DE102013108597A1

DE102013108597A1 - Baugruppe zum Bereitstellen eines dosierten Gasstroms, zugehöriges Verfahren, mit einer solchen Baugruppe ausgestatteter Abgasstrang eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102013108597A1
Application number: DE201310108597
Authority: DE
Inventors: Francois Lacouture; Benjamin Oblinger
Original assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Current assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2014-03-13
Also published as: US20140041729A1; US9058041B2; CN103566755B; CN103566755A; FR2994455B1; FR2994455A1

Abstract

Die Baugruppe (1) zum Bereitstellen eines dosierten Gasstroms weist Folgendes auf: – eine Vorrichtung (9) zum Bereitstellen eines unter Druck stehenden Stroms des Gases; – ein Organ (11) zum Freisetzen des dosierten Gasstroms; – eine Kammer (13), die einen mit der Vorrichtung (9) zum Bereitstellen von Gas fluidisch angeschlossenen Eingang (15) und einen mit dem Freisetzungsorgan (11) fluidisch angeschlossenen Ausgang (17) besitzt; – ein Einlassventil (19), das zwischen dem Eingang (15) der Kammer (13) und der Vorrichtung (9) zum Bereitstellen von Gas angeordnet ist; – ein Dosierventil (21), das zwischen dem Ausgang (17) der Kammer (13) und dem Freisetzungsorgan (11) angeordnet ist; – einen Rechner (25), der programmiert ist, um das Einlassventil (19) und das Dosierventil (21) anzusteuern, so dass am Freisetzungsorgan (11) ein dosierter Gasstrom bereitgestellt wird, Die Baugruppe (1) weist zudem eine kalibrierte Öffnung (23) auf, die zwischen dem Ausgang (17) der Kammer und dem Freisetzungsorgan (11) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Vorrichtungen zum Dosieren von Gas, insbesondere von Ammoniak.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung nach einem ersten Aspekt eine Baugruppe zum Bereitstellen eines dosierten Gasstroms vom Typ mit:

– einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines unter Druck stehenden Gases;
– einem Organ zum Freisetzen des dosierten Gasstroms;
– einer Kammer, die einen mit der Vorrichtung zum Bereitstellen von Gas fluidisch angeschlossenen Eingang und einen mit dem Freisetzungsorgan fluidisch angeschlossenen Ausgang besitzt;
– einem Einlassventil, das zwischen dem Eingang der Kammer und der Vorrichtung zum Bereitstellen von Gas angeordnet ist;
– einem Dosierventil, das zwischen dem Ausgang der Kammer und dem Freisetzungsorgan angeordnet ist;
– einem Rechner, der programmiert ist, um das Einlassventil und das Dosierventil anzusteuern, so dass dem Freisetzungsorgan der dosierte Gasstrom bereitgestellt wird;

Eine solche Baugruppe ist beispielsweise aus der WO 2011/113454 bekannt.
Eine solche Baugruppe ermöglicht es, eine sogenannte Volumendosierung, bei der die Kenntnis der thermodynamischen Bedingungen (Druck, Temperatur) auszuführen, die vor und nach dem Einspritzen von Gas in der Kammer herrschen, es ermöglicht, die am Freisetzungsorgan gelieferte Masse zu erfahren.
In einem Verfahren der Volumendosierung wird zunächst das Einlassventil geöffnet, wobei das Dosierventil geschlossen bleibt, so dass die Kammer mit dem Gas aus der Bereitstellungsvorrichtung gefüllt wird.
Sobald die Kammer gefüllt ist, wird das Einlassventil geschlossen und das Dosierventil geöffnet. Das Gas entweicht aus der Kammer und strömt bis zum Freisetzungsorgan.
Eine solche Baugruppe ermöglicht es, den Gasstrom mit hoher Genauigkeit für geringe Durchsätze zu dosieren. Das Berechnen der eingespritzten Masse hängt nämlich von der Dauer der Öffnung der Ventile und von den entsprechenden Übergangsphasen ab.
Hingegen ist eine solche Baugruppe nicht gut geeignet, um einen hohen Gasdurchsatz bereitzustellen. Dieser Durchsatz ist nämlich durch die Dauer des Öffnens und Schließens der Ventile und die Dauer, die notwendig ist, um die Kammer zu füllen und zu leeren, begrenzt.
In diesem Zusammenhang zielt die Erfindung darauf ab, eine Bereitstellungsbaugruppe vorzuschlagen, die für einen ausgedehnteren Bereich des Gasdurchsatzes gut geeignet ist.
Hierzu betrifft die Erfindung eine Bereitstellungsbaugruppe vom vorgenannten Typ, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Baugruppe zudem eine kalibrierte Öffnung aufweist, die zwischen dem Ausgang der Kammer und dem Freisetzungsorgan angeordnet ist.
Somit ist es möglich, die Dosierung des Gasstroms in sonischer Weise auszuführen, wenn ein hoher Gasdurchsatz erforderlich ist.
Um eine sonische Dosierung auszuführen, öffnet der Rechner gleichzeitig das Einlassventil und das Dosierventil. Ist stromaufwärts das Druckniveau ausreichend, hängt der augenblickliche Gasdurchsatz durch die kalibrierte Öffnung nur vom Druck und von der Temperatur vor der kalibrierten Öffnung ab. Das Dosieren des Gasstroms erfolgt, indem die Dauer der Öffnung des Dosierventils kontrolliert wird.
Eine solche Ansteuerungsstrategie ist gut geeignet, um einen hohen Gasdurchsatz zu erhalten. Dieser Durchsatz ist nämlich nicht mehr durch die Zeit begrenzt, die notwendig ist, um die Kammer nach und nach zu füllen und zu leeren.
Der Rechner kann somit programmiert werden, um die Ventile so anzusteuern, dass der Gasstrom volumenmäßig für niedrige Durchsätze und in sonischer Weise für die hohen Durchsätze dosiert wird.
Die Baugruppe kann somit in einem breiten Durchsatzbereich verwendet werden, ohne den Platzbedarf dieser Baugruppe in übertriebener Weise zu erhöhen.
Wenn es nämlich keine kalibrierte Öffnung gibt, ist nur die Volumendosierung denkbar. Um den maximalen Massendurchsatz des Gasstroms zu erhöhen, ist es notwendig, das Volumen der Kammer zu erhöhen. Dieses hat eine Erhöhung des Platzbedarfs der Baugruppe zum Bereitstellen von Gas zur Folge.
Die Bereitstellungsbaugruppe der Erfindung ermöglicht es, eine hervorragende Genauigkeit der Dosierung für den ganzen, in Betracht gezogenen Bereich des Gasdurchsatzes zu erhalten. Die Volumendosierung ist besonders genau für niedrige Durchsätze. Die sonische Dosierung ist für niedrige Durchsätze hingegen ungenau, da das Dosierventil für eine zu kurze Dauer geöffnet ist, als dass sich ein stabiler sonischer Durchfluss durch die kalibrierte Öffnung einstellen kann. Der Gasdurchfluss besteht nur aus Übergangsphasen, die die Gleichungen des sonischen Durchflusses nicht überprüfen. Das Berechnen der eingespritzten Masse ist somit in diesem Fall wenig genau.
Dadurch, dass für die hohen Durchsätze eine sonische Dosierung verwendet wird, ist es zudem möglich, die Betätigungsfrequenz der Ventile zu verringern. Wäre der Gasstrom nämlich bei hohem Durchsatz ausschließlich volumenmäßig dosiert, wäre die Betätigungsfrequenz der Ventile hoch. Bei einem von der Bereitstellungsvorrichtung bereitgestellten Druck von 3 bar und bei 20°C für eine Kammer mit einem Innenvolumen von 3 cm³, ist es beispielsweise möglich, 4,2 mg durch Einspritzen abzugeben. Um einen Durchsatz von 20 mg Ammoniak pro Sekunde zu erreichen, muss die Betätigungsfrequenz der Ventile circa 4,8 Hertz betragen. Wenn man eine sonische Dosierung mit einer Verengung vom 0,61 mm Durchmesser verwendet, ist hingegen eine Einspritzfrequenz von 1 Hertz ausreichend.
Wenn die Bereitstellungsvorrichtung still steht, sind zudem beide Ventile geschlossen, so dass eine doppelte Dichtigkeit geschaffen wird. Dies verringert stark die Ausfallquote.
Das Gas ist typischerweise Ammoniak. Als Variante ist das Gas Luft oder Sauerstoff oder Stickstoff oder jede weitere Art von Gas.
Das Organ zur Freisetzung des dosierten Gasstroms ist beispielsweise vorgesehen, um das Gas in einer Leitung eines Abgasstrangs freizusetzen. Es ist insbesondere vorgesehen, um das Gas vor einem SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction oder selektive katalytische Reduktion) freizusetzen. Das Ammoniak ermöglicht es, in diesem Fall die NOx in N2 zu reduzieren.
Das Freisetzungsorgan ist von jedem geeigneten Typ: ein einfaches, in eine Leitung mündendes Rohr, ein Rückschlagventil o. ä.
Die Vorrichtung zum Bereitstellen eines unter Druck stehenden Gasstroms ist je nach Gas von jedem geeigneten Typ. Ist das Gas Ammoniak, dann ist die Bereitstellungsvorrichtung beispielsweise eine Speicherung von gasförmigem und unter Druck stehendem Ammoniak. Als Variante ist das Ammoniak in einem oder mehreren Behältern gespeichert, die Metallsalze enthalten, die dazu vorgesehen sind, Ammoniak zu absorbieren. Das Ammoniak ist somit in diesem Fall in fester Form gespeichert. Eine solche Bereitstellungsvorrichtung weist im Allgemeinen ein Heizorgan auf, das vom Rechner aktiviert wird. Wenn die Metallsalze erhitzt werden, resorbieren sie das Ammoniak.
Solche Vorrichtungen zum Bereitstellen von Ammoniak sind in den Dokumenten EP 2 316 558 , DE 10 2001 022 858 , FR 1255277 und FR 1255281 oder FR 1255273 beschrieben.
Nach einer weiteren Variante ist das Ammoniak beispielsweise als Ammoniumkarbonat gespeichert. Die Bereitstellungsvorrichtung weist dann einen Heizreaktor auf, der eine Menge Ammoniumkarbonat enthält. Der Rechner löst das Heizen des Ammoniumkarbonats aus, wenn nötig, was dessen Zerfallen und das Erzeugen eines gasförmigen Ammoniakstroms hervorruft.
Die Kammer begrenzt ein Innenvolumen, das typischerweise zwischen 1 und 10 cm³, beispielsweise zwischen 2 und 8 cm³ und vorzugsweise 3 cm³ beträgt. Der Eingang und der Ausgang kommunizieren mit dem Innenvolumen.
Das Einlass- und das Dosierventil sind typischerweise Elektroventile. Als Variante können diese Ventile pneumatische oder weitere Ventile sein.
Sie sind typischerweise Ein-/Aus-Ventile, das heißt Ventile, die nur eine geöffnete und eine geschlossene Stellung haben.
Als Variante sind das Dosierventil und das Einlassventil Regelventile, die eine geöffnete Stellung, eine geschlossene Stellung und eine Vielzahl von Stellungen partieller Öffnung einnehmen.
Der Rechner ist entweder ein Rechner, der der Bereitstellungsbaugruppe zugeordnet oder Teil eines bestehenden Rechners ist, beispielsweise das Motorsteuergerät eines Fahrzeugs.
Die kalibrierte Öffnung ist in einer Leitung eingebracht, die das Dosierventil mit dem Freisetzungsorgan verbindet. Als Variante ist sie zwischen dem Ausgang der Kammer und dem Dosierventil eingebracht, oder auch der Durchlassquerschnitt des Dosierventils kann selbst die kalibrierte Öffnung bilden. Sein Durchlassquerschnitt ist so gewählt, dass unter Berücksichtigung des Drucks und der Temperatur des von der Bereitstellungsvorrichtung bereitgestellten Gasstroms das Fließen durch die Öffnung sonisch ist. Bei einem Druckbereich zwischen 2,5 und 5 bar und einem Temperaturbereich zwischen –30°C und 85°C wird beispielsweise eine kalibrierte Öffnung mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 2 mm, beispielsweise zwischen 0,3 und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,7 mm gewählt.
Wie weiter oben angegeben, ist der Durchsatzbereich, der mit der Bereitstellungsbaugruppe der Erfindung erhalten werden kann, sehr breit. Bei einer Kammer mit einem Innenvolumen von 3 cm³ mit einer kalibrierten Öffnung von 0,61 mm Durchmesser liegt beispielsweise der Durchsatzbereich zwischen 2 und 170 mg/s.
Die Bereitstellungsbaugruppe kann auch ein oder mehrere der unten angegebenen Merkmale aufweisen, die einzeln oder in allen möglichen technischen Kombinationen in Betracht gezogen werden.
Vorzugsweise weist die Bereitstellungsbaugruppe ein Organ zum Erfassen eines aktuellen Drucks in der Kammer auf, das den Rechner informiert. Dieser Druck wird verwendet, um den dosierten Gasdurchsatz zu berechnen. Typischerweise ist dieses Erfassungsorgan ein Drucksensor, der den aktuellen Druck in der Kammer misst. Als Variante ist das Erfassungsorgan ein im Rechner eingebautes Schätzmodell. Dieses Modell bestimmt den Druck in der Kammer ausgehend von der Kenntnis des Verhaltens der Elemente stromaufwärts und stromabwärts des Organs, gegebenenfalls mit Hilfe von Drucksensoren, die sich stromaufwärts und stromabwärts des Organs befinden.
Als Variante wird der Drucksensor durch einen Differenzdrucksensor ersetzt, der die Druckdifferenz zwischen der Kammer und dem Freisetzungsorgan misst.
Vorteilhafterweise weist die Baugruppe ein Organ zum Erfassen einer aktuellen Temperatur der Kammer auf, das den Rechner informiert. Diese Temperatur wird verwendet, um den dosierten Gasdurchsatz zu berechnen. Typischerweise ist dieses Erfassungsorgan ein Temperatursensor, der die Temperatur in der Kammer misst. Alternativ wird der Temperatursensor durch ein im Rechner eingebautes Schätzmodell ersetzt. Dieses Schätzmodell berechnet die aktuelle Temperatur in der Kammer ausgehend von der Raumtemperatur, die beispielsweise am Seitenspiegel auf der Fahrerseite vom Kraftfahrzeug insbesondere unter Berücksichtigung der Dynamik des Fahrzeugs gemessen wurde.
Typischerweise ist der Rechner programmiert, um das Einlassventil und das Dosierventil in Abhängigkeit eines Sollwerts für den Gasdurchsatz anzusteuern:

– bei einem Durchsatzsollwert, der höher ist als ein erster vorbestimmter Grenzwert, ist der Rechner programmiert, um mindestens einen Schritt der sonischen Dosierung durchzuführen, bei dem das Einlassventil und das Dosierventil gleichzeitig während einer bestimmten Dauer und bei einer bestimmten Frequenz geöffnet sind;
– bei einem Durchsatzsollwert, der kleiner ist als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert, ist der Rechner programmiert, um bei einer bestimmten Frequenz mindestens:
– einen Schritt des Füllens der Kammer, bei dem das Einlassventil geöffnet und das Dosierventil geschlossen ist;
– einen Schritt der Volumendosierung, bei dem während einer bestimmten Dauer das Einlassventil geschlossen und das Dosierventil geöffnet ist,

Vorzugsweise weist die Kammer eine Tariervorrichtung auf, die zum Tarieren des Innenvolumens der Kammer geeignet ist. Die Tariervorrichtung weist beispielsweise eine bewegliche Wand auf, die das Innenvolumen der Kammer begrenzt. Diese Vorrichtung weist auch ein Organ auf, das dazu vorgesehen ist, die bewegliche Wand im Verhältnis zu den anderen Wänden der Kammer zu verschieben, so dass das Innenvolumen variieren kann. Dies ermöglicht es, das Innenvolumen der Kammer auf den gewünschten Wert festzusetzen. Dieses Organ ist beispielsweise eine Einstellschraube, ein Kolben oder jedes weitere geeignete Organ. Dieser Vorgang wird typischerweise bei der Fertigung der Bereitstellungsbaugruppe durchgeführt. Sobald die Bereitstellungsbaugruppe zusammengesetzt ist, wird diese Baugruppe unter bestimmten Bedingungen getestet: Druck und Temperatur des unter Druck stehenden Gasstroms am Auslass der Bereitstellungsbaugruppe, Zyklus des Öffnens und Schließens der Einlass- und Dosierventile. Diese Bedingungen sind vorgesehen, damit die Bereitstellungsbaugruppe gemäß einem Modus der Volumendosierung arbeiten kann. Es wird dann der Durchsatz des am Freisetzungsorgan erhaltenen dosierten Gasstroms gemessen und mit dem erwarteten theoretischen Wert verglichen. Das Innenvolumen wird dann über die Tariervorrichtung angepasst, bis der theoretische Durchsatz erhalten wird.
Vorteilhafterweise weist die Baugruppe eine zusätzliche Kammer auf, wobei die Kammer geeignet ist, um selektiv allein in der Bereitstellungsbaugruppe oder zusammen mit der zusätzlichen Kammer in der Bereitstellungsbaugruppe eingebaut zu werden, wobei die Kammer und die zusätzliche Kammer dann jeweilige Innenvolumen aufweisen, die fluidisch miteinander verbunden sind.
Es ist somit möglich, die Gasspeicherkapazität je nach Bedarf zu variieren. Dies ermöglicht insbesondere, den Durchsatzbereich einzustellen, der durch Volumendosierung erhalten werden kann. Je größer das Volumen der Kammer ist, desto breiter ist der Durchsatzbereich, der durch Volumendosierung erhalten werden kann. Es ist somit möglich, die Fahrzeuge mit stärkerer Motorisierung mit einer Bereitstellungsbaugruppe auszustatten, die gleichzeitig die Kammer und die zusätzliche Kammer aufweist, und die Fahrzeuge mit weniger starker Motorisierung mit einer Bereitstellungsbaugruppe auszustatten, die nur die Kammer ohne die zusätzliche Kammer aufweist. Somit wird die Bereitstellungsbaugruppe an die Motorisierung angepasst, ohne die Ventile oder die Sensoren verändern zu müssen.
Die Kammer kann beispielsweise eine abnehmbare Wand aufweisen. Diese Wand kann abgenommen und durch die zusätzliche Kammer ersetzt werden. Die Kammer und die zusätzliche Kammer sind entweder in irreversibler Weise über eine Schweißverbindung (Laser, Vibration, Rotation) oder in reversibler Weise (Schnellverbindung, Verschraubung, usw.) zusammengesetzt. Der Querschnitt, der dem Gas zwischen der Kammer und der zusätzlichen Kammer zur Verfügung steht, ist so gewählt, dass ein Strömungswiderstand bereitgestellt wird, der geringer als der oder gleich dem des Einlassventils ist. Dies gewährleistet eine Druckhomogenität zwischen dem Innenvolumen der Kammer und dem Innenvolumen der zusätzlichen Kammer.
Nach einem zweiten Aspekt zielt die Erfindung auf ein Verfahren zur Ansteuerung einer Bereitstellungsbaugruppe mit den obigen Merkmalen ab, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– ein Sollwert des Gasdurchsatzes wird erfasst;
– der Gasstromsollwert wird mit einem vorgegebenen ersten und zweiten Grenzwert verglichen;
– Ist der Durchsatzsollwert höher als der erste vorgegebene Grenzwert, wird ein Verfahren der sonischen Dosierung mit mindestens einem Schritt der sonischen Dosierung durchgeführt, bei dem das Einlassventil und das Dosierventil gleichzeitig während einer bestimmten Dauer und bei einer bestimmten Frequenz geöffnet sind;
– Ist der Durchsatzsollwert kleiner als ein zweiter vorgegebener Grenzwert, wird ein Verfahren der Volumendosierung mit mindestens den folgenden Schritten durchgeführt, die bei einer vorgegebenen Frequenz ausgeführt werden:
• einem Schritt des Füllens der Kammer, bei dem das Einlassventil geöffnet und das Dosierventil geschlossen ist;
• einem Schritt der Volumendosierung, bei dem während einer vorgegebenen Dauer das Einlassventil geschlossen und das Dosierventil geöffnet ist.

In dem Fall, dass die Bereitstellungsbaugruppe vorgesehen ist, um einem Abgasstrang eines Fahrzeugs Ammoniak bereitzustellen, hängt der Gasdurchsatzsollwert hauptsächlich von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ab. Er wird typischerweise in Abhängigkeit von Parametern vom Rechner berechnet, welche den Betrieb des Verbrennungsmotors betreffen. Eine solche Berechnung ist üblich und wird hier nicht ausführlich beschrieben.
Vorteilhafterweise weist das Verfahren zur sonischen Dosierung nacheinander folgende Schritte auf:

– einen Schritt des Öffnens, bei dem das Einlassventil geöffnet und das Dosierventil geschlossen ist;
– den Schritt der sonischen Dosierung;
– einen Schritt des Schließens, bei dem das Einlassventil geöffnet und das Dosierventil geschlossen ist;

Vorzugsweise weist das Verfahren zur Volumendosierung nacheinander: folgende Schritte aufweist:

– den Schritt des Füllens;
– einen Zwischenschritt, bei dem das Einlassventil geschlossen und das Dosierventil geschlossen ist;
– den Schritt der Volumendosierung;
– einen Schritt des Wartens, bei dem das Einlassventil geschlossen und das Dosierventil geschlossen ist.

Typischerweise wird im Verfahren der sonischen Dosierung der Gasstrom dosiert, indem die Dauer des Schrittes der sonischen Dosierung und/oder die Wiederholfrequenz der sonischen Dosierung gewählt werden.
Vorteilhafterweise wird im Verfahren der Volumendosierung der Gasstrom dosiert, indem die Dauer des Schrittes der Volumendosierung und/oder die Wiederholfrequenz der Volumendosierung gewählt werden.
Die Dauer des Schritts der sonischen Dosierung entspricht der Dauer der Öffnung des Dosierventils.
Die Wiederholfrequenz des Schrittes der sonischen Dosierung entspricht der Anzahl der Schritte der sonischen Dosierung pro Zeiteinheit. Sie liegt beispielsweise zwischen 0,1 und 10 Hertz. In anderen Worten ist es möglich, wenn man den Gasdurchsatz variieren will, die Dauer des Schrittes der sonischen Dosierung konstant zu halten und diesen Schritt der sonischen Dosierung mit unterschiedlicher Frequenz zu wiederholen. Man kann hingegen die Frequenz konstant halten und die Dauer des Schrittes der sonischen Dosierung verändern. Man kann die eine oder die andere ändern.
Bei einer Wiederholfrequenz von 1 Hertz, das heißt bei einer Einspritzung pro Sekunde, liegt beispielsweise die Dauer der sonischen Dosierung typischerweise zwischen 100 Millisekunde und 900 Millisekunden.
Bei der Volumendosierung ist der Gasstrom typischerweise dosiert, indem die Wiederholfrequenz des Schrittes der Volumendosierung eingestellt wird. Während des Schrittes der Volumendosierung wird nämlich der Gasdruck um einen anfänglichen Druck gesenkt, der dem von der Bereitstellungsvorrichtung bereitgestellten Druck entspricht, bis zu einem Mindestdruck, der vom Druck am Freisetzungsorgan abhängig ist. Somit wird die Kammer praktisch vollständig geleert. Die einzige Möglichkeit, um den Durchsatz zu erhöhen, ist es, die Wiederholfrequenz dieses Dosierschrittes zu erhöhen. Diese Frequenz liegt typischerweise zwischen 0,1 Hertz und 10 Hertz und beträgt typischerweise 1 Hertz.
Um diese Frequenz zu erhöhen, wird der Schritt des Wartens gekürzt und umgekehrt.
Es ist möglich, besonders schwache Durchsätze zu erhalten, indem die Kammer partiell geleert wird. In diesem Fall werden entweder mehrere Schritte der Volumendosierung zwischen zwei Schritten des Füllens durchgeführt, wobei jede Volumendosierung den Druck in der Kammer nach und nach auf einen geringeren Wert bringt. Alternativ wird jeder Schritt der Volumendosierung von einem Schritt des Füllens gefolgt, wobei die Kammer jedoch in Laufe des Schritts der Volumendosierung nur partiell geleert wird. Am Ende des Schritts der Volumendosierung liegt der Druck auf einem Zwischenwert zwischen dem anfänglichen Druck und dem Mindestdruck.
Vorteilhafterweise gibt es einen Überlappungsbereich zwischen dem Gasdurchsatzbereich, in welchem die sonische Dosierung angewandt wird, und dem Gasdurchsatzbereich, in welchem die Volumendosierung angewandt wird.
Dies ermöglicht, den Übergang von einem Dosierungsmodus zum anderen besser zu beherrschen. Um keine Instabilität zu provozieren, ist es insbesondere bevorzugt, eine Hysteresis für den Wechsel von einem Dosierungsmodus zum anderen vorzusehen. Wenn die Bereitstellungsbaugruppe im Volumenmodus arbeitet, wird sie in den sonischen Modus kippen, wenn der Durchsatzsollwert den ersten vorgegebenen Grenzwert überschritten hat. Wenn die Bereitstellungsbaugruppe im sonischen Modus arbeitet, wird sie umgekehrt in den Volumenmodus erst zurückkehren, wenn der Durchsatzsollwert unter den zweiten vorgegebenen Grenzwert abfällt.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren der sonischen Dosierung einen Trainingsschritt, der folgende Unterschritte aufweist:

– das Öffnen des Dosierventils wird während einer vorbestimmten Steuerungsdauer gesteuert;
– ein Parameter, der für die reelle Dauer der Strömung des Gas durch das Dosierventil repräsentativ ist, wird erfasst;
– ein Korrekturfaktor wird in Abhängigkeit von der Dauer der Steuerung und der reellen Strömungsdauer bestimmt, und der Korrekturfaktor wird angewendet, um eine Dauer des Schrittes der sonischen Dosierung in Abhängigkeit von dem Gasstromsollwert zu berechnen.

Wie weiter oben angegeben wird nämlich im Verfahren der sonischen Dosierung der Gasstrom dosiert, indem insbesondere die Dauer der Öffnung des Dosierventils gewählt wird. Die Genauigkeit der bei jeder Einspritzung eingespritzten Masse und folglich die Genauigkeit des Gasdurchsatzes hängt somit unmittelbar von der Genauigkeit bei der Dauer der Öffnung des Dosierventils ab. Diese Öffnungsdauer kann von einem Ventil zum anderen für den gleichen Ventiltyp variieren. Es ist nämlich eine gewisse Streuung der Produktion innerhalb derselben Charge von Ventilen zu beobachten. Es entsteht zudem eine Zeitabweichung im Laufe der Lebensdauer des Ventils. Für das gleiche Signal zur Steuerung der Öffnung können somit zwei verschiedene Ventile verschiedene Gasmengen liefern, und dasselbe Ventil kann im neuen Zustand und nach Gebrauch eine unterschiedliche Gasmenge liefern. Um dieses Problem zu lösen, sieht die Erfindung den oben beschriebenen Trainingsschritt vor. Dieser Schritt wird an der Fertigungslinie der Bereitstellungsbaugruppe durchgeführt, das heißt vor dem Einbau im Fahrzeug. Als Variante wird dieser Schritt in regelmäßigen Abständen nach dem Einbau der Bereitstellungsbaugruppe im Fahrzeug durchgeführt.
Der Parameter, der für die reelle Dauer der Strömung des Gases durch das Dosierventil repräsentativ ist, wird beispielsweise mit Hilfe der Drucksonde erfasst, die den Druck in der Kammer misst. Dieser Druck nimmt ab, sobald das Dosierventil geöffnet ist. Alternativ ist es möglich, die reelle der Dauer der Strömung des Gases mit Hilfe einer Durchsatzsonde zu messen, insbesondere wenn der Trainingsschritt an einem Prüfstand der Fertigungslinie durchgeführt wird.
Der Korrekturfaktor ist beispielsweise die Differenz zwischen der Dauer der Steuerung und der reellen Dauer der Strömung. Die Dauer des Schritts der sonischen Dosierung, die vom Rechner vorgesehen ist, wird um diesen Faktor korrigiert. Beispielsweise bestimmt der Rechner eine theoretische Dauer in Abhängigkeit von dem Gasdurchsatzsollwert und addiert darauf den Korrekturfaktor.
Nach einem dritten Aspekt zielt die Erfindung auf einen Abgasstrang eines Fahrzeugs ab, der mit einer Bereitstellungsgruppe mit den oben angegebenen Merkmalen ausgestattet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, die nachstehend zur Veranschaulichung und keineswegs einschränkend mit Bezug auf die beigefügten Figuren angegeben ist, in welchen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe zur Bereitstellung eines dosierten Gasstroms ist, die dazu vorgesehen ist, einen Abgasstrang eines Fahrzeugs mit Ammoniak zu versorgen;
2 ein Flussdiagramm ist, das das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht;
3 die Einsatzbereiche der Modi der Volumendosierung und der sonischen Dosierung in Abhängigkeit vom Durchsatzsollwert zeigt;
4 ein Zeitdiagramm ist, das die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile der Baugruppe der 1 für die sonische Dosierung veranschaulicht;
5 eine ähnliche Ansicht wie diejenige von 4 für die Volumendosierung ist;
6 die Einsatzbereiche der Modi der Volumendosierung und der sonischen Dosierung in Abhängigkeit vom Durchsatzsollwert und vom von der Gasbereitstellungsvorrichtung bereitgestellten Druck veranschaulicht;
7 eine grafische Darstellung ist, die angibt, ob der Umfang der Überlappung zwischen dem Bereich der Volumendosierung und dem Bereich der sonischen Dosierung größer ist als 5% in Abhängigkeit vom von der Bereitstellungsvorrichtung bereitgestellten Druck und von der Temperatur des Gases;
8 den Mindestmassendurchsatz angibt, der für die Volumendosierung in Abhängigkeit vom von der Bereitstellungsvorrichtung bereitgestellten Druck und von der Temperatur des Gases erreicht werden kann;
9 eine ähnliche Ansicht wie diejenige der 8 ist, die den Mindestmassendurchsatz angibt, der für die sonische Dosierung erreicht werden kann;
10 für einen typischen Betriebszyklus eines Fahrzeugs die verschiedenen Einspritzungen, die in Abhängigkeit von der Zeit durchgeführt werden, sowie die eingespritzte kumulierte Ammoniakmasse veranschaulicht;
11 eine schematische Darstellung einer Variante der erfindungsgemäßen Bereitstellungsbaugruppe ist, in welcher die Kammer mit einer Tariervorrichtung ausgestattet ist;
12 schematisch die Unterschritte des Trainingsschrittes veranschaulicht; und
13 eine ähnliche Ansicht wie diejenige von 11 für eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung ist, in welcher Bereitstellungsbaugruppe mit einer zusätzlichen Kammer ausgestattet ist.
Die in der 1 veranschaulichte Baugruppe 1 dient dazu, einem Abgasstrang 3 eines Fahrzeugs einen dosierten Strom von Ammoniak bereitzustellen. Das Fahrzeug ist typischerweise ein Kraftfahrzeug oder ein Lastwagen. Der Abgasstrang 3 fängt die Abgase am Ausgang der Verbrennungskammern eines Verbrennungsmotors 5 auf
Die Abgase enthalten NOx. Um den Austrag von NOx in die Atmosphäre zu begrenzen, ist der Abgasstrang 3 mit einem SCR-Katalysator 7 (Selective Catalytic Reduction oder selektive katalytische Reduktion) ausgestattet: Die Baugruppe 1 spritzt das gasförmige Ammoniak vor dem SCR-Katalysator 7 ein. Das Ammoniak NH3 reagiert mit den NOx am Katalysator 7, so dass inerter Stickstoff N2 und Wasser H2O gebildet werden.
Die Baugruppe 1 umfasst:

– eine Vorrichtung 9 zur Bereitstellung eines unter Druck stehenden Ammoniakstroms;
– ein Organ 11 zur Freisetzung eines dosierten Ammoniakstroms in den Abgasstrang 3;
– eine Kammer 13 mit einem an die Vorrichtung 9 zur Bereitstellung von Ammoniak fluidisch angeschlossenen Eingang 15 und einem an das Freisetzungsorgan 11 fluidisch angeschlossenen Ausgang 17;
– ein Einlassventil 19, das zwischen dem Eingang 15 der Kammer und der Vorrichtung 9 zum Bereitstellen von Ammoniak angeordnet ist;
– ein Dosierventil 21, das zwischen dem Ausgang 17 der Kammer und dem Freisetzungsorgan 11 angeordnet ist;
– eine kalibrierte Öffnung 23, die zwischen dem Ausgang 18 der Kammer und dem Freisetzungsorgan 11 angeordnet ist;
– einen Rechner 25, der programmiert ist, um das Einlassventil 19 und das Dosierventil 21 anzusteuern, damit dem Freisetzungsorgan 11 einen dosierten Gasstrom bereitgestellt wird.

Die Baugruppe 1 umfasst zudem einen Drucksensor 27, der den aktuellen Druck in der Kammer 13 misst, und einen Temperatursensor 29, der die aktuelle Temperatur in der Kammer 13 misst. Die Sensoren 27 und 29 informieren den Rechner 25.
Die Ventile 17 und 21 sind Ein-/Aus-Elektroventile.
Die Kammer 13 weist ein Innenvolumen zwischen 1 und 10 cm³ auf, das hier 3 cm³ beträgt.
Die kalibrierte Öffnung weist einen Durchmesser zwischen 0,1 und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,7 mm auf, der hier 0,65 mm beträgt. Sie ist zwischen dem Dosierventil 21 und dem Freisetzungsorgan 11 angeordnet. Als Variante kann sie zwischen dem Ausgang 17 der Kammer 13 und dem Dosierventil 21 angeordnet oder im Durchlassquerschnitt des Dosierventils 21 selbst gebildet sein.
Die Baugruppe ist so dimensioniert, dass dem Abgasstrang 3 einen Ammoniakdurchsatz zwischen 2 und 120 mg/s bereitgestellt wird.
Die Vorrichtung 9 zum Bereitstellen von Ammoniak ist von dem Typ, der in der EP 2 316 558 beschrieben ist. Sie enthält einen Hauptbehälter und einen Nebenbehälter, die mit einem Metallsalz, beispielsweise M_gCl₂, gefüllt sind. Bei Raumtemperatur absorbiert M_gCl₂ das gasförmige Ammoniak. Diese Vorrichtung weist ein nicht dargestelltes Heizorgan auf, das vom Rechner 25 gesteuert wird. Das Heizorgan ist angeordnet, um die Metallsalze zu heizen und die Desorption des gasförmigen Ammoniaks hervorzurufen, wobei dieses bis zum Ventil 19 kanalisiert wird. Die Vorrichtung 9 stellt einen Ammoniakdruck zwischen 2,5 und 5 bar bereit. Das Ammoniak hat eine Temperatur zwischen –30°C und +85°C.
Der Rechner 25 ist programmiert, um das Einlassventil 19 und das Dosierventil 21 nach einem in 2 dargestellten Flussdiagramm anzusteuern. Dieses Flussdiagramm wird durch den Rechner 25 iterativ umgesetzt.
Wie in 3 veranschaulicht, ist die Bereitstellungsbaugruppe vorgesehen, um nach zwei verschiedenen Modi zu arbeiten: nach einem Modus der sonischen Dosierung und nach einem Modus der Volumendosierung. Der Modus der sonischen Dosierung ermöglicht es, das Ammoniak mit Genauigkeit auf einem Massendurchsatzbereich von q_s1 bis q_s2 zu dosieren. Der volumenmäßige Modus ermöglicht es, das Ammoniak mit Genauigkeit für einen Massendurchsatzbereich von q_v1 bis q_v2 zu dosieren. Beide Bereiche überlappen sich zwischen q_s1 und q_v2.
Bei einer Kammer mit bestimmtem Volumen, die bei jedem Schritt der Volumendosierung geleert wird, ist q_v2 durch die maximale Wiederholfrequenz bestimmt, die mit der Bereitstellungsbaugruppe erreicht werden kann. Diese maximale Frequenz beträgt beispielsweise 5 Hertz, was 5 Schritten der Volumendosierung pro Sekunde entspricht. Diese maximale Frequenz hängt wiederum von der Zeit ab, die notwendig ist, um die Ventile zu öffnen und zu schließen, und von der Zeit, die notwendig ist, um das Ammoniak von der Bereitstellungsvorrichtung 9 bis in die Kammer 13 und von der Kammer 13 bis zum Freisetzungsorgan 11 zu übertragen.
q_v1 entspricht einer Mindestfrequenz der Wiederholung des Schrittes der Volumendosierung. Diese Frequenz ist beliebig und beträgt wahlweise beispielsweise 0,5 Hertz, das heißt ein Schritt der Volumendosierung alle zwei Sekunden.
Für eine bestimmte Wiederholfrequenz des Schrittes der sonischen Dosierung, beispielsweise 1 Hertz, das heißt eine sonische Dosierung pro Sekunde, wird q_s1 durch eine Mindestdauer der Öffnung des Dosierventils definiert. Diese Dauer entspricht der Zeit, die notwendig ist, um einen stabilen sonischen Durchfluss zu erhalten. Bei einer Wiederholfrequenz von beispielsweise 1 Hertz, beträgt die Mindestdauer der Öffnung circa 100 ms.
q_s2 wird durch eine maximale Öffnungsdauer des Ventils unter Berücksichtigung der Wiederholfrequenz des Schritts der sonischen Dosierung definiert. Bei einer Frequenz von 1 Hertz, wird beispielsweise eine Dauer von 900 ms gewählt. Diese Dauer ist beliebig.
Vorzugsweise wird der Überlappungsbereich, das heißt q_s1 – q_v2, so gewählt, dass er nicht zu klein und nicht zu groß ist, ganz gleich wie die Temperatur- und Druckbedingungen des von der Bereitstellungsvorrichtung 9 bereitgestellten Gases sind. Dies ermöglicht, das Kippen von einem Dosiermodus zum anderen gut zu beherrschen, wie in 5 dargestellt. Typischerweise sollte der Überlappungsbereich mindestens 5% betragen, was durch folgende mathematische Relation ausgedrückt werden kann: (q_v2 – q_s1)/(q_v2 – q_v1) > 5%.
Wie in 3 dargestellt, ist der Rechner, damit keine Instabilität hervorgerufen wird, so programmiert, dass zwischen den beiden Ansteuerungsmodi eine Hysteresis erhalten werden kann. Wenn die Bereitstellungsbaugruppe bei der vorherigen Iteration im Volumenmodus gearbeitet hat, wird sie somit in den sonischen Modus kippen, wenn der Durchsatzsollwert einen zweiten vorgegebenen Grenzwert L1 überschreitet, der geringfügig kleiner ist als q_v2. Wenn in symmetrischer Weise die Bereitstellungsbaugruppe bei der vorherigen Iteration im sonischen Modus gearbeitet hat, wird sie somit in den Volumenmodus kippen, wenn der Durchsatzsollwert kleiner ist als ein zweiter vorgegebener Grenzwert L2, der zwischen q_s1 und L1 liegt.
In einer Ausführungsform beträgt q_s1 16 mg/s, q_s2 20 mg/s, L2 17 mg/s, L1 19 mg/s.
Wenn man auf das Flussdiagramm von 2 zurückschaut, erfasst der Rechner im Schritt 31 einen Ammoniakdurchsatzsollwert, der in den Abgasstrang 3 eingespritzt werden soll. Dieser Sollwert wird beispielsweise durch den Rechner in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsparametern des Motors bestimmt. Der Rechner 25 holt sich diese Parameter aus dem Motorsteuergerät.
Beim Schritt 33 prüft der Rechner, ob die Bereitstellungsbaugruppe im Volumenmodus oder im sonischen Modus bei der vorherigen Iteration gearbeitet hat.
Wenn die Baugruppe im sonischen Modus gearbeitet hat, geht der Rechner zum Schritt 34 über. Beim Schritt 34 bestimmt er, ob der Durchsatzsollwert kleiner ist als der zweite Grenzwert 12. Wenn ja, geht er unmittelbar zum Schritt 43 über. Sonst geht er zum Schritt 35 über. Die Schritte 35 bis 41 sind in 4 dargestellt. Sie entsprechen dem sonischen Dosierungsmodus. Beim Schritt 35 steuert der Rechner das Einlassventil 19, damit es sich öffnet, und hält das Dosierventil 21 geschlossen (Phase P1 in 4). Das durch die Vorrichtung 9 bereitgestellte Ammoniak versorgt somit die Kammer 13. Der Druck in dieser Kammer nimmt zu.
Nach einer vorgegebenen Zeit geht der Rechner zum Schritt der sonischen Dosierung 37 über (Phase P2 in 4). Er steuert das Öffnen des Dosierventils 21 und hält dabei das Einlassventil 19 geöffnet. Das durch die Vorrichtung 9 bereitgestellte Ammoniak strömt dann durch das Ventil 19, die Kammer 13 und das Ventil 21 und durch die kalibrierte Öffnung 23 bis zum Freisetzungsorgan 11.
Der Ammoniakmassendurchsatz im sonischen Modus wird durch folgende mathematische Relation ausgedrückt: Qsonisch = Scol × P × Cd × Cg × r/√T, wobei
Scol der Durchlassquerschnitt der kalibrierten Öffnung ist
P und T jeweils der Druck und die Temperatur stromaufwärts von der kalibrierten Öffnung sind,
Cd und Cg Konstanten sind, die mit der Geometrie der kalibrierten Öffnung und den thermodynamischen Eigenschaften des Gases zusammenhängen,
wobei r das zyklische Verhältnis ist, das heißt die Dauer der Öffnung des Dosierventils dividiert durch die Zykluszeit. Die Zykluszeit ist der Kehrwert der Wiederholungsfrequenz des Schrittes der sonischen Dosierung.
Die Öffnungsdauer des Dosierventils 21 wird durch den Rechner in Abhängigkeit des Durchsatzsollwerts festgesetzt. Sie entspricht der Dauer der in 2 veranschaulichte Phase P2. Sobald diese Dauer abgelaufen ist, geht der Rechner zum Schritt 39 über, im Laufe dessen das Einlassventil 19 offen und das Dosierventil 41 geschlossen ist (Phase P3 der 4). Er geht dann zum Schritt 41 über (Phase P4 der 4) und steuert das Schließen des Einlassventils 19, wobei das Dosierventil 21 geschlossen bleibt. Der Rechner kehrt dann zum Schritt 31 zurück.
Wenn beim Schritt 33 der Rechner feststellt, dass bei der vorherigen Iteration die Bereitstellungsbaugruppe im Volumenmodus arbeitete, geht er zum Schritt 42 über.
Bei diesem Schritt vergleicht er den Durchsatzsollwert mit dem ersten Grenzwert L1. Wenn der Sollwert größer ist als der Grenzwert L1, geht er dann unmittelbar zum Schritt 34 über und kippt in den sonischen Modus. Wenn der Durchsatzsollwert hingegen kleiner ist als der erste Grenzwert L1, geht er zum Schritt 43 über.
Die Schritte 43 bis 49 entsprechen dem Modus der Volumendosierung, die in 5 veranschaulicht ist. Beim Schritt 43 steuert der Rechner 25 das Öffnen des Einlassventils 19 und hält das Dosierventil 21 geschlossen (Phase P1 der 5). Das aus der Bereitstellungsvorrichtung 9 kommende Ammoniak dringt dann in die Kammer 13, wobei der Druck in der Kammer zunimmt. Die Dauer der Phase P1 entspricht der Zeit, die für das Öffnen des Ventils 19 und um die Kammer 13 in Druckausgleich mit der Bereitstellungsvorrichtung 9 zu bringen, notwendig ist. Der Rechner geht dann zum Zwischenschritt 45 über (Phase P2 der 15) und steuert das Schließen des Einlassventils 19 und hält dabei das Dosierventil 21 geschlossen. Die Dauer des Schrittes der Volumendosierung ist vorgegeben. Während dieses Schrittes fällt der Druck in der Kammer 13 bis zu einem Mindestdruck, der vom Druck im Abgasstrang 3 abhängig ist. Dieser Druck ist beispielsweise gleich dem Druck des Abgasstrangs oder leicht höher als dieser Druck. Er beträgt beispielsweise 1 bar.
Sobald die vorgegebene Dauer des Schrittes der Volumendosierung abgelaufen ist, geht der Rechner zum Warteschritt 49 über (Phase P4 der 5). Er steuert das Schließen des Dosierventils 21 und hält das Einlassventil 19 geschlossen. Er kehrt dann zum Schritt 31 zurück.
Der Ammoniakmassendurchsatz im Volumenmodus kann nach folgender mathematischer Relation berechnet werden: QVolumen = ΔP × V × Mf/RT, wobei
ΔP der Druckunterschied in der Kammer 13 zwischen dem Beginn und dem Ende des Schrittes der Volumendosierung ist, wie vom Sensor 27 gemessen,
V das Volumen der Kammer 13,
M die molare Masse des Ammoniaks,
f die Wiederholfrequenz des Schritts der Volumendosierung in Hertz ausgedrückt,
R die Konstante der idealen Gase, und
T die Temperatur des Gases in der Kammer 13, gemessen vom Sensor 29 ist.
Der Rechner wählt die Frequenz f derart, dass ein Volumendurchsatz erhalten wird, der dem Sollwert gleich ist.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht es, den ganzen angestrebten Durchsatzbereich abzudecken, nämlich mindestens von 2 bis 120 mg/s für alle Druck/Temperatur-Drehmomente im Druckbereich von 2,5 bis 5 bar und in dem Temperaturbereich von –30°c bis 85°C. Der Druck ist hier der Druck des von der Bereitstellungsvorrichtung 9 bereitgestellten Gases.
Die 6 stellt die Bereiche des Ammoniakmassendurchsatzes dar, die im Volumenmodus und im sonischen Modus bei 20°C für einen Druck des von der Bereitstellungsvorrichtung 9 bereitgestellten Gases, der zwischen 2,4 und 5 bar variieren kann, erhalten werden können. Die in der Figur dargestellte Tabelle enthält drei Linien, wobei die untere Linie dem Mindestdurchsatz entspricht, der mit der Baugruppe und dem Verfahren gemäß der Erdfindung erhalten werden kann, die unmittelbar darüber liegende Linie entspricht dem Durchsatz, bei dem das Volumenmodus in den sonischen Modus kippt, und die Dritte Linie von unten entspricht dem maximalen Durchsatz, der mit der Baugruppe und dem Verfahren gemäß der Erdfindung erhalten werden kann. In der Figur entspricht der untere Bereich mit der Bezeichnung „volumenmäßig” dem Bereich, in dem die Baugruppe im Volumenmodus arbeitet. Der obere Bereich mit der Bezeichnung „sonisch” entspricht dem Bereich, in dem die Baugruppe im sonischen Modus arbeitet.
Die 7 stellt heraus, dass es möglich ist, eine Überlappung der Arbeitsbereiche des sonischen Modus und des Volumenmodus von mindestens 5% bei einem von der Vorrichtung 9 zwischen 2,5 und 5 bar beliebigen Druck und bei einer zwischen –30°C und +50°C beliebigen Temperatur zu erhalten. Der untere Bereich der 7 entspricht dem Bereich, in dem es nicht möglich ist, eine Überlappung von 5% der beiden Bereiche zu erreichen. Der obere Bereich entspricht dem Bereich, in dem es möglich ist eine Überlappung von mindestens 5% zu erreichen.
In 8 sind die Mindestdurchsätze dargestellt, die im Volumenmodus in Abhängigkeit vom von der Vorrichtung 9 bereitgestellten Druck und von der Gastemperatur erhalten werden können. Der Bereich mit der Bezeichnung A entspricht einem Mindestdurchsatz an Gas zwischen 1 und 2 mg/s. Die Bereiche mit den Bezeichnungen B, C und D entsprechen jeweils Mindestdurchsätzen zwischen 2 und 3 mg/s, 3 und 4 mg/s und 4 und 5 mg/s. Somit sieht man, dass es für alle Drücke über 2,5 bar und unabhängig von der Temperatur möglich ist, einen Mindestdurchsatz unter 2 mg/s zu erhalten.
In 9 ist der maximale Massendurchsatz, der von der Baugruppe und dem Verfahren gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Gastemperatur und dem von der Vorrichtung 9 bereitgestellten Druck im sonischen Modus erhalten werden kann. Der Bereich mit der Bezeichnung A entspricht einem Massendurchsatz unter 120 mg/s. Die Bereiche B, C, D und E entsprechen jeweils maximalen Massendurchsätzen zwischen 120 und 145 mg/s, 145 und 170 mg/s, 170 und 195 mg/s und größer als 195 mg/s. In 9 ist deutlich zu sehen, dass für alle Drücke über 2,5 bar und unabhängig von der Temperatur der Massendurchsatz größer ist als 120 mg/s.
Die 10 stellt Ammoniakeinspritzungen (in mg in der linken Skala) für ein Fahrzeug dar, das mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe ausgestattet ist und auf den der typische Fahrzyklus, der unter dem Namen ARTEMIS-Zyklus bekannt ist, angewendet wird. Die Abszisse ist in Sekunden graduiert. Der unterbrochene Querstrich entspricht dem Übergangsniveau zwischen der Volumendosierung (unterhalb des Striches) und der sonischen Dosierung (oberhalb des Striches). Die Kurve C entspricht der Kumulierung der eingespritzten Massen (in mg in der rechten Skala). Man sieht, dass die maximale Einspritzung 60 mg erreicht. Nur 1% der Einspritzungen wird im sonischen Modus durchgeführt. Die weiteren Einspritzungen, das heißt circa 2400 Einspritzungen, werden im Volumenmodus durchgeführt.
Die 11 veranschaulicht eine Ausführungsvariante der Erfindung. Es werden nur die Punkte, durch welche sich diese Variante von der Ausführungsform der 1 unterscheidet, nachstehend ausführlich beschrieben. Die identischen Elemente, die dieselbe Funktion gewährleisten, werden durch dieselben Bezugszeichen wie in der Ausführungsform der 1 bezeichnet.
Die Kammer 13 weist eine Tariervorrichtung 50 mit einer beweglichen Wand 51 auf, die über ein Tarierorgan 53 verschoben werden kann. Die Verschiebung der Wand 51 im Verhältnis zu den anderen Wänden der Kammer ermöglicht es, das Innenvolumen der Kammer 13, das mit den Abgasen gefüllt ist, einzustellen. Das Organ 53 ist beispielsweise ein Kolben oder eine Schraube.
Das Innenvolumen der Kammer 13 wird am Ende des Fertigungszyklus der Bereitstellungsbaugruppe 1 tariert. Die Fertigungsbaugruppe wird im Volumenmodus unter vorgegebenen Bedingungen (Druck des von der Bereitstellungsvorrichtung 9 bereitgestellten Gases, Temperatur des Gases, Zyklus des Öffnens und Schließens des Einlass- und Dosierventils, Wiederholfrequenz des Schrittes der Volumendosierung) in Betrieb genommen. Unter diesen Bedingungen ist die Bereitstellungsbaugruppe 1 dazu vorgesehen, einen vorgegebenen Ammoniakmassendurchsatz bereitzustellen. Der von der Baugruppe 1 unter solchen Bedingungen bereitgestellte reelle Durchsatz wird gemessen und mit dem theoretischen Durchsatz verglichen. Das Volumen der Kammer 13 ist so tariert, dass der reelle Durchsatz auf den theoretischen Durchsatz festgesetzt wird.
Das Verfahren der Erfindung enthält als Variante einen Schritt des Trainings, der in 12 veranschaulicht ist. Dieser Trainingsschritt wird

– entweder am Ende des Fertigungszyklus der Bereitstellungsbaugruppe vor dem Einbau der Bereitstellungsbaugruppe im Fahrzeug;
– oder in regelmäßigen Abständen nach dem Einbau der Bereitstellungsbaugruppe im Fahrzeug, um die Arbeitsweise der Bereitstellungsbaugruppe einzustellen, durchgeführt.

Es wurde festgestellt, dass für ein Signal zur Steuerung der Öffnung des Dosierventils von einer bestimmten Dauer, die reelle Öffnungsdauer des Ventils von einem Ventil zum anderen in Abhängigkeit von der Streuung in der Fertigung variieren kann. Zudem kann für dasselbe Ventil ein Steuerungssignal von bestimmter Dauer eine Öffnungsdauer zur Folge haben, die variiert, je nachdem ob das Ventil neu oder gebraucht ist.
Der Trainingsschritt zielt darauf ab, dass die reelle Öffnungsdauer des Dosierventils der Dauer des Steuersignals so nah wie möglich kommt. Dies ermöglicht, die Genauigkeit der Dosierung im sonischen Modus zu erhöhen.
Wie in 12 dargestellt, weist der Trainingsschritt folgende Unterschritte auf:

– das Öffnen des Dosierventils 21 wird während einer vorbestimmten Steuerungsdauer gesteuert;
– gleichzeitig wird ein Parameter erfasst, der für die reelle Dauer der Strömung des Gases durch das Dosierventil repräsentativ ist;
– die vorgegebene Dauer der Steuerung wird mit der reellen Dauer verglichen;
– ein Korrekturfaktor wird in Abhängigkeit von der Dauer der Steuerung und der reellen Strömungsdauer bestimmt,

Der repräsentative Parameter der reellen Dauer der Strömung des Gases ist typischerweise der Druck in der Kammer 13. Dieser Druck ist niedriger, wenn das Dosierventil geöffnet ist. Wenn man den vom Sensor 27 gemessenen Druckschwankungen folgt, kann man also die reelle Dauer der Strömung des Gases durch das Dosierventil, das heißt die reelle Dauer der Öffnung des Dosierventils 21 bestimmen. Der Korrekturfaktor ist gleich der Steuerdauer minus die reelle Dauer.
Dieser Korrekturfaktor wird vom Rechner gespeichert. Im sonischen Modus wird der Rechner eine theoretische Dauer Ttheo für die Öffnung des Dosierventils 21 in Abhängigkeit von dem Durchsatzsollwert bestimmen und die Dauer Tcom des dem Dosierventil zugeführten Signals zur Steuerung der Öffnung berechnen, indem folgende Gleichung angewendet wird: Tcom = Ttheo + Korrekturfaktor.
Die 13 veranschaulicht eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Punkte ausführlich beschrieben, in denen sich diese Ausführungsvariante von der Ausführungsform der 1 unterscheidet. Die Elemente, die identisch sind oder dieselbe Funktion wie in der Ausführungsform der 1 erfüllen, werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
In dieser Ausführungsvariante ist die Kammer 13 geeignet, um selektiv:

– entweder allein in der Bereitstellungsbaugruppe 1;
– oder gemeinsam mit einer zusätzlichen Kammer 55

Die 13 zeigt die Kammer 13, wie sie gemeinsam mit der zusätzlichen Kammer 55 eingebaut ist.
Die Kammer 13 weist typischerweise eine abnehmbare Wand auf. Wenn die Kammer 13 allein eingebaut ist, ist die abnehmbare Wand anmontiert. Wenn die Kammer 13 gemeinsam mit der zusätzlichen Kammer 55 eingebaut ist, ist die abnehmbare Wand abgenommen, und die zusätzliche Kammer 55 ist an Stelle der abnehmbaren Wand eingebaut. In diesem Fall sind die Kammer 13 und die zusätzliche Kammer 55 so angeordnet, dass ihre jeweiligen Innenvolumen miteinander kommunizieren. Somit wird der Massendurchsatz erhöht, der im Volumenmodus mit Hilfe der Bereitstellungsbaugruppe erhalten werden kann.
Somit kann dieser Durchsatz in Abhängigkeit der Motorisierung des Fahrzeugs angepasst werden. Ein Fahrzeug mit einer stärkeren Motorisierung wird gleichzeitig mit der Kammer 13 und der zusätzlichen Kammer 55 ausgestattet. Ein Fahrzeug mit einer weniger starken Motorisierung wird nur mit der Kammer 13 ausgestattet.
Es ist möglich, mehrere zusätzliche Kammern 55 zu haben, deren Innenvolumen voneinander unterschiedlich sind. So kann man das Volumen der zusätzlichen Kammer in Abhängigkeit von der Leistung der Motorisierung des Fahrzeugs auswählen.
Die zusätzliche Kammer 55 ist typischerweise an der Kammer 13 starr befestigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/113454 [0003]
EP 2316558 [0024, 0083]
DE 102001022858 [0024]
FR 1255277 [0024]
FR 1255281 [0024]
FR 1255273 [0024]

Claims

Baugruppe zum Bereitstellen eines dosierten Gasstroms, wobei die Baugruppe folgendes aufweist: – eine Vorrichtung (9) zum Bereitstellen eines unter Druck stehenden Stroms des Gases; – ein Organ (11) zum Freisetzen des dosierten Gasstroms; – eine Kammer (13), die einen mit der Vorrichtung (9) zum Bereitstellen von Gas fluidisch angeschlossenen Eingang (15) und einen mit dem Freisetzungsorgan (11) fluidisch angeschlossenen Ausgang (17) besitzt; – ein Einlassventil (19), das zwischen dem Eingang (15) der Kammer (13) und der Vorrichtung (9) zum Bereitstellen von Gas angeordnet ist; – ein Dosierventil (21), das zwischen dem Ausgang (17) der Kammer (13) und dem Freisetzungsorgan (11) angeordnet ist; – einen Rechner (25), der programmiert ist, um das Einlassventil (19) und das Dosierventil (21) anzusteuern, so dass am Freisetzungsorgan (11) ein dosierter Gasstrom bereitgestellt wird, – dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (1) zudem eine kalibrierte Öffnung (23) aufweist, die zwischen dem Ausgang (17) der Kammer (13) und dem Freisetzungsorgan (11) angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kalibrierte Öffnung (23) zwischen dem Dosierventil (21) und dem Freisetzungsorgan (11) oder zwischen dem Ausgang (17) der Kammer (13) und dem Dosierventil (21) angeordnet oder im Durchlassquerschnitt des Dosierventils (21) gebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Organ (27) zum Erfassen eines aktuellen Drucks in der Kammer (13) aufweist, das den Rechner (25) informiert.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Organ (29) zum Erfassen einer aktuellen Temperatur der Kammer (13) aufweist, das den Rechner (25) informiert.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (25) programmiert ist, um das Einlassventil (19) und das Dosierventil (21) in Abhängigkeit eines Sollwerts für den Gasdurchsatz anzusteuern. – bei einem Durchsatzsollwert, der höher ist als ein erster vorbestimmter Grenzwert, ist der Rechner (25) programmiert, um mindestens einen Schritt der sonischen Dosierung durchzuführen, bei dem das Einlassventil (19) und das Dosierventil (21) gleichzeitig während einer bestimmten Dauer und bei einer bestimmten Frequenz geöffnet sind; – bei einem Durchsatzsollwert, der kleiner ist als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert, ist der Rechner (25) programmiert, um bei einer bestimmten Frequenz mindestens: – einen Schritt des Füllens der Kammer (13), bei dem das Einlassventil (19) geöffnet und das Dosierventil (21) geschlossen ist; – einen Schritt der Volumendosierung, bei dem während einer bestimmten Dauer das Einlassventil (19) geschlossen und das Dosierventil (21) geöffnet ist, durchzuführen
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (13) eine Tariervorrichtung (50) aufweist, die zum Tarieren des Innenvolumens der Kammer (13) geeignet ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zusätzliche Kammer (55) aufweist, wobei die Kammer (13) geeignet ist, um wahlweise allein in der Bereitstellungsbaugruppe (1) oder zusammen mit der zusätzlichen Kammer (55) in der Bereitstellungsbaugruppe (1) eingebaut zu werden, wobei die Kammer (13) und die zusätzliche Kammer (55) dann jeweilige Innenvolumen aufweisen, die fluidisch miteinander verbunden sind.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (25) programmiert ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16 durchzuführen.
Verfahren zur Ansteuerung der Bereitstellungsbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – ein Sollwert des Gasdurchsatzes wird erfasst; – der Gasstromsollwert wird mit einem vorgegebenen ersten und zweiten Grenzwert verglichen; – Ist der Durchsatzsollwert höher als der erste vorgegebene Grenzwert, wird ein Verfahren der sonischen Dosierung mit mindestens einem Schritt der sonischen Dosierung durchgeführt, bei dem das Einlassventil (19) und das Dosierventil (21) gleichzeitig während einer bestimmten Dauer und bei einer bestimmten Frequenz geöffnet sind; – Ist der Durchsatzsollwert kleiner als ein zweiter vorgegebener Grenzwert, wird ein Verfahren der Volumendosierung mit mindestens den folgenden Schritten durchgeführt, die bei einer vorgegebenen Frequenz ausgeführt werden: • einem Schritt des Füllens der Kammer (13), bei dem das Einlassventil (19) geöffnet und das Dosierventil (21) geschlossen ist; • einem Schritt der Volumendosierung, bei dem während einer vorgegebenen Dauer das Einlassventil (19) geschlossen und das Dosierventil (21) geöffnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur sonischen Dosierung nacheinander folgende Schritte aufweist: – einen Schritt des Öffnens, bei dem das Einlassventil (19) geöffnet und das Dosierventil (21) geschlossen ist; – den Schritt der sonischen Dosierung; – einen Schritt des Schließens, bei dem das Einlassventil (19) geöffnet und das Dosierventil (21) geschlossen ist; – einen Schritt des Wartens, bei dem das Einlassventil (19) geschlossen und das Dosierventil (21) geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren der Volumendosierung nacheinander folgende Schritte aufweist: – den Schritt des Füllens; – einen Zwischenschritt, bei dem das Einlassventil (19) geschlossen und das Dosierventil (21) geschlossen ist; – den Schritt der Volumendosierung; – einen Schritt des Wartens, bei dem das Einlassventil (19) geschlossen und das Dosierventil (21) geschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahren der sonischen Dosierung der Gasstrom dosiert wird, indem die Dauer des Schrittes der sonischen Dosierung und/oder die Wiederholfrequenz der sonischen Dosierung gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahren der Volumendosierung der Gasstrom dosiert wird, indem die Dauer des Schrittes der Volumendosierung und/oder die Wiederholfrequenz der Volumendosierung gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren der sonischen Dosierung vorgesehen ist, um einen ersten Gasmassenstrombereich bereitzustellen, wobei das Verfahren der Volumendosierung vorgesehen ist, um einen zweiten Gasmassenstrombereich bereitzustellen, wobei der erste und der zweite Bereich eine Überlappung von mindestens 5% des zweiten Bereichs aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren der Volumendosierung mehrere Schritte der Volumendosierung zwischen zwei Schritten des Füllens umfasst, wobei die Kammer (13) nur teilweise mindestens während des ersten Schrittes der Volumendosierung geleert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es einen erstmaligen Schritt des Tarierens eines Innenvolumens der Kammer (13) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren der sonischen Dosierung einen Trainingsschritt umfasst, der folgende Unterschritte aufweist: – das Öffnen des Dosierventils (21) wird während einer vorbestimmten Steuerungsdauer gesteuert; – ein Parameter, der für die reelle Dauer der Strömung des Gases durch das Dosierventil (21) repräsentativ ist, wird erfasst; – ein Korrekturfaktor wird in Abhängigkeit von der Dauer der Steuerung und der reellen Strömungsdauer bestimmt, und der Korrekturfaktor wird angewendet, um eine Dauer des Schrittes der sonischen Dosierung in Abhängigkeit von dem Gasstromsollwert zu berechnen.
Abgasstrang eines Fahrzeugs, der mit einer Bereitstellungsgruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestattet ist.