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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Adaption von Fertigungstoleranzen einer volumetrischen Dosiereinrichtung insbesondere eines SCR-Katalysatorsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, einen elektronischen Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
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Stand der Technik
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Ein SCR-Katalysatorsystem umfasst bekanntermaßen ein Dosiersystem, mit dem Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL bzw. „Adblue“) zur Reduktion von Stickoxiden in einen SCR-Katalysator einer Brennkraftmaschine eindosiert wird. Ein Fördermodul bringt dabei die HWL auf den gewünschten Druck und ein Dosiermodul bestimmt die einzudosierende Menge. Die Eindosierung von HWL hat dabei so zu erfolgen, dass der HWL-Massenstrom bzw. der fluidische Druck im Dosiersystem im Wesentlichen konstant bleibt.
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Die Komponenten eines solchen Dosiersystems weisen herstellungsbedingte Toleranzen auf und altern zudem im Betrieb, wodurch sich der genannte fluidische Druck und/oder der durch die jeweilige Komponente bewirkte HWL-Massenstrom ändern. Bisher ist es nicht möglich, die Massenstromtoleranz präzise zu bestimmen.
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Aufgrund des geänderten fluidischen Drucks kann zum Einen die Eindosier- bzw. Einspritz-/Sprühqualität nicht gewährleistet werden. Zum Anderen bedingt die Veränderung der Einspritzmenge des Dosiermoduls eine Abweichung der tatsächlich in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eindosierten HWL-Massenstromrate von der seitens der Brennkraftmaschine angeforderten Massenstromrate.
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Aus der
DE 103 60 891 A1 geht ein Verfahren zum Betrieb eines Dosierventils eines Dosiersystems für einen SCR-Katalysator hervor, bei dem ein Korrektursignal an eine Dosiersteuerung abgegeben wird, welches den Ausgleich von zuvor festgestellten Abweichungen des Massenstroms ermöglicht.
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Aus der
DE 10 2010 030 860 A1 geht ferner eine auf einer Massenstrombilanz beruhenden Dosiersteuerung für ein SCR-Katalysatorsystem hervor, bei der eine Mengenabweichung gegenüber einer Sollmenge ermittelt wird und davon abhängig der Systemdruck so angepasst wird, dass die Abweichung ausgeglichen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die genannte Massenstrombilanz bzw. -toleranz aus messbaren Größen zu berechnen, wobei die Ansteuer-/Betriebsfrequenz bzw. Drehzahl einer hier betroffenen Fördereinheit sowie die zur Ansteuerung einer hier ebenfalls betroffenen Dosiereinheit üblicherweise angewendete Taktung bzw. deren Tastverhältnis („Duty Cycle“) berücksichtigt werden.
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Erfindungsgemäß wird insbesondere vorgeschlagen, die sich bei wenigstens zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen der Fördereinheit und bei festem Tastverhältnis der Dosiereinheit ergebende Druckdifferenz im System auszuwerten. Dabei liegt der Effekt zugrunde, dass die Frequenz der Fördereinheit die von der Fördereinheit abgegebene Masse festlegt und das Tastverhältnis der Dosiereinheit festlegt, wie viel Masse die Dosiereinheit bei der Eindosierung von Dosiermittel (z.B. HWL) abgibt.
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Das erfindungsgemäße Berechnungsverfahren beruht insbesondere auf dem Zusammenhang zwischen der messbaren Druckdifferenz und der Massenstromtoleranz und ermöglicht daher, aus der gemessenen Druckdifferenz die Massenstromtoleranz zu bestimmen.
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Das erfindungsgemäße Berechnungsverfahren kann ferner anhand einer Störungsrechnung auf der Grundlage von wenigstens zwei toleranzbehafteten Größen (Kfm und Kdm) im Rahmen einer Bilanzrechnung für die Druckdifferenz (∆p) durchgeführt werden. Die absoluten Werte dieser Toleranzen liegen dabei bevorzugt im Bereich von maximal +/–10 %.
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Bei dem erfindungsgemäßen Berechnungsverfahren kann ferner vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei toleranzbehafteten Größen anhand der Gleichung
berechnet werden, in der K
fm eine die Toleranz der Fördereinheit kennzeichnende Größe und K
dm eine die Toleranz der Dosiereinheit kennzeichnende Größe, n
1 und n
2 die wenigstens zwei Betriebsfrequenzen der Fördereinheit, M
C0fm und M
B0fm die bei den beiden Betriebsfrequenzen der Fördereinheit per Arbeitstakt bewegte Masse an Dosiermittel, d das Tastverhältnis zum Betrieb der Dosiereinheit, ṁ
C0fm und ṁ
B0fm die bei den beiden Betriebsfrequenzen der Fördereinheit sich ergebenden Massenstromraten der Dosiereinheit, und die Differenzdruckwerte p
C1 – p
C0 sowie p
B1 – p
B0 die sich bei den beiden Betriebsfrequenzen der Fördereinheit zu jeweils verschiedenen Zeitpunkten ergebenden Druckdifferenzen bedeuten.
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Bei dem erfindungsgemäßen Berechnungsverfahren kann ferner vorgesehen sein, dass die Betriebsfrequenz der Fördereinheit durch die Beziehung n ≈ ṁ/Mfm approximiert wird. Das Tastverhältnis zum Betrieb der Dosiereinheit kann durch die Beziehung d ≈ (ṁ/Mdm) × 100 approximiert werden.
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Das allein auf messbaren Größen beruhende, erfindungsgemäße Verfahren lässt sich technisch einfach und daher kostengünstig implementieren.
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Die Erfindung kann insbesondere in einer genannten HWL-Dosiereinrichtung eines SCR-Katalysatorsystems einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Anwendung kommen. Allerdings kommt auch eine Anwendung im Bereich außerhalb der Motoren- bzw. Automobiltechnik, z.B. in der chemischen Verfahrenstechnik zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen oder Industrieanlagen in Betracht. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren bei auf anderen technischen Gebieten eingesetzten volumetrischen Dosiereinrichtungen, bei denen eine genannte Fördereinheit und eine genannte Dosiereinheit vorgesehen sind, mit den hierin beschriebenen Vorteilen angewendet werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine HWL-Dosiereinrichtung gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt berechnete und simulierte Druckverläufe in einer hier betroffenen Dosiereinrichtung zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt schematisch den an sich bekannten Aufbau einer hier betroffenen Dosiereinrichtung. In einem Tank 100 bevorratete Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) wird über eine Zuführleitung 105 einem mit eingangs- und ausgangsseitig angeordneten Absperr- bzw. Rückschlagventilen 102, 103 versehenen, vorliegend eine magnetbetriebene Förderpumpe aufweisenden Fördermodul 110 zugeführt, welche die zugeführte HWL mit Druck an eine Druckleitung 115 weiterleitet. Über die Druckleitung 115 gelangt die druckbeaufschlagte HWL an ein vorliegend ventilbetriebenes Dosiermodul 120. Das Dosiermodul spritzt die druckbeaufschlagte HWL in an sich bekannter Weise in ein (nicht gezeigtes) Abgassystem zur Abgasnachbehandlung vorliegend eines Dieselmotors ein.
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Die gezeigte Dosiereinrichtung wird mittels eines Steuergeräts (ECU) 125 gesteuert, und zwar über mit dem Fördermodul 110 und dem Dosiermodul 120 verbundene Steuerleitungen 130, 135. Das Fördermodul 110 wird mit einer vom Steuergerät 125 vorgegebenen Arbeitsfrequenz bzw. Drehzahl n in der Einheit [Hz] betrieben. Diese Frequenz bestimmt sich im Wesentlichen durch den in der Druckleitung 115 angeforderten bzw. erforderlichen Systemdruck bzw. der durch den Systemdruck bei der Eindosierung sich ergebenden Massenstromrate dm/dt in der Einheit [mg/s]. Das Dosiermodul 120 wird vom Steuergerät 125 mit einem gewünschten Tastverhältnis d in der Einheit [%] betrieben. Das gewünschte Tastverhältnis wird demnach auf der Grundlage des genannten Systemdrucks sowie der gewünschten Massenstromrate berechnet.
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Die Dosiereinrichtung arbeitet nach dem volumetrischen Prinzip, d.h. das Fördermodul 110 pumpt HWL in die Druckleitung 115, wobei das Dosiermodul 120 eine solche vom Steuergerät 125 angeforderte Menge an HWL in das Abgassystem des Dieselmotors abgibt bzw. einspritzt, durch die der Systemdruck möglichst konstant gehalten wird.
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Zusätzlich ist eine, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet optionale, mit der Druckleitung 115 verbundene Sensorleitung 140 vorgesehen, in der ein Drucksensor 145 angeordnet ist, mittels dessen der aktuelle Druck der HWL in der Druckleitung 115 erfassbar ist.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Berechnung der Massenstrombilanz bzw. -toleranz aus messbaren Größen, unter Berücksichtigung der Betriebsfrequenz n des Fördermoduls sowie der zur Ansteuerung des Dosiermoduls angewendeten Taktung mittels eines Tastverhältnisses d liegen die folgenden, voneinander abgeleiteten Gleichungen (1) bis (3) zugrunde. Die Berechnung beruht auf einer durch die abweichende Förderleistung des Fördermoduls
110 im Zusammenspiel mit dem Dosiermodul
120 bedingten Druckdifferenz ∆p.
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In den Gleichungen (1) bis (3) bedeuten ṁfm(ṁ = dm/dt) die Massenstromrate des Fördermoduls 110 in der Einheit [mg/s], ṁdm die Massenstromrate des Dosiermoduls 120, ebenfalls in der Einheit [mg/s], ṁ die vom Steuergerät 125 angeforderte Massenstromrate, ebenfalls in der Einheit [mg/s], p der an der Druckleitung 115 (z.B. mittels des optionalen Drucksensors 145) gemessene Systemdruck in der Einheit [hPa], d das Tastverhältnis („duty cycle“) zum Betrieb des Dosiermoduls 120 in der Einheit [%], n die Frequenz zum Betrieb des Fördermoduls 110 in der Einheit [Hz], Kfm eine die genannten Herstellungstoleranzen des Fördermoduls 110 kennzeichnende, einheitenlose Größe und Kdm eine die genannten Herstellungstoleranzen des Dosiermoduls 120 kennzeichnende, einheitenlose Größe. Die Betriebsfrequenz n des Fördermoduls 110 lässt sich durch die Beziehung n ≈ ṁ/Mfm [Hz] und das Tastverhältnis d zum Betrieb des Dosiermoduls 120 durch die Beziehung d ≈ (ṁ/Mdm) × 100 [%] approximieren. Zusätzlich bedeutet die Größe Mfm die per Arbeitstakt des Fördermoduls 110 bewegte HWL-Masse in der Einheit [mg].
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Das nachfolgend anhand der 3 beschriebene Verfahren bezieht sich auf die in 2 gezeigten, berechneten bzw. simulierten zeitlichen Druckverläufe in der Druckleitung 115, wobei die Zeit in der Einheit [s] angegeben ist. Die Kurve 600 entspricht dem Druckverlauf für den Betrieb des Fördermoduls 110 mit einer ersten Frequenz n = n1 und die Kurve 605 dem bei einer Frequenz n = n2 sich ergebenden Druckverlauf. Die Bedeutung der auf den beiden Kurven liegenden vier Kurvenpunkte bzw. entsprechenden Druckwerte 610, 615, 620, 625 wird nachfolgend beschrieben.
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Gemäß der in 3 gezeigten Routine werden in den Schritten 700 und 705 das Fördermodul 110 auf eine zumindest vorübergehend konstante Drehzahl bzw. Frequenz n1 und das Dosiermodul 120 auf ein festes Tastverhältnis d voreingestellt. Diese Voreinstellungen erfolgen entweder mittels des in 1 gezeigten Steuergeräts 125 oder mittels an den beiden Modulen 110, 120 angeordneten Steuereinheiten. Nach so erfolgten Voreinstellungen wird zunächst solange gewartet 710, bis sich in der Dosiereinrichtung, bzw. an der Druckleitung 115, ein Gleichgewichtszustand des Systemdrucks eingestellt hat. Dabei können mittels eines genannten Drucksensors 145 aktuell erfasste Druckwerte oder eine vorab empirisch ermittelte, minimale Verzögerungszeit zugrundegelegt werden. In 2 entsprechen dem Ausgangszustand die Druckwerte 607, wobei der genannte Gleichgewichtszustand bei den Druckwerten 608 erreicht wird.
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Die bei beiden Kurven 600, 605 zwischen dem jeweiligen Ausgangswert 607 und dem jeweiligen Gleichgewichtswert 608 sich ergebenen Druckwerte werden z.B. in einen Pufferspeicher zwischengespeichert 715. Anhand der so abgelegten Werte wird der jeweilige Zeitpunkt bestimmt 720, an dem die Bedingung dp/dt = 0 erfüllt ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist diese Bedingung zum Zeitpunkt tA bei dem dort vorliegenden Druckwert pA erfüllt.
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Über die Beziehung pB0 = pA·Faktor1 wird ein Druckwert pB0 610 berechnet 725, der zum Zeitpunkt tB0 vorliegt, wobei der „Faktor1“ eine im Vorfeld empirisch ermittelte Konstante darstellt. Auf der Grundlage des am Punkt B0 610 vorliegenden Druckwertes pB0 wird für die genannte, am Punkt B0 610 per Arbeitstakt des Fördermoduls 110 bewegte HWL-Masse MB0fm des Fördermoduls der funktionelle Zusammenhang MB0fm = f(pB0) angenommen. Für die Massenstromrate ṁB0dm des Dosiermoduls 120 am Punkt B0 wird dagegen der Zusammenhang ṁB0dm = f(pB0) angenommen.
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Ausgehend vom Zeitpunkt tB0 wird durch zeitliche Verschiebung ∆t, d.h. gemäß dem Zusammenhang tB1 = tB0 + ∆t, der Zeitpunkt tB1 bzw. der entsprechende Druckwert pB1, und zwar Punkt 615 auf der Kurve 600, generiert 730.
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Auf der Grundlage der genannten Größen für die Kurve
600 wird folgende Gleichung (4) aufgestellt
735:
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Die genannten Schritte 700 bis 735 werden für eine zweite Frequenz n2 des Fördermoduls ein zweites Mal ausgeführt. Der Wert von n2 wird gemäß der Gleichung n2 = n1 + ∆n berechnet 740. Bei der Frequenz n2 ergibt sich zum Zeitpunkt tC0 der Druck pC0, entsprechend dem Kurvenpunkt C0 620.
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Auf der Grundlage des am Punkt C0 620 vorliegenden Druckwertes pC0 wird für die am Punkt C0 620 per Arbeitstakt des Fördermoduls 110 bewegte HWL-Masse MC0fm des Fördermoduls 110 der funktionelle Zusammenhang MC0fm = f(pC0) angenommen. Für die Massenstromrate ṁC0dm des Dosiermoduls 120 am Punkt C0 wird dagegen der Zusammenhang ṁC0dm = f(pC0) angenommen.
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Ausgehend vom Zeitpunkt tC0 wird durch zeitliche Verschiebung ∆t gemäß dem Zusammenhang tC1 = tC0 + ∆t, der Zeitpunkt tC1 bzw. der entsprechende Druckwert pC1, und zwar Punkt C1 625 auf der Kurve 605, generiert 745.
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Auf der Grundlage der genannten Größen für die Kurve
605 wird die folgende Gleichung (5) aufgestellt
750:
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Gemäß den Gleichungen (4) und (5) wird demnach bei zwei unterschiedlichen Frequenzen n1 und n2 des Fördermoduls 110 und bei festem Tastverhältnis des Dosiermoduls 120 die sich dabei ergebende Druckdifferenz im System ausgewertet. Es ist hervorzuheben, dass sich die beiden Gleichungen (4) und (5) erst durch den genannten Betrieb des Fördermoduls 110 bei zwei Frequenzen ergeben und sich erst mit diesem Gleichungssystem die beiden Unbekannten Kfm und Kdm berechnen lassen.
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Das Gleichungssystem (4) und (5) lässt sich wie folgt in Matrixform darstellen (Gleichung (6)). Durch einfache Umformung ergibt sich aus Gleichung (6) die Matrixgleichung (7):
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Durch Lösen 755 der Gleichung (7) ergeben sich die gesuchten Toleranzwerte Kfm und Kdm bezüglich des Fördermoduls 110 und des Dosiermoduls 120.
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Ein Zahlenbeispiel soll die beschriebenen Zusammenhänge verdeutlichen. Beispielhafte Toleranzwerte sind Kfm (max.) = +10% und Kdm (min.) = –10%. Das Fördermodul 110 werde mit den beiden Frequenzen 3 Hz und 4 Hz und das Dosiermodul 120 mit einem Tastverhältnis von 10 % betrieben. Die Gleichung (7) ergibt mit diesen Werten Kfm = 1,0951 und Kdm = 0,8936. Unter Berücksichtigung dieser Toleranzwerte ergibt sich mit den o.g. Formeln ein Systemdruck von 6000 hPa und eine Massenstromrate am Dosiermodul 120 von 100 mg/s.
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Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10360891 A1 [0005]
- DE 102010030860 A1 [0006]
