehen. Der Magnettopf 71 ist durch Schweißnähte 73 mit dem Gehäuse 33 verbunden.
Als Anschlag für den Anker 69 dient in der in 2 dargestellten Schließstellung eine Anschlaghülse 75, die in die zentrale Bohrung (ohne Bezugszeichen) des Magnettopfs 71 eingesetzt ist. Die Anschlaghülse 75 und die Position des hydraulischen Anschlusses 63 in der zentralen Bohrung des Magnettopfs begrenzen dabei die Hubbewegung des Kolbens 49. Durch die Länge der Anschlaghülse 75, aber auch die Einbautiefe des hydraulischen Anschlusses 63 in dem Magnettopf 75, können ein Volumen des Niederdruckraums 61 und ein Hub des Kolbens 49 und damit das Fördervolumen des Dosiermoduls 13 bei der Montage eingestellt werden. Dadurch können Fertigungstoleranzen der anderen Bauteile ausgeglichen werden, so dass alle Exemplare einer Serie das gleiche Fördervolumen je Kolbenhub haben.
Das Dosiermodul 13 funktioniert folgendermaßen:
Das Dosiermodul 13 wird von der Vorförderpumpe 23 über die Förderleitung 19 mit Harnstoffwasserlösung aus dem Vorratstank 21 versorgt. Dabei fließt die Harnstoffwasserlösung mit dem Förderdruck der Vorförderpumpe 23 in den Niederdruckraum 61 des Dosiermoduls 13.
In dem in 2 dargestellten Ausgangszustand befindet sich der Kolben 49 in einer oberen Endposition und liegt an der Anschlaghülse 75 an. Wird der Elektromagnet 65 bestromt, wirkt über die Magnethülse 67 eine magnetische Kraft auf den Anker 69. In Folge dessen bewegt sich der Kolben 49 in Richtung Ventileinrichtung 35. Dadurch steigt der Druck im Pumpenarbeitsraum 55 so lange, bis sich die Pumpenhülse 47 und mit ihr die Druckplatte 45 ebenfalls in Richtung Ventileinrichtung 35 bewegt. Dabei wird eine Dichtkante 53 zwischen dem Gehäuse 33 und der Pumpenhülse 47 geöffnet.
Die Harnstoffwasserlösung wird von dem Kolben 49 und dem Ventilglied 57 in den Düsenraum 41 gepresst, so dass dort der Druck ebenfalls ansteigt. Sobald die aus dem Druck im Düsenraum 41 resultierenden und auf die Düsennadel 37 wirkenden hydraulischen Kräfte die Federkraft der Düsenschließfeder 39 übersteigen, öffnet die Düsennadel 37, indem sie vom Ventilsitz 36 abhebt.
Nach dem Ende der Bestromung bewegt sich der Kolben 49 durch die Federkraft der Rückstellfeder 66 nach oben in Richtung seiner Ausgangsposition. Dabei fällt der Druck in Pumpenarbeitsraum 55 ab. Die Düsennadel 37 wird durch die Federkraft der Düsenschließfeder 39 auf den Düsensitz 36 gepresst und schließt damit die Ventileinrichtung 35.
Wird im Pumpenarbeitsraum 55 das Druckniveau des Niederdruckraums 61 unterschritten, öffnet die Kugel 57 des Rückschlagventils 58 den Niederduckraum 61. Auf diese Weise kann der Pumpenarbeitsraum 55 über die zentrale Bohrung im Kolben 49 wieder befüllt werden, bis die Kugel 57 des Rückschlagventils 58 den Niederduckraum 61 schließt. Dies geschieht, sobald der Druck im Pumpenarbeitsraum 55 gleich dem Druck im Niederdruckraum 61 ist. Damit ist die Befüllung des Pumpenarbeitsraums 55 abgeschlossen.
Nachdem die Bestromung des Elektromagneten 65 beendet wurde, wird – simultan zu der Schließbewegung des Kolbens 49 – die Pumpenhülse 47 von der Rückstellfeder 51 in ihre Schließstellung gebracht. Die Schließstellung ist erreicht, sobald die Druckplatte 45 auf der Dichtkante 53 aufliegt. Vor dem Erreichen der Schließstellung besteht über die Querbohrung 50 in der Pumpenhülse 47 und den Abschnitt 34.3 der Stufenbohrung 34 eine hydraulische Verbindung zum Pumpenarbeitsraum. Auf diesem Weg wird der Düsenraum 41 wieder befüllt.
Die Federkraft der Düsenschließfeder 39 ist vorteilhafterweise so gewählt, dass das Druckniveau im Düsenraum 41 beim Öffnen der Düsennadel 37 deutlich über dem Druckniveau im Niederdruckraum 61 liegt. Das dort herrschende Druckniveau wird durch den Förderdruck der Vorförderpumpe 23 bestimmt. Somit wird die Düsennadel 37 im nicht angesteuerten Zustand immer mit einer ausreichend hohen Schließkraft zugehalten.
Das Fördervolumen des Dosiermoduls 13 für eine einzige Einspritzung hängt unter anderem vom Hub des Kolbens 49 ab. Der Hub ergibt sich einerseits aus der oberen Endposition des Ankers 69 an der Anschlaghülse 75 und andererseits aus der unteren Endposition an der Magnethülse 67. Die Anschlaghülse 75 eignet sich die durch Variation ihrer Länge beziehungsweise die Einpresstiefe zur Einstellung des Hubs des Kolbens 49 und damit zur Einstellung der Einspritzmenge (Fördervolumen) des Dosiermoduls 13.
Die zur Abgasnachbehandlung erforderliche Menge von Reduktionsmittel kann bei dieser volumetrisch arbeitenden Pumpeinrichtung 32 auf einfache Weise dadurch gesteuert werden, dass die Pumpeinrichtung mehrfach angesteuert wird, bis die Summe der eingespritzten (Teil-)Einspritzmengen der zur Abgasnachbehandlung erforderlichen Menge von Reduktionsmittel entspricht.
Dabei besteht ein Zusammenhang zwischen der Genauigkeit der Zumessung des Reduktionsmittels und dem Fördervolumen der Pumpeinrichtung 32: Je kleiner das Fördervolumen der Pumpeinrichtung 32, desto besser die genauer Zumessung des Reduktionsmittels.
Die Förderleistung der Pumpeinrichtung 32 kann über die Frequenz f mit der Elektromagnet 65 angesteuert wird, gesteuert werden.
Um den mit zunehmender Zahl der Förderhübe ebenfalls zunehmenden Verschleiß des Ventilsitzes 36 und/oder der Düsennadel 37 zu verhindern, wird die Pumpeinrichtung 32 gemäß dem nachfolgend im Zusammenhang mit der 4 beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert.
Zunächst wird jedoch anhand der 3 eine Ansteuerung nach dem Stand der Technik erläutert:
In den 3 und 4 werden die Ansteuerung des Elektromagneten 65 und die daraus resultierenden Hübe der Düsennadel 37 mit Hilfe zweier untereinander gezeichneter Diagramme dargestellt. Auf der Abszisse beider Diagramme ist die Zeit t aufgetragen. In dem oberen Diagramm ist der Ansteuerstrom I_A normiert aufgetragen. Wenn der Ansteuerstrom I_A gleich null (I_A = 0) ist, wird der Elektromagnet 65 nicht bestromt. Wenn der Ansteuerstrom I_A gleich 1 (I_A = 1) ist, wird der Elektromagnet 65 der Pumpeinrichtung 32 bestromt.
Die erste Ansteuerung des Hubmagneten 65 im oberen Teil der 3 beginnt zum Zeitpunkt T = T_1.1. Sie endet zum Zeitpunkt T = T₂. Diese Ansteuerdauer wird als T_A bezeichnet. Der zugehörige Hub H der Düsennadel 37 ist in dem darunter gezeichneten Diagramm dargestellt. Auch hier ist der Hub H normiert dargestellt. Wenn der Hub H gleich 0 ist, ist die Düsennadel geschlossen, das heißt sie liegt auf dem Ventilsitz 36 auf. Wenn der Hub H gleich 1 ist, dann ist die Düsennadel 37 voll geöffnet und der Hubanschlag 38 liegt auf dem Gehäuse der Ventileinrichtung 35 auf (siehe 2).
Wenn nun zum Zeitpunkt t = T₂ die Bestromung des Elektromagneten 65 unterbrochen wird, dann wird die Düsennadel 37 von der Düsenschließfeder 39 geschlossen. Infolgedessen verringert sich der Hub von 1 auf 0. Dazu benötigt die Düsennadel 37 eine Schließzeit T_S (T_S = T₃– T₂).
Zum Zeitpunkt T₃ prallt die Düsennadel 37 auf dem Ventilsitz 36 auf. Damit ist ein erster Förderhub abgeschlossen. Anschließend wird der Elektromagnet 65 nicht mehr bestromt. Erst zum Zeitpunkt T = T_1.2 beginnt der gleiche Vorgang erneut und die Düsennadel 37 beginnt zu öffnen. In dem auf der Abszisse der 3 aufgetragenen Zeitraum werden somit vier Förderhübe ausgeführt und viermal trifft die Düsennadel 37 auf dem Ventilsitz 36 auf. Dies führt zu einem Verschleiß des Ventilsitzes 36 beziehungsweise der Düsennadel 37. Infolgedessen reduziert sich die Lebensdauer des Dosiermoduls.
In 4 ist nun exemplarisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der zweite Förderhub schon beginnt, bevor die vom ersten Förderhub geöffnete Ventilnadel 37 geschlossen hat. Anders ausgedrückt:
Der Zeitpunkt T_1.2 liegt vor dem Schließzeitpunkt T₃ des ersten Förderhubs (T_2.1 < T₃. Infolgedessen erreicht die Düsennadel 37 zwischen dem ersten und dem zweiten Förderhub bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung den Ventilsitz 36 nicht, sondern schließt nur bis Hub H_S.
Bei dem in 4 dargestellten dritten Förderhub, der zum Zeitpunkt T_1.3 beginnt, erreicht die Düsennadel 37 ebenfalls nicht den Düsennadelsitz, sondern schließt nur bis zu dem Hub H_S. Dieser Vorgang wird sooft wiederholt wie notwendig.
Weil voraussetzungsgemäß die Pumpeinrichtung 32 des Dosiermoduls volumetrisch arbeitet, verändert sich die Fördermenge durch das unvollständige Schließen der Düsennadel 37 der Ventileinheit 35 nicht.
Wenn nun die exemplarisch beschriebenen drei Förderhübe in der erfindungsgemäßen Weise zeitlich näher aneinander gerückt werden, dann bilden sie ein sogenanntes Cluster 77. Nachdem dieses erste Cluster 77.1 abgearbeitet ist, wird der Elektromagnet 65 eine Zeitlang nicht mehr bestromt, bis das nächste Cluster 77.2 angesteuert wird.
Dies bedeutet, dass im Ergebnis die eingespritzte Menge an Reduktionsmittel in der Zeit zwischen T_1.1 und T_1.4 genau gleich ist, so dass sich die durchschnittliche Förderleistung des Fördermoduls nicht ändert.
In aller Regel werden bei real ausgeführten Brennkraftmaschinen die Cluster 77 so gebildet, dass zwischen 10 und 100 Förderhüben in einem Cluster 77 zusammengefasst werden. Daran schließt sich eine gewisse "Ruhezeit" an, bevor das nächste Cluster 77 abgearbeitet wird. Das Zeitintervall zwischen dem Beginn eines Clusters 77.n und dem Beginn eines darauffolgenden Clusters 77.n+1 (siehe zum Beispiel die Zeitpunkte T1.1 und T1.4 in der 4) liegt beispielsweise bei zwei Sekunden oder weniger. Es kann auch bei etwa einer Sekunde liegen. Dies entspricht einer sogenannten Nominalfrequenzen f_nominal von 0,5 Hz beziehungsweise 1 Hz.
Wenn beispielsweise 100 Förderhübe zu einem Cluster 77 zusammengefasst werden, dann verringert sich der Verschleiß der Düsennadel 37 beziehungsweise des Ventilsitzes 36 um den Faktor 100. Dieses Beispiel macht deutlich, wie sehr die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, den Verschleiß der Düsennadel 37 beziehungsweise des Ventilsitzes 36 zu reduzieren.
Der untere Teil der 4 zeigt, die durch die Bestromungsimpulse AI erzeugte Hubbewegung H der Düsennadel 37. Erfindungsgemäß wird die Frequenz mit der der Elektromagnet 65 innerhalb des Clusters 77 angesteuert wird, so eingestellt, dass die Düsennadel 37 nicht mehr an den Düsensitz 36 anschlagen kann. Die Düsennadel 37 bewegt sich zwischen dem maximalen Hub H_max und einem Schwebehub H_S hin und her.
Die Schließbewegung der Düsennadel 37 kann zusätzlich durch ein gezieltes „Kleben” am hydraulischen Anschlag, der durch den Quetschspalt zwischen der Hubeinstellscheibe 43 und der Ventileinrichtung 35 verursacht wird, verzögert werden. In jedem Fall kann eine Düsendichtheit über eine gesamte Lebensdauer des Dosiermoduls 13 realisiert werden, da die Düsennadel 37 und der Düsensitz 36 erheblich weniger belastet werden. Ein Düsensitzverschleiß ist stark reduziert.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, die Schließzeit der Ventileinrichtung 35 periodisch während des Betriebs des Dosiermoduls zu überwachen und bei eventuell auftretenden Änderungen der Schließzeit die Ansteuerung des Elektromagneten 65 entsprechend zu adaptieren. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut für eine On-Board-Diagnose geeignet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012206481 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Dosiermoduls (13), umfassend eine volumetrisch arbeitende Pumpeinrichtung (32) und eine Ventileinrichtung (35), wobei die Pumpeinrichtung durch Ansteuern eines Elektromagneten (65) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (65) schon wieder angesteuert wird, bevor die durch den vorangegangenen Förderhub geöffnete Ventileinrichtung (35) geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (65) mindestens bei zwei aufeinander folgenden Förderhüben der Pumpeinrichtung (32) mit einer Ansteuerfrequenz (f_A) angesteuert wird, die höher ist als eine Eigenfrequenz (f_E) des Dosiermoduls (13).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz (f_E) des Dosiermoduls (13) gemäß folgender Gleichung definiert wird: f_E = 1/(T_FH + T_S) Mit: T_FH: Dauer eines Förderhubs der Pumpeinrichtung (32) T_S: Schließzeit der Ventileinrichtung (35).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erfindungsgemäße Förderhübe (FH_I) zu einem Cluster (77) zusammengefasst werden, und dass die Ventileinrichtung (35) zwischen zwei Clustern (77.1, 77.2) geschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz (F_nominal) mit der die Cluster (77.1, 77.2) angesteuert werden größer als 0,5 Hz, bevorzugt größer als 0,75 Hz und besonders bevorzugt größer oder gleich kleiner 1 Hz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit (T_S) der Ventileinrichtung (35) durch „hydraulisches Kleben“ eines Hubanschlags (38) einer Düsennadel (37) der Ventileinrichtung (35) verlängert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließzeit (T_S) der Ventileinrichtung (35) während des Betriebs des Dosiermoduls (13) regelmäßig überprüft wird und erforderlichenfalls die Ansteuerung des Elektromagneten (65) an eine geänderte Schließzeit (T_S) adaptiert wird.
Steuer- und oder Regelgerät zum Betreiben eines Dosiermoduls (13) zum Einbringen eines flüssigen Mediums in ein Abgasrohr (5) einer Brennkraftmaschine (1), wobei das Dosiermodul (13) mit eine volumetrisch arbeitende Pumpeinrichtung (32) und eine Ventileinrichtung (35) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und/oder Regelgerät (31) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu programmiert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Computerprogramm nach Anspruch 9 umfasst.