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Die Erfindung betrifft ein SCR-Katalysatorsystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Einspritzsystem für eine Harnstofflösung in einen SCR-Katalysator.
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Ein Diesel-Verbrennungsmotor stellt im Betrieb einen Strom von Abgas bereit, das Stickoxide (NOx) enthält. Die Stickoxide können mittels einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) in Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Dazu wird eine wässrige Harnstofflösung (Urea) in oder vor einen SCR-Katalysator eingespritzt, durch den der Strom von Abgas geführt wird. Ein Einspritzsystem für Harnstofflösung in den SCR-Katalysator umfasst eine Pumpe zur Beaufschlagung der Harnstofflösung mit Druck sowie einen Injektor zum Einspritzen der unter Druck stehenden Harnstofflösung.
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Unterhalb von Temperaturen von ca. –11 °C kann die Harnstofflösung gefrieren. Um insbesondere den Injektor vor Frostschäden zu schützen ist es üblich, beim Abstellen des Diesel-Verbrennungsmotors zumindest einen Teil der Harnstofflösung aus dem Bereich zwischen der Pumpe und dem Injektor zu lenzen. Bei diesem Vorgang kann jedoch Luft in das System eintreten, sodass während eines späteren Betriebs des Diesel-Verbrennungsmotors ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen Öffnungs- und Schließzeiten des Injektors und einer tatsächlich in den SCR-Katalysator eingespritzten Menge Harnstofflösung gestört sein kann. Der Gehalt von Stickoxiden auf der Auslassseite des Katalysators kann dadurch erhöht sein.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur Steuerung des Einspritzsystems für Harnstofflösung anzugeben, die eine zuverlässigere Dosierung des eingespritzten Harnstoffs erlaubt. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Harnstofflösung in einen SCR-Katalysator, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs, umfasst eine Pumpe zur Beaufschlagung der Harnstofflösung mit Druck sowie einen Injektor zum Einspritzen der unter Druck stehenden Harnstofflösung. Ein Verfahren zur Steuerung des Einspritzsystems umfasst Schritte des Öffnens und Schließens des Injektors innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums, um eine vorbestimmte Menge Harnstofflösung einzuspritzen, des Aktivierens, innerhalb des vorbestimmten Zeitraums, der Pumpe, falls der Druck der Harnstofflösung am Injektor einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, des Bestimmens eines Verhältnisses einer mittels der Pumpe geförderten Menge und der vorbestimmten Menge, und des Bestimmens, dass innerhalb des vorbestimmten Zeitraums zu wenig Harnstofflösung eingespritzt wurde, falls das Verhältnis um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einem vorbestimmten Verhältnis abweicht.
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Üblicherweise wird der Injektor mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) alternierend geöffnet und geschlossen. Der vorbestimmte Zeitraum ist bevorzugterweise so gewählt, dass mehrere Öffnungen und Schließungen des Injektors erfolgen. Unabhängig davon wird die Pumpe immer dann aktiviert, wenn der Druck der Harnstofflösung am Injektor zu stark abfällt. Befindet sich Luft in der unter Druck stehenden Harnstofflösung, so bewirkt ein Einspritzvorgang mittels des Injektors einen stärkeren Druckabfall als wenn keine Luft vorhanden ist. Um den vorher geltenden Druck wiederherzustellen, muss die Pumpe daher ein größeres Volumen nachliefern als bei einem luftfreien System. Das Verhältnis der mittels der Pumpe geförderten Menge zu der vorbestimmten bzw. mittels des Injektors angesteuerten Menge Harnstofflösung weicht daher von einem vorbestimmten Verhältnis ab, was als sicheres Indiz für ein nicht luftfreies Einspritzsystem verwendet werden kann.
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Die Betrachtung des Verhältnisses erlaubt es auf einfache Weise, zu bestimmen, dass das Einspritzsystem mit Luft versetzt ist. Eine Korrektur der eingespritzten Menge Harnstofflösung kann so verbessert erfolgen, sodass die Funktionalität des SCR-Katalysatorsystems verbessert sein kann. Gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte von Stickoxiden im aus dem Katalysatorsystem entweichenden Abgas können verbessert eingehalten werden.
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Bevorzugterweise sind Intervalle des Öffnens und Schließens des Injektors innerhalb des vorbestimmten Zeitraums konstant. Üblicherweise ist die Pumpe dazu eingerichtet, einen deutliche größeren Volumenstrom als der Injektor zu bewirken. Bei gleichbleibenden Steuerzeiten des Injektors kann die vorbestimmte, durch den Injektor strömende Menge leichter über mehrere Einspritzvorgänge bestimmt werden. Anders ausgedrückt kann die Pumpe innerhalb der vorbestimmten Zeit weniger oft betrieben werden als der Injektor geöffnet und geschlossen wird. Die Bestimmung des beschriebenen Verhältnisses kann dadurch erleichtert sein.
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Der vorbestimmte Zeitraum umfasst bevorzugterweise ein gleitendes Zeitfenster. So kann das Verhältnis kontinuierlich bestimmt werden, wodurch eine fortgeführte Überwachung des Luftgehalts im Einspritzsystem erfolgen kann.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass eine zu wenig eingespritzte Menge der Harnstofflösung bestimmt und Öffnungs- und Schließzeiten des Injektors angepasst werden, um die zu wenig eingespritzte Menge in einem folgenden Zeitraum zu minimieren. Die zu wenig eingespritzte Menge kann insbesondere auf der Basis der Abweichung des Verhältnisses vom vorbestimmten Verhältnis bestimmt werden. Je größer die Abweichung des Verhältnisses vom vorbestimmten Verhältnis, desto stärker können die Öffnungs- und Schließzeiten des Injektors angepasst werden, um einen größeren Durchfluss von Harnstofflösung durch den Injektor zu ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform können auch zusätzliche Öffnungs- und Schließzeiten des Injektors eingefügt werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird ein Luftgehalt in der unter Druck stehenden Harnstofflösung auf der Basis des Verhältnisses bestimmt, wobei die Öffnungs- und Schließzeiten nur angepasst werden, falls der Luftgehalt über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Leichte Abweichungen, die beispielsweise aus konstruktionsbedingten Leckagen oder Temperatureinflüssen resultieren können, können so ignoriert werden.
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Der Luftgehalt kann auf der Basis einer Kompressibilität der mittels der Pumpe mit Druck beaufschlagten Harnstofflösung bestimmt werden. Je höher die Kompressibilität der Harnstofflösung ist, desto größer ist ihr Luftgehalt.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass die Kompressibilität auf der Basis eines Druckanstiegs am Injektor im Verhältnis zu einem mittels der Pumpe geförderten Volumen bestimmt wird. Das mittels der Pumpe geförderte Volumen entspricht der geförderten Menge Harnstofflösung. Je stärker der Druck am Injektor bei Fördern eines vorbestimmten Volumens durch die Pumpe ansteigt, desto geringer ist der Gehalt von Luft in Harnstofflösung im Bereich zwischen der Pumpe und dem Injektor. Dieser Zusammenhang kann quantitativ ausgewertet werden, um die Kompressibilität des Mediums im Bereich zwischen der Pumpe und dem Injektor zu bestimmen, wobei das Medium Harnstofflösung und ggf. Luft enthält. In einer weiteren Ausführungsform kann die Kompressibilität auch bestimmt werden, indem ein Druckabfall am Injektor beim Einspritzen von Harnstofflösung in ein Verhältnis zum – vermeintlich – eingespritzten Volumen gesetzt werden. Das Volumen kann auf der Basis einer Öffnungsdauer und/oder Öffnungshäufigkeit des Injektors bestimmt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Pumpe eine Verdrängerpumpe umfasst, die die Harnstofflösung durch ein geschlossenes Volumen fördert. Dabei kann die Menge der mittels der Pumpe geförderten Harnstofflösung auf der Basis der Volumina bestimmt werden, die innerhalb des Zeitraums gefördert werden. Die Pumpe kann beispielsweise eine motorisch angetriebene Kolbenpumpe umfassen, wobei jeder Hub der Kolbenpumpe ein vorbestimmtes Volumen fördert. Läuft der Motor mit konstanter Geschwindigkeit, so kann die Betriebsdauer des Motors proportional zum geförderten Volumen sein. In einer Betriebsphase können eines oder mehrere Volumen durch die Pumpe gefördert werden. Andere Typen von Verdrängerpumpen sind ebenfalls möglich.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Volumina gleich groß sind und die Menge der mittels der Pumpe geförderten Harnstofflösung auf der Basis der Anzahl der Volumina bestimmt wird, die innerhalb des Zeitraums gefördert werden. In einer anderen Ausführungsform können die Volumina auch unterschiedlich groß sein, man spricht in diesem Zusammenhang von einer Verstellpumpe. Bei der Verstellpumpe können die einzelnen Größen der geförderten Volumina berücksichtigt werden, um die insgesamt geförderte Menge Harnstofflösung zu bestimmen.
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Eine Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzsystems für Harnstofflösung in einen SCR-Katalysator ist dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines SCR-Katalysatorsystems;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung des Einspritzsystems des SCR-Katalysatorsystems von 1; und
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3 exemplarische Verläufe von verschiedenen Signalen am SCR-Katalysatorsystem von 1
darstellt.
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1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem 100 zur Reinigung eines Stroms von Abgas 105, das insbesondere von einem Diesel-Verbrennungsmotor ausgestoßen werden kann. Das Katalysatorsystem 100 ist insbesondere zum Einsatz an Bord eines Kraftfahrzeugs eingerichtet. Das Katalysatorsystem 100 umfasst einen SCR-Katalysator 110 und ein Einspritzsystem 115, das bevorzugterweise aus einem Tank 120 zur Aufnahme von wässriger Harnstofflösung 125 gespeist wird.
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Das Einspritzsystem 115 umfasst eine Pumpe 130 zur Beaufschlagung der Harnstofflösung 125 mit Druck und einen Injektor 135 zur Einspritzung von unter Druck stehender Harnstofflösung 125 in den SCR-Katalysator 110 bzw. in den Strom von Abgas 105, der in den SCR-Katalysator 110 geleitet wird. Der Injektor 135 wird bevorzugterweise von einer Steuervorrichtung 140 angesteuert, die den Injektor 135 üblicherweise intermittierend öffnet und schließt, wobei Öffnungs- und Schließzeiten üblicherweise in Abhängigkeit von Parametern des Abgases 105 bzw. einem Betriebszustand eines Diesel-Verbrennungsmotors, der das Abgas 105 ausstößt, bestimmt werden. Die Steuerung der Pumpe 130 erfolgt bevorzugterweise ebenfalls mittels der Steuervorrichtung 140. Der Druck der Harnstofflösung 125 am Injektor 135 wird mittels eines Drucksensors 145 bestimmt und die Pumpe 130 wird dazu angesteuert, einen vorbestimmten Druck aufrechtzuerhalten bzw. den Druck im Bereich zwischen der Pumpe 130 und dem Injektor 135 in einem vorbestimmten Bereich zu halten. Um den Injektor 135 bei Frostgefahr vor Frostschäden der Harnstofflösung 125 zu schützen, kann die Pumpe 130 bidirektional ausgelegt sein, um die Harnstofflösung 125 aus dem Bereich des Injektors 135 abzupumpen. Bei der Pumpe 130 handelt es sich bevorzugterweise um eine Verdrängerpumpe, bei der ein eindeutiger Zusammenhang zwischen ihrer mechanischen Betätigung und dem durch sie geförderten Volumen besteht. Dazu umfasst die Verdrängerpumpe 130 wenigstens ein in sich geschlossenes Volumen, sodass die Harnstofflösung 125 auch im Stillstand nicht durch die Verdrängerpumpe 130 fließen kann. Die Pumpe 130 kann mittels eines Motors, insbesondere eines Elektromotors, angetrieben werden, sodass das mittels der Pumpe 130 geförderte Volumen in den oder aus dem Tank 120 auf der Basis der Ansteuerung des Elektromotors bekannt sein kann.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zur Steuerung des Einspritzsystems 115 des SCR-Katalysatorsystems 100 von 1. Das dargestellte Diagramm betrifft nur eine von mehreren möglichen Ausführungsformen; andere Ausführungsformen erschließen sich dem Fachmann im Zusammenhang mit der restlichen vorliegenden Beschreibung.
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In einem ersten Schritt 205 wird eine mittels des Injektors 135 einzuspritzende Menge Harnstofflösung 125 pro Zeit vorgegeben. In einem nachfolgenden Schritt 210 werden auf der Basis dieser Vorgabe Öffnungs- und Schließzeiten des Injektors 135 bestimmt. Insbesondere kann ein pulsweitenmoduliertes Signal verwendet werden, um den Injektor 135 alternierend zu öffnen und zu schließen. Die Frequenz oder das Tastverhältnis dieses Signals kann in Abhängigkeit der einzuspritzenden Menge variiert werden. In einem Schritt 215 wird der Injektor 135 mit den bestimmten Zeiten angesteuert. Die Schritte 210 und 215 laufen bevorzugterweise in einer Endlosschleife ab, solange das Abgas 105 mittels des Katalysatorsystems 100 gereinigt werden soll.
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Ein weiterer unabhängiger Teilprozess ist durch Schritte 220 bis 230 gebildet. Im Schritt 220 wird der Druck am Injektor 135 mittels des Drucksensors 145 bestimmt. In einem Schritt 225 wird der bestimmte Druck mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen und in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses wird die Pumpe 130 im Schritt 230 angesteuert, um den Druck am Injektor 135 oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts oder zwischen zwei vorbestimmten Schwellenwerten zu halten. Auch dieser Teilprozess läuft bevorzugterweise in einer Endlosschleife, solange das Abgas 105 mittels des SCR-Katalysatorsystems 100 gereinigt werden soll.
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Es wird vorgeschlagen, in einem Schritt 235 auf der Basis der Ansteuerung der Pumpe 130 die mittels der Pumpe 130 geförderte Menge Harnstofflösung 125 in einem vorbestimmten Zeitraum zu bestimmen und in einem nachfolgenden Schritt 240 mit der im Schritt 205 vorgegebenen einzuspritzenden Menge Harnstofflösung 125 im gleichen Zeitraum in ein Verhältnis zu setzen. Bevorzugterweise wird die einzuspritzende Menge durch die geförderte Menge geteilt; ein umgekehrtes Verhältnis kann ebenfalls gebildet werden.
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In einem Schritt 245 kann dann eine Abweichung des Verhältnisses von einem vorbestimmten Verhältnis bestimmt werden. Weicht das bestimmte Verhältnis vom vorbestimmten Verhältnis, insbesondere von 1, um mehr als ein vorbestimmtes Maß ab, so kann auf das Vorhandensein von einem kompressiblen Medium, insbesondere Gas, namentlich Luft, in der Strecke zwischen der Pumpe 130 und dem Injektor 135 geschlossen werden. Diese Information kann für künftige Einspritzvorgänge genutzt werden, um die Abweichung zu minimieren.
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Dazu kann in einem Schritt 250 eine Kompensation der Abweichung bestimmt werden, sodass die zu wenig eingespritzte Menge Harnstofflösung 125 im Folgenden durch längere oder häufigere Einspritzungen mittels des Injektors 135 möglichst ausgeglichen wird. Die bestimmte Kompensation kann zur Bestimmung der Öffnungs- und Schließzeiten im Schritt 210 verwendet werden.
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Auch die Schritte 235 bis 250 laufen bevorzugterweise in einer Endlosschleife ab. Dabei ist bevorzugt, dass der Zeitraum, der für die Bildung der Mengenverhältnisse zugrunde gelegt ist, konstante Länge aufweist. In einer Ausführungsform erfolgt die Bestimmung der Schritte 240 bis 250 nur dann, wenn während des vorbestimmten Zeitraums die einzuspritzende Menge Harnstofflösung 125 pro Zeit unveränderlich ist.
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Um eine fälschliche Kompensation zu vermeiden, kann in einem Schritt 255 eine Kompressibilität des Mediums im Bereich zwischen der Pumpe 130 und dem Injektor 135 bestimmt werden und auf der Basis der Kompressibilität in einem Schritt 260 ein Gas- bzw. Luftgehalt des Mediums am Injektor 135. Das Bestimmen einer Abweichung des bestimmten Verhältnisses vom vorbestimmten Verhältnis bzw. eine Kompensation der Öffnungs- und Schließzeiten des Injektors 135 erfolgen bevorzugt nur dann, wenn der auf der Basis der Kompressibilität bestimmte Gasgehalt einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Die Kompressibilität im Schritt 255 kann insbesondere auf der Basis eines Zusammenhangs zwischen dem mittels der Pumpe 130 geförderten Volumen und dem Anstieg des Drucks am Injektor 135, aufgenommen durch den Drucksensor 145, bestimmt werden. In einer Variante kann die Kompressibilität im Schritt 255 auch auf der Basis eines Zusammenhangs zwischen der mittels des Injektors 135 eingespritzten Menge bzw. dem eingespritzten Volumen und dem Abfall des Drucks am Injektor 135, aufgenommen durch den Drucksensor 145, bestimmt werden.
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3 zeigt exemplarische Verläufe am SCR-Katalysatorsystem 100 von 1. In einer horizontalen Richtung ist ein Zeitverlauf angegeben. In vertikaler Richtung sind in exemplarischen Darstellungen von oben nach unten ein Leitungsdruck 305, der im Bereich zwischen der Pumpe 130 und dem Injektor 135 herrscht, ein Ansteuersignal 310 für den Injektor 135 und geförderte, konstante Volumina 315 der Pumpe 130 angetragen. Außerdem sind ein erster Zeitraum 320 zwischen Zeitpunkten t1 und t2 sowie ein zweiter Zeitraum 325 zwischen Zeitpunkten t3 und t4 exemplarisch eingezeichnet.
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Bezug nehmend auf den ersten Zeitraum 320 wird ein Betrieb des SCR-Katalysatorsystems 100 mit luftfreier Harnstofflösung 125 umrissen. Steigt das Ansteuersignal 310 von 0 auf 1, so wird der Injektor 135 geöffnet und unter Druck stehende Harnstofflösung 125 wird eingespritzt. Dementsprechend sinkt der Leitungsdruck 305 kontinuierlich ab. Erreicht der Leitungsdruck 305 einen vorbestimmten unteren Schwellenwert 330, so wird die Pumpe 130 aktiviert. In einer Ausführungsform wird die Pumpe 130 wieder deaktiviert, wenn der Leitungsdruck 305 einen oberen Schwellenwert 335 erreicht hat. In einer anderen Ausführungsform wird die Pumpe 130 deaktiviert, wenn der einzige (untere) Schwellenwert 330 überschritten ist.
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Die Menge der eingespritzten Harnstofflösung 125 kann anhand der Häufigkeit und Länge der Aktivierungen des Injektors 135 am Ansteuersignal 310 abgelesen werden. Die Menge des mittels der Pumpe 130 geförderten Volumens Harnstofflösung 125 kann an den geförderten Volumina 315, oder, in einer anderen Ausführungsform, der kumulativen Einschaltdauer der Pumpe 130, abgelesen werden.
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Bezug nehmend auf den zweiten Zeitraum 325 wird nun kurz beschrieben, wie bestimmt werden kann, dass die mittels des Injektors 135 eingespritzte Menge Harnstofflösung 125 geringer als eine vorgegebene Menge ist. Im Unterschied zum ersten Zeitraum 320 sinkt durch das Öffnen des Injektors 135 der Leitungsdruck 305 schneller und weiter ab als in einem luftfreien System. Insbesondere kann eine vorbestimmte Druckschwelle 340 unterschritten werden, was als Indiz für das Vorhandensein von Luft oder einem anderen kompressiblen Gas im Harnstoff im Bereich zwischen der Pumpe 130 und dem Injektor 135 gewertet werden kann. Um den Druckverlust auszugleichen und ein vorbestimmtes Druckniveau wiederherzustellen, muss die Pumpe 130 länger bzw. häufiger betrieben werden. Das Verhältnis des mittels der Pumpe 130 geförderten Volumens zum – vermeintlich – mittels des Injektors 135 eingespritzten Volumens Harnstofflösung 125 weicht dann von einem vorbestimmten Verhältnis ab.
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Das vorbestimmte Verhältnis kann insbesondere 1 betragen. In anderen Ausführungsformen kann eines der Volumina auch indirekt angegeben sein, beispielsweise in Form einer Betätigungshäufigkeit des Injektors 135 oder einer Anzahl Pumpenhübe der Pumpe 130, jeweils während eines vorbestimmten Zeitraums. Das vorbestimmte Verhältnis ist dann an diese Skalierung angepasst und beträgt in der Regel nicht Eins.
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In Abhängigkeit davon, wie weit das bestimmte Verhältnis vom vorbestimmten Verhältnis abweicht, können Maßnahmen getroffen werden, die zu wenig eingespritzte Menge Harnstofflösung 125 in einem folgenden Zeitraum möglichst zu kompensieren. Dazu können insbesondere eine Öffnungsdauer des Injektors 135 verlängert oder eine Öffnungshäufigkeit gesteigert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- SCR-Katalysatorsystem
- 105
- Abgas
- 110
- SCR-Katalysator
- 115
- Einspritzsystem
- 120
- Tank
- 125
- Harnstofflösung
- 130
- Pumpe
- 135
- Injektor
- 140
- Steuervorrichtung
- 145
- Drucksensor
- 200
- Verfahren
- 205
- Eingabe: einzuspritzende Menge pro Zeit
- 210
- Bestimmen Öffnungs- und Schließzeiten
- 215
- Ansteuern Injektor
- 220
- Bestimmen Druck an Injektor
- 225
- Vergleichen mit Schwellenwerten
- 230
- Steuern Pumpe
- 235
- Bestimmen geförderte Menge pro Zeit
- 240
- Bilden Verhältnis über vorbest. Zeitfenster
- 245
- Bestimmen Abweichung
- 250
- Bestimmen Kompensation
- 255
- Bestimmen Kompressibilität
- 260
- Bestimmen Luftgehalt
- 305
- Leitungsdruck
- 310
- Ansteuersignal
- 315
- geförderte Volumina
- 320
- erster Zeitraum
- 325
- zweiter Zeitraum
- 330
- unterer Schwellenwert
- 335
- oberer Schwellenwert
- 340
- Druckschwelle
