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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Reagenzmittel-Dosiervorrichtung, welche ein Reagenzmittel in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine dosiert, nach der Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sind darüber hinaus ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt.
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Zur Abgasnachbehandlung kann eine selektive katalytische Reduktion (Selective Catalyst Reduction SCR) eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reagenzmittels zugegeben. Das Reagenzmittel kann beispielsweise Ammoniak sein, welches beispielsweise aus einer Vorstufe in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) im Abgaskanal durch Hydrolyse gewonnen wird.
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Eine entsprechende Dosiervorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 196 07 073 A1 bekannt. Die HWL wird dabei durch eine Leitung von einem Tank zu einem Dosierventil gefördert und in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator eindosiert, um die Stickoxidkonzentration zu verringern.
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In aktuellen Dosiersystemen, wie diese unter der Bezeichnung DENOXTRONIC bekannt sind, saugt eine Pumpe die HWL aus einem Reagenzmitteltank und verdichtet diese auf den für eine Zerstäubung erforderlichen Systemdruck von beispielsweise 3 bis 9 bar. Unter Berücksichtigung von beispielsweise aktueller Brennkraftmaschinendaten und Sensordaten wird die Dosierrate der HWL auf möglichst maximale Stickoxidreduzierung abgestimmt.
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In der Patentschrift
DE 10 2006 044 080 B1 ist eine Vorgehensweise beschrieben, welche ein Auskristallisieren der HWL an einem Dosierventil vermeidet. Die minimale Dosierventil-Öffnungsdauer wird auf einen experimentell festgelegten unteren Grenzwert festgelegt, bei welchem noch ein ordnungsgemäßes Absprühen der HWL vom Dosierventil gewährleistet ist und somit eine Tröpfchenbildung am Dosierventil verhindert wird und/oder im Abgaskanal ein Sprühkegel ausgebildet wird, der einen stromabwärts nach der Dosierstelle angeordneten SCR-Katalysator bezogen auf den Querschnitt möglichst vollständig benetzt.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 004 150 A1 ist eine Vorgehensweise beschrieben, mit welcher eine in einem elektromagnetisch betätigten Dosierventil, welches eine HWL in den Abgaskanal einer Brennkraftmaschine dosiert, bereits aufgetretene Kristallisation beseitigt werden kann. Falls in einem Steuergerät-Nachlauf bei abgeschalteter Brennkraftmaschine durch eine Test-Bestromung des Dosierventils ein Klemmen festgestellt wird, erfolgt eine Bestromung der Magnetspule des Dosierventils mit dem Ziel, das Dosierventil zu erwärmen und somit die Kristalle wieder zu verflüssigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Reagenzmittel-Dosiervorrichtung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens jeweils anzugeben, welche eine Überprüfung eines Zusammenhangs zwischen einer vorgegebenen Soll-Dosierrate und einer tatsächlich vorliegenden Ist-Dosierrate ermöglichen.
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Die Aufgabe wird jeweils durch die in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorgehensweise zum Betreiben einer Reagenzmittel-Dosiervorrichtung, welche ein Reagenzmittel mittels eines Dosierventils in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine dosiert. Die Vorgehensweise zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein Zusammenhang zwischen einer Ist-Dosierrate und der Leidenfrost-Temperatur auf einer dem Dosierventil gegenüberliegenden Fläche im Abgaskanal bei einem Kalibriervorgang ermittelt und für spätere Vergleiche hinterlegt wird, dass die Temperatur der Fläche im Abgaskanal während des normalen laufenden Dosierbetriebs gemessen wird, dass bei einem erkannten Temperatursprung, welcher bei der Leidenfrost-Temperatur auftritt, die der Leidenfrost-Temperatur zugeordnete Ist-Dosierrate mit der vorgegebenen Soll-Dosierrate verglichen und eine gegebenenfalls vorliegende Abweichung zwischen der Ist-Dosierrate und der Soll-Dosierrate erkannt wird.
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Bei der Dosierung des Reagenzmittel wird ein Betriebszustand angestrebt, bei welchem eine Benetzung der dem Dosierventil gegenüberliegenden Fläche im Abgaskanal, welche im Sprühbereich des Reagenzmittels liegt, vermieden wird, um einerseits die Wandverluste möglichst gering zu halten und ein mögliches Auskristallisieren des Reagenzmittel zu verhindern. Bei einer genügend hohen Temperatur der Fläche – bei einer Temperatur oberhalb der Leidenfrost-Temperatur – bildet sich aufgrund des Leidenfrost-Effekts eine Gasschicht auf der dem Dosierventil gegenüber liegenden Fläche, beispielsweise der inneren Oberfläche des Abgaskanals aus, die eine Benetzung der Fläche verhindert.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise nutzt den Leidenfrost-Effekt aus, der einen Zusammenhang zwischen der Ist-Dosierrate und dem bei der Leidenfrost-Temperatur auftretenden Temperatursprung herstellt. Durch einen Vergleich mit der aktuell vorliegenden Soll-Dosierrate bei einem erkannten Temperaursprung kann eine Abweichung zwischen der vorgegebenen Soll-Dosierrate und der tatsächlich vorliegenden Ist-Dosierrate erkannt werden und ermöglicht die Einleitung von Gegenmaßnahmen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind jeweils Gegenstände von abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann gewissermaßen passiv durchgeführt werden. In diesem Fall wird die Temperatur der dem Dosierventil gegenüber liegenden Fläche während des normalen laufenden Dosierbetriebs ständig auf das Auftreten eines Temperatursprungs untersucht. Gemäß einer Weiterbildung ist ein aktives Verfahren vorgesehen, das im Rahmen einer Diagnosebetriebsphase stattfindet, bei welcher die Soll-Dosierrate bewusst geändert wird, bis ein Temperatursprung erkannt wird.
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Wenn ein Abweichen zwischen der Soll-Dosierrate und der Ist-Dosierrate vorliegt, wird vorzugsweise eine Adaption zur Angleichung der Soll-Dosierrate und die Ist-Dosierrate vorgenommen. Mit dieser Maßnahme wird eine korrekte Ist-Dosierrate erreicht.
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Eine andere Ausgestaltung betrifft die Erkennung des Temperatursprungs. Gemäß einer Ausgestaltung ist hierzu vorgesehen, dass der Temperatursprung mittels Berechnung von zeitlichen Temperatur-Differenzenquotienten erkannt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens betrifft ein speziell hergerichtetes Steuergerät, das Mittel zur Durchführung des Verfahrens enthält.
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Das Steuergerät enthält vorzugsweise wenigstens einen elektrischen Speicher, in welchem die Verfahrensschritte als Steuergerätprogramm abgelegt sind.
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Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zur Messung der Temperatur ein Thermoelement an der dem Dosierventil gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist. Eine zusätzliche, bevorzugt jedoch alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht zur berührungslosen Messung der Temperatur einen Infrarot-Sensor vor. Diese Ausgestaltung ist insbesondere geeignet, wenn die Fläche die Innenfläche des Abgaskanals ist, wobei der Infrarot-Sensor außerhalb und räumlich getrennt vom Abgaskanal angeordnet werden kann.
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Das erfindungsgemäße Steuergerät-Programm sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn es in einem Steuergerät abläuft.
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Das erfindungsgemäße Steuergerät-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm in einem Steuergerät abläuft.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt ein technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft und
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die 2a–2c zeigen zeitliche Signalverläufe.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Reagenzmittel-Dosiervorrichtung 10, welche ein Reagenzmittel in einen Abgaskanal 12 einer Brennkraftmaschine 14 stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator 16 dosiert. Bei dem Reagenzmittel handelt es sich beispielsweise um eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Das Reagenzmittel wird von einem Dosierventil 18 in den Abgaskanal 12 gesprüht, wobei im Abgaskanal 12 ein kegelähnlicher Sprühbereich 20 ausgebildet wird, dessen Form zumindest von dem Druck des Reagenzmittels und von einer Abgasströmung v_Abg abhängt. Der Sprühbereich 20 liegt zwischen dem Dosierventil 18 und einer dem Dosierventil 18 gegenüberliegenden Fläche 22, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der inneren Fläche des Abgaskanals 12 entsprechen kann.
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Ein Temperatursensor 24, der beispielsweise als Thermoelement oder als berührungslos arbeitender Infrarot-Temperatursensor ausgebildet ist, erfasst die Temperatur te_K der Fläche 22 und stellt ein Temperatur-Messsignal te_Mess einem Steuergerät 26 zur Verfügung.
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Das Steuergerät 26 legt in Abhängigkeit von der Last Md der Brennkraftmaschine 14, vorzugsweise jedoch auch in Abhängigkeit von anderen, nicht näher bezeichneten Größen, beispielsweise der Brennkraftmaschine 14 und/oder des SCR-Katalysators 16 in einer Dosiersignal-Festlegung 30 eine Soll-Dosierrate d_Soll des Reagenzmittels fest. Das Reagenzmittel, beispielsweise die Harnstoff-Wasser-Lösung, benötigt der SCR-Katalysator 16 zur Konvertierung der im Abgas der Brennkraftmaschine 14 enthaltenen Stickoxide. Die ermittelte Soll-Dosierrate d_Soll stellt die Dosiersignal-Festlegung 30 dem Dosierventil 18 als Dosiersignal s_DV zur Verfügung.
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Im Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass das Dosierventil 18 ein elektromagnetisch betätigtes Dosierventil 18 ist. Das Dosiersignal s_DV ist beispielsweise ein impulsbreitenmoduliertes digitales Ansteuersignal, bei welchem die Impuls-Wiederholrate und/oder die Impulsdauer variabel festgelegt werden können.
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2a zeigt einen möglichen zeitlichen Signalverlauf des Dosiersignals s_DV, wobei das Dosiersignal s_DV der Soll-Dosierrate d_Soll entspricht, die in 2a beispielsweise in der Einheit Gramm/Stunde (g/h) eingetragen ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 2a wird beispielhaft von einer zunehmenden Dosierrate ausgegangen, die beispielsweise stufenförmig geändert wird.
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2b zeigt die Abhängigkeit der Temperatur te_K der Fläche 22 von einer tatsächlichen vorliegenden Ist-Dosierrate d_Ist bei einer wenigstens näherungsweise als konstant angenommenen Abgasströmung v_Abg. Bei geringen Ist-Dosierraten d_Ist kann die Temperatur te_K beispielsweise im Bereich um 300°C liegen. Mit zunehmender Last Md der Brennkraftmaschine 14 kann mit einem Anstieg der Temperatur te_K gerechnet werden. Zusätzlich wird die Temperatur te_K jedoch auch von der Abgasströmung v_Abg beeinflusst, welche bei zunehmender Last Md der Brennkraftmaschine 14 ebenfalls höher liegt, sodass eine höhere Wärmeenergie im Abgaskanal 12 abgeführt wird. Anstelle einer Erhöhung der Temperatur te_K kann die Temperatur te_K dann beispielsweise unverändert bleiben oder sogar abnehmen, wie in 2b angedeutet ist.
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Aufgrund des Leidenfrost-Effekts, welcher oberhalb der sogenannten Leidenfrost-Temperatur auftritt, erreichen die im Sprühbereich 20 befindlichen Reagenzmittel-Tröpfchen die Fläche 22 aufgrund der sich ausbildenden Gasschicht nicht mehr. Dieser Betriebszustand wird angestrebt, um einen Niederschlag von Reagenzmittel-Tröpfchen an der Fläche 22, beispielsweise der Innenwand des Abgaskanals 12 zu vermeiden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass ab einer bestimmten Dosierrate 32 die Gasschicht entsprechend dem Leidenfrost-Effekt nicht mehr ausgebildet werden kann und die im Sprühbereich 20 befindlichen Reagenzmittel-Tröpfchen die Fläche 22 erreichen und dort niederschlagen. Die Benetzung der Fläche 22 im Sprühbereich 20 führt zu einer Absenkung der Temperatur te_K der Fläche 22, die sich beim Übergang durch eine in 2b gezeigte signifikante Temperaturänderung bzw. Temperatursprung 34, im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen signifikanten Temperaturabfall in kurzer Zeit, bemerkbar macht. Im Folgenden wird nur noch von einem Temperatursprungs 34 gesprochen. Der Temperatursprung 34 tritt in einer vergleichsweise geringen Zeitspanne gegenüber anderen Temperaturänderungen auf, sodass der entscheidende Temperatursprung 34 eindeutig detektiert werden kann. In der Praxis kann eine Änderung der Temperatur te_K, ausgehend von beispielsweise 300°C, um bis zu 100°C auf 200°C Celsius bzw. umgekehrt in wenigen Sekunden festgestellt werden.
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Mit dem Wegfall des Leidenfrost-Effekts an der Fläche 22 tritt eine Benetzung der Fläche 22 mit dem Reagenzmittel auf. Bedingt durch den Wandverlust steht ein Anteil des dosierten Reagenzmittels in diesem Fall nicht mehr für die Konvertierung der Stickoxide im SCR-Katalysator 16 zur Verfügung. Insbesondere muss darüber hinaus mit einem unerwünschten Auskristallisieren des Reagenzmittels auf der Fläche 22 gerechnet werden.
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Der Leidenfrost-Effekt, welcher anhand des Temperatursprungs 34 erkennbar ist, kann zum Feststellen herangezogen werden, ob die tatsächlich vorliegende aktuelle Ist-Dosierrate d_Ist mit der von der Dosierraten-Festlegung 30 vorgegebenen Soll-Dosierrate d_Soll überhaupt übereinstimmt. Ausgenutzt wird hierbei die Tatsache, dass der Temperatursprung 34, bei der Leidenfrost-Temperatur auftritt, einer bestimmten Ist-Dosierrate d_Ist zugeordnet ist.
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Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist deshalb zunächst vorgesehen, den Zusammenhang zwischen der Ist-Dosierrate d_Ist und dem Auftreten des Leidenfrost-Effekts, entsprechend des Temperatursprungs 34, zu ermitteln. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise im Rahmen eines zunächst vorgesehenen Kalibriervorgangs erfolgen, bei welchem die Ist-Dosierrate d_Ist beim Auftreten des Temperatursprungs 34 beispielsweise mit einem Messbecher ermittelt wird. Der ermittelte Ist-Dosierraten-Vergleichswert d_Ist_Sp wird für spätere Vergleiche in einen Speicher 40 des Steuergerät 26 hinterlegt.
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Während des laufenden normalen Dosierbetriebs wird die Temperatur te_K auf einen aufgetretenen Temperatursprung 34 untersucht. Hierzu wird in einer Temperatur-Änderungsermittlung 36 das Temperatur-Messsignal te_Mess differenziert. Die Temperatur-Änderungsermittlung 36 ermittelt den Temperatursprung 34 beispielsweise anhand von Differenzenquotienten, bei welchen Temperaturdifferenzen in kurzen, zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten erfasst werden. Die Temperatur-Änderungsermittlung 36 stellt ein dem Differenzenquotienten zumindest entsprechendes Temperatur-Änderungssignal dte/dt bereit, das in einem ersten Vergleicher 38 mit einem Temperatursprung-Schwellenwert dteS verglichen wird. Falls eine Schwellenüberschreitung auftritt, stellt ein erster Vergleicher 38 ein in 2c gezeigtes Schaltsignal SL bereit. Das Schaltsignal SL kann auch als Leidenfrost-Schaltsignal bezeichnet werden, da das Schaltsignal SL den Beginn bzw. den Wegfall des Leidenfrost-Effekts signalisiert.
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Mit dem Auftreten des Schaltsignals SL vergleicht ein zweiter Vergleicher 42 den im Speicher 40 hinterlegte Ist-Dosierraten-Vergleichswert d_Ist_Sp mit dem aktuell vorgegebenen Dosierraten-Sollwert d_Soll. Bei einer innerhalb vorzugsweise eines Toleranzbereichs liegenden Abweichung erfolgt keine weitere Maßnahme. Bei einer festgestellten, nicht mehr tolerierbaren Abweichung stellt der zweite Vergleicher 42 ein Fehlersignal A bereit.
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Das Fehlersignal A wird vorzugsweise zur Durchführung einer Adaption herangezogen, die zum Ziel eine Angleichung der Soll-Dosierrate d_Soll an die tatsächlich vorliegende Ist-Dosierrate d_Ist hat. Die Adaption kann beispielsweise in der Dosiersignal-Festlegung 30 durch einen Eingriff in den Zusammenhang zwischen der wenigstens einen, die Soll-Dosierrate d_Soll festlegende Kenngröße Md (Last) und der daraus gebildeten Soll-Dosierrate d_Soll erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann während des laufenden normalen Dosierbetriebs durchgeführt werden, wobei darauf gewartet wird, bis ein Temperatursprung 34 festgestellt wird. Gemäß einer Ausgestaltung ist eine aktive Diagnose möglich, die beispielsweise mit einem Diagnosesignal D gestartet wird, welches beispielsweise der Dosiersignal-Festlegung 30 zur Verfügung gestellt wird. Mit dem Auftreten des Diagnosesignals D wird aktiv in die Vorgabe der Soll-Dosierrate d_Soll eingegriffen mit dem Ziel, die Soll-Dosierrate d_Soll entweder in Richtung höherer Dosierrate oder in Richtung niedrigerer Dosierrate zu ändern, derart, dass ein Temperatursprung 34 während der Änderung erwartet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19607073 A1 [0005]
- DE 102006044080 B1 [0007]
- DE 102011004150 A1 [0008]
