DE102015212622A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Korrigieren eines Qualitätssignals eines in einem Reagenzmittel-Dosiersystem eingesetzten Ultraschall-Qualitätssensors, Steuergerät-Programm und Steuergerät-Programmprodukt - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Korrigieren eines Qualitätssignals eines in einem Reagenzmittel-Dosiersystem eingesetzten Ultraschall-Qualitätssensors, Steuergerät-Programm und Steuergerät-Programmprodukt Download PDF

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Korrigieren eines Qualitätssignals (38) eines in einem Reagenzmittel-Dosiersystem (10) eingesetzten Ultraschall-Qualitätssensors (36), welches eine in einem Tank (12) gelagerte Harnstoff-Wasser-Lösung (14), deren Qualität vom Ultraschall-Qualitätssensor (66) geprüft wird, stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator (20) dosiert. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Ultraschall-Qualitätssensor (36) die Laufzeit eines Ultraschallsignals (50) in einem von der Harnstoff-Wasser-Lösung (12) umgebenen Ausleger (52) ermittelt und als Qualitätssignal (38) bereitstellt und dass das Qualitätssignal (38) mittels eines Korrektursignals (62) korrigiert wird, welches einen konstruktionsbedingten Zusammenhang zwischen dem Qualitätssignal (38) und der Temperatur (66) der Harnstoff-Wasser-Lösung (14) widerspiegelt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Korrigieren eines Qualitätssignals, welches ein in einem Reagenzmittel-Dosiersystem eingesetzter Ultraschall-Qualitätssensor bereitstellt, wobei das Reagenzmittel-Dosiersystem eine Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgaskanal einer Brennkraftmaschine stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator dosiert.
  • Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät-Programm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft.
  • Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät-Programmprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
  • Stand der Technik
  • Um die immer strengeren Abgasgesetzgebungen zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffdioxide im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist es bekannt, im Abgaskanal von Brennkraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxid im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion ist Ammoniak (NH3) geeignet, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzmittel eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstoff-Wasser-Lösung als Vorstufe des Reduktionsmittels verwendet, die stromaufwärts vor den SCR-Katalysator in den Abgaskanal eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue® kommerziell erhältlich.
  • Bei Nutzfahrzeugen wird die Harnstoff-Wasser-Lösung vom Fahrer nachgefüllt. Auch bei PKWs wird in Zukunft eine Nachfüllung durch den Fahrer außerhalb von Wartungsintervallen diskutiert. Eine Überprüfung, ob es sich bei der nachgefüllten Substanz tatsächlich um korrekte Harnstoff-Wasser-Lösung handelt, bzw. ob die Harnstoffkonzentration in der Harnstoff-Wasser-Lösung der relevanten Norm ISO 22241 bzw. DIN 70070 entspricht, stellt sicher, dass die erforderliche NOx-Reduktionsraten eingehalten werden. Der Gesetzgeber fordert eine Überprüfung, um einen möglichen Betrugsversuch beim Nachfüllen der Harnstoff-Wasser-Lösung zu erkennen und entsprechende Maßnahmen, wie beispielsweise eine Begrenzung der Anzahl der möglichen Motorstarts oder eine Reduzierung der Motorleistung einleiten zu können.
  • Zur Diagnose der Harnstoff-Wasser-Lösung ist ein Qualitätssensor vorgesehen, der die Qualität der Harnstoff-Wasser-Lösung detektiert. Ein Reagenzmittel-Dosiersystem mit einem solchen Qualitätssensor ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 101 39 142 A1 bekannt. Dieses Dokument beschreibt jedoch nicht, wie eine Fehlfunktion des Qualitätssensors erkannt werden kann, um Fehlalarme zu verhindern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Korrigieren eines Qualitätssignals eines in einem Reagenzmittel-Dosiersystem eingesetzten Ultraschall-Qualitätssensors geht davon aus, dass das Reagenzmittel-Dosiersystem eine in einem Tank gelagerte Harnstoff-Wasser-Lösung, deren Qualität vom Ultraschall-Qualitätssensor geprüft wird, stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator dosiert. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Ultraschall-Qualitätssensor die Laufzeit eines Ultraschallsignals in einem von der Harnstoff-Wasser-Lösung umgebenen Ausleger des Ultraschall-Qualitätssensors ermittelt und als Qualitätssignal bereitstellt und dass das Qualitätssignal mittels eines Korrektursignals korrigiert wird, welches einen konstruktionsbedingten Zusammenhang zwischen dem Qualitätssignal und der Temperatur der Harnstoff-Wasser-Lösung widerspiegelt.
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise erhöht die Genauigkeit des Qualitätssignals aufgrund der zusätzlichen Berücksichtigung der konstruktionsbedingten Temperaturabhängigkeit der Laufzeit des Ultraschallsignals in einem Ausleger des Ultraschall-Qualitätssensors, der in Abhängigkeit vom Material einer temperaturabhängigen Längenausdehnung und/oder temperaturabhängigen Krümmung ausgesetzt sein kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind jeweils Gegenstände von abhängigen Verfahrensansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft ein speziell hergerichtetes Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ein erfindungsgemäßes Steuergerät-Programm ist in dem Steuergerät zum Betreiben des Reagenzmittel-Dosiersystems hinterlegt.
  • Ein erfindungsgemäßes Steuergerät-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Reagenzmittel-Dosiersystems,
  • 2 zeigt verschiedene Fälle, welche eine konstruktionsbedingte Temperaturabhängigkeit eines Ultraschall-Qualitätssensors widerspiegeln und
  • 3 zeigt verschiedene Fälle von konstruktionsbedingten Temperaturabhängigkeiten eines vom Ultraschall-Qualitätssensor bereitgestellten Qualitätssignals.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 zeigt ein Reagenzmittel-Dosiersystem 10, welches eine in einem Tank 12 gelagerte Harnstoff-Wasser-Lösung 14 in einen Abgaskanal 16 einer Brennkraftmaschine 18 stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator 20 dosiert. Die Brennkraftmaschine 18 ist vorzugsweise als Antriebsmotor in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 entsteht im Abgaskanal 16 bei hoher Temperatur Ammoniak (NH3), welches als Reduktionsmittel im SCR-Katalysator 20 zur Reduktion von NOx-Komponenten des Abgases der Brennkraftmaschine 18 dient.
  • Die Harnstoff-Wasser-Lösung 14 wird von einer Pumpe 22 angesaugt und auf einen Betriebsdruck der Reagenzmittel-Dosiervorrichtung 10 gebracht. Die erforderliche Dosierrate der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 wird vorzugsweise mittels eines Dosierventils 24 festgelegt.
  • Ein Steuergerät 26 stellt der Pumpe 22 ein Pumpen-Ansteuersignal 28 und dem Dosierventil 24 ein Dosierventil-Ansteuersignal 30 zur Verfügung. Das Steuergerät 26 stellt weiterhin einem im Tank 12 positionierten Heizelement 32 ein Heizelement-Ansteuersignal 34 zur Verfügung. Dem Steuergerät 26 wird ein von einem im Tank 12 angeordneten Ultraschall-Qualitätssensor 36 bereitgestelltes Qualitätssignal 38 und ein von einem im Tank 12 angeordneten Temperatursensor 40 bereitgestelltes Temperatursignal 42 zur Verfügung gestellt.
  • Die Harnstoff-Wasser-Lösung 14 unterliegt einem Alterungsprozess, bei dem sich die Harnstoff-Wasser-Lösung 14 zersetzt, wobei Ammoniak entsteht, sodass sich die Harnstoffkonzentration verringert. Weiterhin kann nicht ausgeschlossen werden, dass beim Nachfüllen der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 dadurch manipuliert wird, dass beispielsweise der Wasseranteil erhöht wird. Auch in diesem Fall verringert sich die Harnstoffkonzentration. Bei einer verringerten Harnstoffkonzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 wird jedoch bei vorgegebenem Dosierventil-Ansteuersignal 30 eine zu geringe effektive Dosierrate erreicht, sodass die NOx-Reduktion im SCR-Katalysator 20 nicht mehr die maximal möglichen Werte erreicht, wodurch gegebenenfalls gesetzlich vorgegebene NOx-Konzentrationen stromabwärts nach dem SCR-Katalysator 20 nicht mehr eingehalten werden. Die Harnstoffkonzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 soll gemäß der Norm ISO 22241 bzw. DIN 70070 im Bereich von 26,5 Gew.-% bis 33,5 Gew.-% liegen.
  • Zur Überwachung der Harnstoffkonzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 ist deshalb der Ultraschall-Qualitätssensor 36 vorgesehen. Der Ultraschall-Qualitätssensor 36 bewertet die Laufzeit eines Ultraschaltsignals 50, das in einem Ausleger 52 bis zu einem Reflexionsteil 54 läuft, am Reflexionsteil 54 reflektiert wird und anschließend wieder zurückläuft. Die Laufzeit des Ultraschallsignals 50 kann unmittelbar als Maß für die Harnstoffkonzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 angesehen werden und wird als Qualitätssignal 38 vom Ultraschall-Qualitätssensor 36 dem Steuergerät 26 zur Verfügung gestellt.
  • Das Qualitätssignal 38 hängt von der Temperatur der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 ab, die in einer nicht näher gezeigten Anordnung zur Bewertung des Qualitätssignals 38 berücksichtigt wird. Die stoffbedingte Temperaturabhängigkeit wird damit bereits berücksichtigt.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich die konstruktionsbedingte Temperaturabhängigkeit des vom Ultraschall-Qualitätssensor 36 bereitgestellten Qualitätssignals 38 bei der Korrektur des Qualitätssignals 38 berücksichtigt wird.
  • Eine Temperaturänderung bewirkt eine Ausdehnung des Auslegers 52 und gegebenenfalls des Reflexionsteils 54 bzw. ein Zusammenziehen. Damit ändert sich die Messstrecke L und somit die Laufzeit des Ultraschaltsignals 50. 2 zeigt mögliche Einflüsse der Temperatur auf den Ausleger 52 bzw. das Reflexionsteil 54 des Ultraschall-Qualitätssensors 36. Auftreten kann beispielsweise eine lineare Ausdehnung 56 im Rahmen einer symmetrischen Ausdehnung und/oder eine Krümmung 58 im Rahmen eines asymmetrischen Verziehens des Auslegers 52.
  • Das Steuergerät 26 enthält eine Korrekturanordnung 60, der das Qualitätssignal 38 sowie das vom Temperatursensor 40 bereitgestellte Temperatursignal 42 zugeführt wird. Die Korrekturanordnung 60 korrigiert das Qualitätssignal 38 zunächst unmittelbar in Abhängigkeit von dem Temperatursignal 42 aufgrund des bekannten Zusammenhangs zwischen der Temperatur der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 und der Laufzeit des Ultraschallsignals 50.
  • Darüber hinaus korrigiert die Korrekturanordnung 60 erfindungsgemäß weiterhin das Qualitätssignal 38 in Abhängigkeit von der konstruktionsbedingten Temperaturabhängigkeit des vom Ultraschall-Qualitätssensor 36 bereitgestellten Qualitätssignals 38 anhand eines konstruktionsbedingten temperaturabhängigen Korrekturfaktors 62. Die konstruktionsbedingte Temperaturabhängigkeit tritt aufgrund der Bauform des Ultraschall-Qualitätssensors und/oder aufgrund der Einbaubedingungen auf. Die Korrekturanordnung 60 stellt ein korrigiertes Qualitätssignal 64 bereit, welches einer nicht näher gezeigten Qualitäts-Bewertungsanordnung zur Verfügung gestellt wird.
  • 3 zeigt die möglichen konstruktionsbedingten Temperaturabhängigkeiten des Qualitätssignals 38 in Abhängigkeit von der Temperatur 66. Ein erster Fall 68 zeigt einen wenigstens näherungsweise linearen Abfall des Qualitätssignals 38, entsprechend der Harnstoffkonzentration der Harnstoff-Wasser-Lösung 14, mit zunehmender Temperatur 66. Der erste Fall 68 entspricht der linearen Ausdehnung 56. Ein zweiter Fall 70 zeigt eine nichtlineare Zunahme des Qualitätssignals 38 mit zunehmender Temperatur 66. Der zweite Fall 70 entspricht einer Krümmung 58 des Auslegers 52. Beide Fälle 68, 70 können gleichzeitig auftreten und sich überlagern.
  • Der konstruktionsbedingte temperaturabhängige Zusammenhang zwischen dem Qualitätssignal 38 und der Temperatur 66, welcher sich im Korrektursignal 62 widerspiegelt, wird in einer Korrektursignal-Ermittlung 72 festgelegt. Der Korrektursignal-Festlegung 72 wird zunächst wieder das Temperatursignal 42 zur Verfügung gestellt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Korrektursignal-Ermittlung 72 das Korrektursignal 62 während eines Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs durchgeführt wird, in welchem das Reagenzmittel-Dosiersystem 10 zum Betreiben des SCR-Katalysators 20 angeordnet ist. Deshalb wird der Korrektursignal-Festlegung 72 ein erstes Freigabesignal 74 zugeführt, welches einen Betrieb der Brennkraftmaschine 18 signalisiert. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass davon ausgegangen werden kann, dass während des Fahrzyklus kein Nachtanken von Harnstoff-Wasser-Lösung 14 oder eine sonstige Manipulation stattfinden kann, sodass diesbezüglich konstante Verhältnisse vorliegen.
  • Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zusätzlich eine Material-alterungsbedingte Korrektur des Qualitätssignals 38 vorgenommen wird. Mit dieser Maßnahme wird eine alterungsbedingte Änderung des Auslegers 52 bzw. des Reflexionsteils 54 durch Materialveränderungen berücksichtigt. Die alterungsbedingte Korrektur des Qualitätssignals 38 wird anhand eines Alterungssignals 76 festgelegt, welches der Korrektursignal-Festlegung 72 zur Verfügung gestellt wird. Das Alterungssignal 76 wird beispielsweise von einem nicht näher gezeigten Betriebsstundenzähler bereitgestellt, der die gesamte Betriebsdauer des Ultraschall-Qualitätssensors 36 seit der ersten Inbetriebnahme ermittelt.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Festlegung des Korrektursignals 62 in der Korrektursignal-Festlegung 72 nach einem Kaltstart und einem anschließenden Warmlauf der Brennkraftmaschine 18 vorgenommen wird. Der Korrektursignal-Ermittlung 72 wird deshalb ein zweites Freigabesignal 78 zur Verfügung gestellt, welches einen Kaltstart der Brennkraftmaschine 18 signalisiert. Ein Kaltstart der Brennkraftmaschine 18 kann beispielsweise anhand der Temperatur der Brennkraftmaschine 18 festgestellt werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass davon ausgegangen werden kann, dass nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 18 während des folgenden Betriebs eine Erwärmung der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 und somit eine Temperaturänderung auftritt, welche benötigt wird, damit die Korrektursignal-Festlegung 72 den Zusammenhang zwischen dem Qualitätssignal 38 und der konstruktionsbedingten Abhängigkeit von der Temperatur 66 der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 ermitteln und hinterlegen kann. Die Temperaturerhöhung der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 18 tritt dadurch auf, dass üblicherweise ein Rücklauf von nicht dosierter Harnstoff-Wasser-Lösung 14 zurück in den Tank 12 stattfindet, wobei die zurückfließende Harnstoff-Wasser-Lösung 14 aufgrund einer Erwärmung in der Pumpe 22 und/oder im Dosierventil 24 wärmer ist als die im Tank 12 gelagerte Harnstoff-Wasser-Lösung 14.
  • Eine erzwungene Temperaturerhöhung der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 ist durch eine Beheizung der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 mittels des Heizelements 32 möglich. Die Korrektursignal-Ermittlung 72 stellt daher das Heizelement-Ansteuersignal 34 bereit, welches das Heizelement 32 ansteuert. Das Heizelement-Ansteuersignal 34 wird weiterhin von einer nicht näher gezeigten Auftau-Anordnung bereitgestellt, welche für ein Auftauen einer eingefrorenen oder teilweise eingefrorenen Harnstoff-Wasser-Lösung 14 sorgt.
  • Vorzugsweise stellt die Korrektursignal-Ermittlung 72 das Heizelement-Ansteuersignal 34 nur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 18 zur Verfügung, wobei davon ausgegangen werden kann, dass die Harnstoff-Wasser-Lösung 14 die niedrigste mögliche Temperatur aufweist. Die Korrektursignal-Festlegung 72 kann den konstruktionsbedingten Zusammenhang zwischen dem Qualitätssignal 38 und der Temperatur 66 während des Temperaturanstiegs der Harnstoff-Wasser-Lösung 14 während der Beheizung und/oder bei einem Temperaturabfall nach dem Abschalten des Heizelements 32 ermitteln und zur Bereitstellung des Korrektursignals 62 in einen Speicher der Korrektursignal-Festlegung 72 hinterlegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10139142 A1 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Norm ISO 22241 [0005]
    • DIN 70070 [0005]
    • Norm ISO 22241 [0021]
    • DIN 70070 [0021]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Korrigieren eines Qualitätssignals (38) eines in einem Reagenzmittel-Dosiersystem (10) eingesetzten Ultraschall-Qualitätssensors (36), wobei das Reagenzmittel-Dosiersystem (10) eine in einem Tank (12) gelagerte Harnstoff-Wasser-Lösung (14), deren Qualität vom Ultraschall-Qualitätssensor (66) geprüft wird, stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator (20) dosiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Qualitätssensor (36) die Laufzeit eines Ultraschallsignals (50) in einem von der Harnstoff-Wasser-Lösung (12) umgebenen Ausleger (52) des Ultraschall-Qualitätssensors (36) ermittelt und als Qualitätssignal (38) bereitstellt und dass das Qualitätssignal (38) mittels eines Korrektursignals (62) korrigiert wird, welches einen konstruktionsbedingten Zusammenhang zwischen dem Qualitätssignal (38) und der Temperatur (66) der Harnstoff-Wasser-Lösung (14) widerspiegelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrektursignal (62) weiterhin in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des Ultraschall-Qualitätssensors (36) festgelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrektursignal (62) während eines Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs festgelegt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrektursignal (62) nach einem Kaltstart und anschließenden Warmlauf der Brennkraftmaschine (18) festgelegt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beheizung der Harnstoff-Wasser-Lösung (14) erfolgt und dass das Korrektursignal (62) während der Beheizung der Harnstoff-Wasser-Lösung (14) oder unmittelbar im Anschluss an das Ende der Beheizung festgelegt wird.
  6. Vorrichtung zum Betreiben eines in einem Reagenzmittel-Dosiersystem (10) eingesetzten Ultraschall-Qualitätssensors (36), dadurch gekennzeichnet, dass ein speziell hergerichtetes Steuergerät (26) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
  7. Steuergerät-Programm, das im Steuergerät (26) nach Anspruch 6 zum Betreiben des Reagenzmittel-Dosiersystems (10) hinterlegt ist.
  8. Steuergerät-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode für das Steuergerät (26) nach Anspruch 6 zum Betreiben des Reagenzmittel-Dosiersystems (10), wenn das Programm auf dem Steuergerät ausgeführt wird.
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