DE102016219313B4

DE102016219313B4 - Verfahren zur Überwachung von Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems

Info

Publication number: DE102016219313B4
Application number: DE102016219313.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Brandt; Manfred Füchsle; Thomas Schön
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: DE102016219313A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung von Komponenten eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems (100) zur Abgasnachbehandlung, bei dem ein Additiv (101) zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas (109) eines Verbrennungsmotors über einen in dem System (100) angeordneten Druckspeicher (107) mittels einer Dosiervorrichtung (108) in den Abgasstrang (102) des Verbrennungsmotors eindosiert wird, aufweisend die Schritte:Bestimmen (S502) einer Leckage bezüglich des Additivs (101),Empfangen einer aktuellen Dosieranforderung (Qreq) als eine aktuell in den Abgasstrang (102) einzubringende Dosiermenge (Qinj_soll) des Additivs (101) pro Zeiteinheit,Bestimmen, in Abhängigkeit von der bestimmten Leckage, einer minimalen relevanten Dosiermenge (Qmin),wobei für einen ersten Zeitbereich (t(3,4)), in dem die Dosieranforderung (Qreq) die minimale Dosiermenge (Qmin) übersteigt, jeweils aktuelle Werte für eine angenommene Fördermenge (Qpump_est) für eine Förderung des Additivs (101) in den in den Druckspeicher (107) und einer angenommenen Dosiermenge (Qinj_soll) für eine Dosierung des Additivs (101) in den Abgasstrang (102) ermittelt werden,wobei bei dem Ermitteln außerhalb des ersten Zeitbereichs (t(3,4)) geförderte oder dosierte Mengen (Qpump_est, Qinj_soll) außer Betracht bleiben, undBestimmen (S611, S612) eines Fehlerzustands des Systems (100) basierend auf einem Vergleich (S605) der für den ersten Zeitbereich (t (3, 4) ) ermittelten Fördermengen (Qpump_est) und der für den ersten Zeitbereich (t(3,4)) ermittelten Dosiermengen (Qinj_soll), wobei eine vordefinierte Gesamtdosiermenge (Qgesamt) für einen Dosierzyklus bestimmt wird, wobei die Fördermenge (Qpump_est) und die Dosiermenge (Qinj_soll) des Additivs (101) bei zur Ermittlung von Gesamtmengen jeweils über den Dosierzyklus integriert (S603) werden, wobei der für die Ermittlung verwendete erste Zeitbereich (t(3,4)) zusammenhängend oder nicht zusammenhängend ist und wobei ferner ein Maximalwert für eine Gesamtleckagemenge (Lgesamt) in dem Dosierzyklus gewählt wird, und wobei die minimale relevante Dosiermenge (Qmin) proportional zu einem aktuellen Leckagestrom (L) und der Gesamtdosiermenge (Qgesamt) und umgekehrt proportional zu der Gesamtleckagemenge (Lgesamt) bestimmt wird.

Description

Es wird ein Verfahren zur Überwachung von Komponenten eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems zur Abgasnachbehandlung beschrieben.
Moderne Abgasnachbehandlungskonzepte für Dieselmotoren reduzieren die bei der Kraftstoffverbrennung entstehenden Stickoxide mit Hilfe von SCR-Systemen durch selektive katalytische Reduktion (Englisch: „selective catalytic reduction“). Dabei wird durch Einspritzen einer wässrigen Lösung von Harnstoff bzw. Urea stromaufwärts eines Katalysators eine chemische Reaktion ausgelöst, die den Stickstoff im Abgas des Verbrennungsmotors reduziert. Zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Funktion des SCR-Systems ist es wünschenswert, eine fehlerhafte Komponente des Systems im Fahrzyklus schnellstmöglich zu erkennen und zu identifizieren.
Der Gesetzgeber schreibt die Überwachung der abgasrelevanten Systemkomponenten während des Systembetriebes vor. Dabei sollte sowohl die Manipulation der Komponenten als auch eine Fehlfunktion erkannt werden. Die aktuelle Gesetzgebung verlangt, dass die eindosierte Menge an Additiv plausibilisiert wird und eine Abweichung von mehr als 50% der angeforderten zur eindosierten Menge innerhalb von 30 Minuten erkannt und dem Fahrer zur Anzeige wird.
In dem Artikel „Methode zur Überwachung des Harnstoffverbrauchs“, Automobiltechnische Zeitschrift, Ausgabe 05/2014, Seiten 36-43, R. Gegusch, L. Henning, H.
Barkow, wird der Einsatz eines Sensors zur Überwachung einer Harnstoffeinspritzmenge beschrieben.
Aus DE 10 2014 213 344 A1 ist ein Diagnoseverfahren für SCR-Systeme in einem Fahrzeug bekannt. Zur Durchführung einer Diagnose werden Daten am SCR-System erhoben und basierend auf den Daten wird eine eingespritzte Dosiermenge ermittelt. Dabei werden nur ermittelte Dosiermengen als richtig erachtet, wenn die zugehörigen Daten während eines definierten, von der Pumpe erzeugten Volumenstroms erhoben wurden und wobei der definierte Volumenstrom zumindest das Fünffache, vorzugsweise zumindest das Zehnfache, besonders bevorzugt das Fünfzehnfache einer pumpeninternen Leckagemenge der Pumpe beträgt.
Aus DE 10 2015 112 921 A1 ist ein Diagnosesystem für ein Reduktionsmitteldosiersystem bekannt. Zur Diagnose des Reduktionsmitteldosiersystems wird folgendes Verfahren durchgeführt: Zugreifen auf angewiesene Dosiermengendaten, Zugreifen auf geschätzte Strömungsrückführungsdaten; Ermitteln, mit Hilfe einer Steuerung, einer integrierten angewiesenen Strömungsmenge basierend auf den angewiesenen Dosiermengendaten und einer integrierten geschätzten Strömungsrückführung basierend auf der geschätzten Strömungsrückführung; Ermitteln, mit Hilfe der Steuerung, eines Prozentfehlerwerts in Reaktion auf und mit Hilfe der integrierten angewiesenen Strömungsmenge und der integrierten geschätzten Strömungsrückführung; Ermitteln, mit Hilfe der Steuerung, eines Fehlers basierend auf dem ermittelten Prozentfehlerwert und einem oder mehreren vorbestimmten Fehlergrenzwerten; und Anzeigen des ermittelten Fehlers.
Aus DE 10 2008 005 988 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Diagnose einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung bekannt. Dabei wird die Diagnose anhand einer Bewertung eines Druckabfalls eines Reagenzmittels vorgenommen, wobei die Pumpe abgeschaltet, ein anschließend auftretender Druckabfall bewertet und bei der Bewertung des Druckabfalls ein Leckverlust der Pumpe berücksichtigt wird. Mit Hilfe der Pumpe wird das Reagenzmittel auf einen Dosierdruck gebracht und von einem Dosierventil in den Abgasbereich eines Verbrennungsprozesses dosiert.
Aus JP 2014-129765 A ist ein weiteres Verfahren zur Diagnose einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung bekannt.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, die Fehlerdetektion bei Einsatz eines SCR-Systems in einem Fahrzeug zu verbessern, um auf robuste Weise Fehldiagnosen zu vermeiden.
Es wird ein Verfahren zur Überwachung von Komponenten eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems nach dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung von Komponenten eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems, bei dem ein Additiv zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors über einen in dem System angeordneten Druckspeicher mittels einer Dosiervorrichtung in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eindosiert wird, bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren grundsätzlich die folgenden Schritte auf:

Bestimmen einer Leckage bezüglich des Additivs,
Empfangen einer aktuellen Dosieranforderung als eine aktuell in den Abgasstrang einzubringende Dosiermenge des Additivs pro Zeiteinheit,
Bestimmen, in Abhängigkeit von der bestimmten Leckage, einer minimalen relevanten Dosiermenge,
wobei für einen ersten Zeitbereich, in dem die Dosieranforderung die minimale Dosiermenge übersteigt, jeweils aktuelle Werte für eine angenommene Fördermenge für eine Förderung des Additivs in den in den Druckspeicher und einer angenommenen Dosiermenge für eine Dosierung des Additivs in den Abgasstrang ermittelt werden,
wobei bei dem Ermitteln außerhalb des ersten Zeitbereichs geförderte oder dosierte Mengen außer Betracht bleiben, und
Bestimmen eines Fehlerzustands des Systems (basierend auf einem Vergleich der für den ersten Zeitbereich ermittelten Fördermengen und der für den ersten Zeitbereich ermittelten Dosiermengen.

Ferner wird erfindungsgemäß eine vordefinierte Gesamtdosiermenge für einen Dosierzyklus bestimmt, wobei die Fördermenge und die Dosiermenge des Additivs bei zur Ermittlung von Gesamtmengen jeweils über den Dosierzyklus integriert werden, wobei der für die Ermittlung verwendete erste Zeitbereich zusammenhängend ist.
Dadurch wird vorteilhaft ermöglicht, eine korrekte Diagnose innerhalb von vorbestimmten Zeitintervallen zu erhalten, wobei ein geeigneter hinnehmbarer Maximalanteil der Leckage für eine Fehlerbegrenzung im Voraus feststeht, wodurch die Robustheit des Verfahrens weiterhin erhöht werden kann.
Des Weiteren wird ein Maximalwert für eine Gesamtleckagemenge in dem Dosierzyklus gewählt, wobei die minimale relevante Dosiermenge proportional zu einem aktuellen Leckagestrom und der Gesamtdosiermenge und umgekehrt proportional zu der Gesamtleckagemenge bestimmt wird.
Dadurch wird eine einfache Berechnung der minimalen Dosiermenge unter Verwendung von wichtigen Eckparametern der SCR-Anlage bereitgestellt, was eine besonders einfache Ausführung der Aspekte der Erfindung ermöglicht.
Durch die Erfindung wird ein robustes Erkennen einer fehlerhaften Komponente in einem SCR-System ermöglicht.
Insbesondere ist es möglich, unnötige Ausgabe von Fehlermeldungen zu vermeiden. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass Aspekte wie das Einbeziehen einer Abhängigkeit von der Leckagemenge in den Verfahrensablauf bei der Bestimmung der minimalen Dosiermenge mit einbezogen wird. Dadurch kein eine Verfälschung eines Diagnoseergebnisses durch Leckage vermieden werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Leckage basierend auf einen Druckabfall bestimmt wird, der über einen zweiten Zeitbereich gemessen wird, in dem kein Fördern von Additiv in den Druckspeicher und kein Dosieren von Additiv in den Abgasstrang erfolgt.
Damit kann eine genaue Diagnose zu definierten Bedingungen durchgeführt werden, so dass geeignete Parameter für die Bestimmung der minimalen Dosiermenge zur Verführung stehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Integration beendet, sobald für die aufintegrierte Dosiermenge ein vordefinierter Schwellenwert, insbesondere der Wert der vordefinierten Gesamtdosiermenge erreicht wird. Dabei kann im Anschluss an das Integrieren der Dosiermenge und der Fördermenge ein Vergleich der aufintegrierten Werte der Fördermenge und der Dosiermenge durchgeführt werden.
Auf diese Weise wird das Verfahren besonders sich, insbesondere da der sensible Parameter der Dosiermenge direkt als Gradmesser für die Mengenbetrachtung herangezogen werden kann.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei dem Bestimmen des Fehlerzustands des Systems bestimmt werden, dass kein Fehler hinsichtlich der tatsächlich in den Abgasstrang eindosierten Menge des Additivs vorliegt, wenn bei dem oben genannten Vergleich festgestellt wird, dass der Betrag der gesamten aufintegrierten Fördermenge um weniger als einen vorbestimmten Faktor von dem Betrag der gesamten aufintegrierten Dosiermenge abweicht.
Auf diese Weise ist wird vorteilhaft eine Unterscheidung von Fehlerursachen ermöglicht, indem ein CDM-Fehler ausgeschlossen werden kann. Dadurch kann eine unnötige Fehlerausgabe oder Fehlermitteilen oder ein unnötiges vorbeugendes Stoppen des Systems verhindert werden.
Ferner können gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung die jeweiligen aktuellen Werte für die Fördermenge auf einem zunächst angenommen bestimmten Pumpenfluss basieren. Dabei kann, wenn bei dem oben genannten Vergleich festgestellt wird, dass der Wert der aufintegrierten angenommenen Fördermenge um mehr als einen vorbestimmten Faktor von dem Wert der aufintegrierten angenommenen Dosiermenge abweicht, eine Befüllung des Druckspeichers zum Bestimmen eines aktualisierten anzunehmenden Pumpenflusses durchgeführt wird.
Nach einer bevorzugten Variante dieser Weiterbildung wird der zunächst angenommene Pumpenfluss basierend auf ein Modell bestimmt, das eine Abhängigkeit von einer Temperatur, einer Pumpendrehzahl), und/oder einem Druck aufweist.
Dabei kann vorteilhaft ein Vergleich des zunächst angenommenen d.h. geschätzten Pumpenflusses mit dem aktualisierten Pumpenfluss durchgeführt werden, wobei, wenn der Vergleich der Pumpenflüsse eine Abweichung um nicht mehr als einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert ergibt, bei dem Bestimmen des Fehlerzustands des Systems bestimmt wird, dass kein Fehler hinsichtlich der tatsächlich in den Abgasstrang eindosierten Menge des Additivs vorliegt, und andernfalls ein solcher Fehler erkannt wird.
Auf diese Weise wird insbesondere ermöglicht, eine temporäre Abweichung des Pumpenverhaltens als Fehlerursache zu erkennen, und die unnötige Ausgabe eines CDM-Fehlers zu vermeiden.
Ferner kann, wenn die bestimmte Leckage einen Wert unterhalb eines ersten Leckageschwellenwerts aufweist, die minimale relevante Dosiermenge so gewählt wird, dass die Ermittlung der aktuellen Werte für die Fördermenge und die Dosiermenge kontinuierlich durchgeführt werden, insbesondere derart, dass auch ein Zeitintervall, in dem kein Dosieren des Additivs erfolgt, mit einbezogen werden kann bei dem Vergleich, basierend auf den der Fehlerzustand bestimmt wird. Dabei kann das Verfahren nur dann durchgeführt werden, wenn die bestimmte Leckage einen zweiten Leckageschwellenwert, der größer als der erste Leckageschwellenwert ist, nicht übersteigt.
Dadurch kann die Anwendung des Verfahrens sinnvoll eingegrenzt werden, so dass die Diagnose für sämtliche denkbaren Fehlerermittlungen offensteht.
Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines SCR-Systems, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung von Signalverläufen in einem SCR-System, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur robusten Erkennung einer Einspritzmengenabweichung, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
4 ein schematisches Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einer Leckagemenge in einem SCR-System und einer Mindestdosieranforderung für eine Dosiermengenüberwachung darstellt, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
5 ein Ablaufdiagramm einer ersten Phase eines Verfahrens zur Überwachung eines SCR-Systems, nach einer Ausführungsform der Erfindung, und
6 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Phase und einer dritten Phase eines Verfahrens zur Überwachung eines SCR-Systems, nach einer Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren und in der folgenden Beschreibung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 1 sind Komponenten eines SCR-Dosiersystems 100, nach einer Ausführungsform der Erfindung, dargestellt. Das hier gezeigte beispielhafte SCR-System 100 weist einen Vorratstank 104 zur Bevorratung eines Additivs, hier: Ureaflüssigkeit 101 auf, der über eine Pumpe 106 mit einer als Druckspeicher fungierenden Leitung 107 verbunden ist. Die Pumpe 106 ist mit einem Antriebsmotor 113 versehen. An die Leitung 107 ist ein Ventil 108 zum Dosieren der Ureaflüssigkeit 101 in den Abgasstrang 102 des Fahrzeugs (nicht explizit dargestellt) angeschlossen. Im Abgasstrang 102 ist stromabwärts zum Ventil 108 ein SCR-Katalysator 105 angeordnet, um im Abgasstrom 109 eine Reduktion von schädlichen Stickoxiden vorzunehmen. An die Leitung 107 ist ferner ein Drucksensor 111 als Systemdrucksensor zur Messung des Leitungsdrucks angeschlossen. Das System 100 weist ferner eine Steuerung 112 auf, die mit einem Antriebsmotor 113 der Pumpe 106, dem Drucksensor 111, und dem Ventil 108 verbunden ist.
Das Additiv 101 wird aus dem Vorratstank 104 mit Hilfe der Pumpe 106 in die Leitung 107 gefördert und dort auf den gewünschten Betriebsdruck Psys des Systems 100 komprimiert, der hier typischerweise 7 bar absolut beträgt. Der Drucksensor 111 misst den Leitungsdruck P_sys, der mittels der elektronischen Steuereinheit 112 durch Ansteuerung der Pumpe 106 geregelt wird.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) wird mit Hilfe des Dosierventils 108 eine genau dosierte, aktuell benötigte Menge des Additivs 101 in die Abgasanlage 102 eindosiert. Dies erfolgt jeweils in Antwort auf eine Anforderung an einzudosierender Menge Q_req in Abhängigkeit des Beladungszustandes des Katalysators 105 sowie der aktuellen NO_x Rohemissionen, die es zu reduzieren gilt.
In dem SCR-Katalysator 105 findet dann die katalytisch unterstützte Umwandlung der Stickoxide NO und NO₂ in ungiftige Reaktionsprodukte N₂ und H₂O statt.
Zum Plausibilisieren der eindosierten Menge an Additiv 101 und zum Erkennen einer Abweichung zwischen der angeforderten Menge Q_req einerseits und der tatsächlich eindosierten Menge Qinj andererseits kann grundsätzlich ein Vergleich der durch die Pumpe 106 geförderten Menge Q_pump an Urea 101 mit der angeforderten Menge Q_req herangezogen werden, wodurch jedoch eine vorhandene Leckage L noch nicht automatisch berücksichtigt ist.
In der folgenden Beschreibung werden zur Erklärung von weiteren Einzelheiten weiterhin die in Zusammenhang mit 1 eingeführten Bezugszeichen verwendet.
In 2 sind verschiedene Phasen von verfahrenstypischen Systemabläufen eines mit einem SCR-System 100 ausgestatteten Fahrzeugs schematisch dargestellt, nach einer Ausführungsform der Erfindung. Wie in der 2 gezeigt wird, wird zu einem Zeitpunkt t₀ das Fahrzeug gestartet, nachdem es eine längere Standphase, beispielsweise über Nacht, hinter sich hat. Die Temperatur Tkat des SCR-Katalysators entspricht in diesem Zustand der um das Fahrzeug herum herrschenden Umgebungstemperatur und ist somit von der minimalen Betriebstemperatur T_{kat_min} des Katalysators 105 weit entfernt. Die minimale Betriebstemperatur T_{kat_min} des Katalysators 105 ist notwendig, um die erforderlichen chemischen Reaktionen, die in dem SCR-System 100 entscheidend sind, ablaufen zu lassen. Eine Eindosierung von Additiv 101 bei einem Betrieb unter dieser Minimaltemperatur T_{kat_min} ist daher keinesfalls sinnvoll und kann sogar zu Systemschädigungen, wie beispielsweise Ablagerungen, führen.
Das hydraulische SCR-System 100 befindet sich zum Zeitpunkt t₀, also bei Fahrzeugstart, im drucklosen Zustand. Setzt sich das Fahrzeug in Bewegung, erwärmt das Abgas 109 nach und nach den SCR-Katalysator 105, so dass dessen Temperatur Tkat steigt. Parallel dazu wird das SCR-System 100, sobald die Freigabebedingungen erfüllt sind, mit Urea 101 befüllt, und der Druck Psys im System 100 wird auf Betriebsdruck gebracht. Zum Zeitpunkt t₁ ist das SCR-System 100 dann einspritzbereit, und zum Zeitpunkt t₂ schließlich übersteigt die Katalysatortemperatur T_kat die Minimaltemperatur T_{kat_min,} sodass eine Anforderung zur Harnstoffeinspritzung sinnvoll ist.
In den Zeitintervallen t₃ - t₄, t₅ - t₆, und t₇ - t₈ erfolgt dann die Anforderung an das SCR-System 100, Additiv 101 in den Abgasstrang 102 des Fahrzeugs einzuspritzen. Dies wird entsprechend der Dosiermengenanforderung Q_req gemäß der SCR-Steuerung 112 mit Hilfe des Einspritzventils 108 realisiert. Da das SCR-System 100 druckgeregelt ist, wird zeitgleich zur Einspritzung die Pumpe 106 derart angesteuert, dass der Systemdruck Psys während der Einspritzung nicht signifikant abfällt sondern nur minimal schwankt bzw. näherungsweise konstant bleibt.
Im leckagefreien Fall gilt: Q_pumpe = Q_inj bei P=const, mit Q_pumpe: das von der Pumpe 106 aus dem Tank 104 in die Leitung 107 geförderte Fluidvolumen, und Qinj: das tatsächlich durch das Ventil 108 in den Abgastrang 102 eindosierte bzw. injizierte Fluidvolumen.
Die Überwachung der Einspritzmenge bzw. der Solleinspritzmenge Q_{inj_soll} erfolgt unter Voraussetzungen kontinuierlich während des Systembetriebs, parallel zur Einspritzung. Dies geschieht durch einen Vergleich der von der Pumpe 106 geförderten Menge mit der angeforderten Menge Q_req. Übersteigt oder unterschreitet die durch die Pumpe 106 geförderte Menge Q_pumpe die einzudosierende Menge Qinj soll um mehr als einen bestimmten Wert, hier: mehr als 50%, so können unterschiedliche Fehlerfälle vorliegen, die auch teilweise oder gleichzeitig auftreten können. So kann nach einem ersten beispielhaften Szenario das Ventil 108 defekt sein, so dass die tatsächlich in den Abgasstrang 102 eingebrachte Einspritzmenge Qinj um mehr als 50% vom Sollwert abweicht. In diesem Fall ist ein CDM „Consumption Deviation Monitoring“-Fehler zu erkennen, und der Fahrer ist mittels des DWIS („driver warning and inducement system“) zu informieren. Ferner kann nach einer anderen denkbaren Ursache das Förderverhalten der Pumpe 106, also das Fördervolumen pro Pumpenumdrehung, sich signifikant geändert haben, insbesondere um mehr als 50%. In diesem zweiten Fall erfüllt das System 100 weiterhin die Gesetzesanforderungen. Ferner ist hier eine unbegründete Fehlererkennung zu vermeiden. In einem dritten beispielhaften Fall hat das hydraulische System 100 eine Leckage bezüglich dem Additiv, insbesondere intern, indem das Additiv 101 bei Förderung zum Teil wieder durch die Pumpe 106 zurück in den Tank 104 läuft, weshalb die Pumpe 106 50% mehr Volumen fördern muss, damit der Systemdruck Psys aufrechterhalten werden kann. Auch in diesem Fall erfüllt das System 100 immer noch die Gesetzesanforderungen, und auch in diesem Fall ist daher eine unbegründete Fehlererkennung zu vermeiden.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur robusten Erkennung einer Einspritzmengenabweichung, nach einer Ausführungsform der Erfindung, wobei, im Vergleich zu 2, in 3 zusätzlich unterschiedliche Phasen des Verfahrens grafisch angedeutet sind, die im Folgenden diskutiert werden. Nach der gezeigten Strategie wird eine robuste Erkennung eines Fehlerzustandes ermöglicht, so dass Fehldiagnosen vermieden werden können und insbesondere eine robuste Unterscheidung der oben genannten Fehlerzustände erfolgt.
Wie in 3 gezeigt wird, ist die Phase I aktiv, wenn der Systemdruck des SCR-Systems 100 aufgebaut ist und daher prinzipiell keine Einspritzung oder Pumpenförderung stattfindet. Nach der in 3 gezeigten Ausführungsform ist dies der Fall im Zeitbereich bzw. Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂. In der Phase I wird der Systemdruck Psys überwacht, und die maximale Systemleckage wird bestimmt. Die Leckage ist dabei durch den Druckabfall in einem Zeitintervall, in dem weder Einspritzung noch Pumpenförderung erfolgt, definiert. Dies ist beispielsweise regelmäßig nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors der Fall. Alternativ können zur Durchführung der Phase I auch längere Schubphasen des Fahrzeugs verwendet werden, in denen keine Ureaeindosierung angefordert wird.
Nach der Bestimmung der Leckagemenge in Phase I wird die Phase II des Verfahrens durchgeführt, die in der 3 zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₅ stattfindet. Dabei sind die Schritte der Phase II, insbesondere die Diagnoseschritte, von der Größe der bestimmten Leckage abhängig. So wird in einem Fall, in dem die bestimmte Leckage unterhalb einer applizierbaren Schwelle L_th1 liegt, die Phase II auf kontinuierliche Art und Weise durchgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass ein Vergleich einer jeweils angeforderten Einspritzmenge Q_req zu der von der Pumpe 106 im Überwachungszeitraum gelieferten Menge Q_pump est permanent durchgeführt wird, was weiter unten in Zusammenhang mit 6 näher beschrieben wird. Insbesondere werden dabei auch Zeitintervalle ohne Einspritzung mitberücksichtigt.
Wird jedoch in Phase I eine Leckage größer als die Schwelle L_th1 und kleiner als eine zweite Schwelle L_th2 gemessen, so wird das unter Phase II beschriebene Verfahren lediglich quasikontinuierlich, genauer gesagt, nur in solchen ersten Zeitbereichen, in denen eine Dosiermengenanforderung Q_req größer einer vorbestimmte Schwelle Qmin ist, angewendet. Somit wird für einen zweiten Zeitbereich, in dem die Dosiermengenanforderung Q_req kleiner als die minimale relevante Dosiermenge Qmin ist, die Phase II zeitweise ausgesetzt, so dass die Dosiermengenanforderungen Q_req und die von der Pumpe 106 gelieferte Menge Q_{pump_est} in diesem Zeitbereich nicht betrachtet werden bzw. nicht in dem in Phase II durchgeführten Vergleich mitberücksichtigt werden. In der 3 ist ein solcher zweiter Zeitbereich t(4,5) zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅ durch Pfeile gekennzeichnet. Sobald die Dosiermengenanforderung Q_req wieder den Mindestwert Qmin erreicht, kann der Vergleich fortgeführt werden, was in 3 aber nicht mehr explizit dargestellt ist. Dabei ist der gewählte Wert für die minimale relevante Dosiermenge Q_min, wie bereits erwähnt, von dem bestimmten Leckagestrom L abhängig: $Q_{min} = f (L) .$
Dadurch wird erreicht, dass die in Phase I bestimmte Leckage L das Diagnoseergebnis der CDM-Diagnose (Englisch:

„Consumption Deviation Monitoring“) in der Phase II nicht signifikant verfälscht wird und der Beitrag der Leckage an der betrachteten Gesamtmenge, die dem System entnommen wird, reduziert wird.

Ferner wird, wie in 3 gezeigt wird, zwischen den Zeitpunkten t₆ und t₇ eine Phase III durchgeführt, in der ein in Phase II angenommenes Fördervolumen Q_pumpe der Pumpe 106 plausibilisiert wird, was ebenfalls weiter unten genauer erklärt wird.
Die 4 zeigt ein schematisches Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einer Leckagemenge L in einem SCR-System 100 und der Mindestdosieranforderung Q_req ≈ Q_min für eine Dosiermengenüberwachung in Phase II darstellt. Die X-Achse des in 4 gezeigten Diagramms stellt Werte der Dosieranforderungen Q_req in der Einheit mg/s dar, während die Y-Achse für die jeweiligen zugehörigen Leckagemengen L_gesamt in mg steht, die für verschiedene Leckageströme L angegeben sind. Die Leckageströme L haben hier die Einheit mg/min. Die gestrichelte waagrechte Linie und deren Schnittpunkte in 4 verdeutlichen, welche Mindestdosieranforderung Qmin anliegen muss, damit die Diagnose aktiviert werden kann, in Abhängigkeit von dem Leckagestrom L im System. Dabei wurde gemäß dem in 4 gezeigten Beispiel zugrundeliegenden Szenario angenommen, dass die Gesamtdosiermenge Q_gesamt, die für ein Diagnoseergebnis des „Consumption Deviation“ Monitor verwendet wird, 500 mg beträgt, und dass die Menge pro Förderhub der Pumpe 50 mg beträgt. Somit werden hier, unter Nominalbedingungen, 10 Pumpenförderungen bei einer Gesamtdosiermenge vom 500 mg pro Diagnosezyklus erfolgen. Die waagrechte gestrichelte Linie hier liegt in Höhe einer Menge von 25 mg, was einer halben Pumpenumdrehung entspricht. Die Kurven in 4 berechnen sich somit gemäß der folgenden Formel: $L_{gesamt} = L * Q_{gesamt} / Q_{req},$
wobei, wie bereits erwähnt, L_gesamt die Leckackemenge während des Diagnosezyklus ist, L der Leckagestrom ist, Q_gesamt die Geamtdosiermenge im Diagnosezyklus ist, und Q_req die Dosieranforderung in Einheiten von mg/s ist. Auf diese Weise ergeben sich die gezeigten unterschiedlichen Werte der Leckagemenge L_gesamt im gesamten Dosierzyklus in Abhängigkeit des jeweiligen Leckagestroms L und der jeweiligen Dosieranforderung Q_req.
Setzt man beispielsweise eine Dosieranforderung Q_req von 20 mg/s voraus, so dauert ein Diagnosezyklus 500 mg/20 mg/s = 25s. Bei einem angenommenen Leckagestrom von 60mg/min werden dabei 60 mg/min • 25s = 25 mg dem System durch die Leckage entnommen. Da die Mengenbilanzierung nicht zwischen der durch Einspritzung entnommenen Menge an Additiv und der durch die Leckage entnommenen Menge an Additiv unterscheidet, kann die Leckage zu einem Diagnosefehler führen, wobei der durch die Leckage verursachte Diagnosefehler in diesem Fall 5% beträgt, nämlich 25 mg von 500 mg.
Die 5 zeigt ein Ablaufdiagramm der Phase I des Verfahrens zur Überwachung eines SCR-Systems, nach einer Ausführungsform der Erfindung. In einem Schritt 500 wird das Verfahren gestartet. Im Schritt 501 wird zunächst eine Systemleckage L mit einem Wert aus einem Speicher initialisiert, der beispielsweise in der Ansteuerung 112 angeordnet ist. In Schritt S502 wird geprüft, ob eine Leckageerkennung aktiviert wird oder nicht. Ist dies nicht der Fall, endet die Phase I mit Schritt S504. Falls die Leckageerkennung in Schritt S502 aktiviert wird, wird in Schritt S503 die Systemleckage L bestimmt, gefiltert und gespeichert. Dabei kann die Leckage, wie oben bereits erwähnt, mittels eines Druckabfalls pro Zeitinterfall basierend auf die Beziehung $Leckage \approx P_{sys} (t_{2}) - P_{sys} (t_{1}) / (t_{2} - t_{1})$
bestimmt werden.
Die 6 zeigt ein Ablaufdiagramm der Phasen II und III des Verfahrens zur Überwachung eines SCR-Systems, nach einer Ausführungsform der Erfindung. In Schritt S600 wird die Phase II gestartet bzw. aktiviert. Dies kann grundsätzlich unmittelbar im Anschluss an Phase I geschehen, bzw. dann, wenn ein Wert für einen aktuellen Leckagestrom L bestimmt wurde. In der Phase II findet ein Vergleich der angeforderten Einspritzmenge zu der von der Pumpe 106 geförderten Menge statt.
In Schritt S601 wird zunächst geprüft, ob ein Einspritzmengenstrom die als vorgegebene untere Schwelle fungierende, sich aus der bestimmten Leckage ergebende, minimale relevante Dosiermenge Qmin unterschreitet oder nicht. Der Wert der minimalen Dosiermenge Qmin ist, wie gesagt, ausschlaggebend dafür, ob die bestimmten Diagnoseschritte der Phase II momentan durchgeführt werden sollen oder nicht. Falls Qmin nicht erreicht wird, werden die Diagnoseschritte ausgesetzt, bis Qmin wieder erreicht wird. Ungeachtet einer daraus folgenden eventuellen Pausierung der Diagnoseschritte werden die durch das SCR-Verfahren veranlasste Einspritzung des Additivs und die Pumpenförderung ansteuerungsgemäß weiter durchgeführt.
Falls die bestimmte Leckagemenge unterhalb einer unteren Schwelle L_th1 liegt, wird das Verfahren der Phase II kontinuierlich betrieben. In einem solchen Fall beträgt daher die minimale relevante Dosiermenge Qmin effektiv Null oder ist zumindest auf einen hinreichend geringen Wert eingestellt.
Falls die bestimmte Leckagemenge zwischen der unteren Schwelle L_th1 und einem oberen Grenzwert L_th2 liegt, wird das Verfahren der Phase II quasikontinuierlich durchgeführt, was dadurch erreicht wird, dass die minimale relevante Dosiermenge Qmin auf einen bestimmten ausgewählten Wert gesetzt wird, der in Zusammenhang mit der Beschreibung von 4 diskutiert wurde.
In Schritt 602 wird der Pumpenfluss der Pumpe modelliert. Hierbei wird die von der Pumpe 106 geförderte Menge auf Basis eines Volumenstrommodells geschätzt. Das Modell weist geeigneterweise Abhängigkeiten des Pumpenförderverhaltens von seinen Umgebungsparametern, wie zum Beispiel die Temperatur T, die Drehzahl n, der Druck P, usw. auf. Somit gilt für den modellierten bzw. geschätzten Pumpenfluss: $Q_{pump_est} = f (T,n,P) .$
Die Beschreibung des Pumpenförderverhaltens kann dabei zahlreichen Ungenauigkeiten unterworfen sein, die eine robuste Schätzung des von der Pumpe geförderten Volumens erschweren und zu Fehldetektionen der Einspritzmengendiagnose führen können. Deswegen wird später in Phase III der Pumpenfluss plausibilisiert.
In Schritt S603 wird der modellierte Pumpenfluss Q_{pump_est} parallel zu der angeforderten Einspritzmenge Q_req über ein vordefiniertes Mengenintervall integriert, zum Beispiel über 500 mg, entsprechend der vorbestimmten Geamtdosiermenge Q_gesamt, die hier als ein oberer Schellenwert Q_th1 verwendet werden kann. Es wird angenommen, dass die angeforderte Dosiermenge Q_req tatsächlich in den Abgasstrang 102 eindosiert wird, solange kein Fehler vorliegt. Somit wird in Phase II ein entsprechender Sollwert Q_{inj_soll} für die Einspritzmenge bzw. den Einspritzstrom, oder mit anderen Worten, ein angenommener, einzudosierender Wert Q_{inj_soll} betrachtet, was auch in 6 so gezeigt ist. In Schritt S604 wird geprüft, ob der vordefinierte Schwellenwert Q_th1 erreicht wird. Falls dies nicht der Fall ist, kehrt das Verfahren zu Schritt S600 zurück, so dass die Integration weiter fortgeführt wird und gegebenenfalls insbesondere bei Vorliegen einer aktualisierten Dosiermengenanforderung Q_req die Bedingung Q_req bzw. Q_{inj_soll} > Q_min gemäß Schritt S601 erneut überprüft werden kann. Ferner kann auch der Pumpenfluss gemäß Schritt S602 adaptiert werden, falls sich zwischenzeitlich ein relevanter Parameter, wie beispielsweise die Temperatur T, ändert. Wenn die durch den Diagnosezyklus definierte Gesamtdosiermenge Q_gesamt erreicht ist, werden in Schritt S605 die aufintegrierten Größen Q_{inj_soll} und Q_{pumpe_est} miteinander verglichen, um eine Differenz dQ zu ermitteln. Dabei gilt: $\begin{array}{l} dQ (t_{3}, t_{4}) = Q_{pump_est} (t_{3}, t_{4}, T,n,P) - Q_{inj_soll} (t_{3}, t_{4}), bwz . \\ Q_{pump_est} (t_{3}, t_{4}, T,n,P) = Q_{inj_soll} (t_{3}, t_{4}) + dQ (t_{3}, t_{4}) . \end{array}$
Wie ein Vergleich mit der 3 zeigt, wird hier impliziert, dass die Integration sich effektiv auf die Dosierung zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄, bezieht, da nur dort, bei den gegebenen beispielhaften Werten, die Bedingung Q_req > Q_min erfüllt ist.
In Schritt S606 wird die bestimmte Differenz dQ ausgewertet. Wird dabei eine Abweichung dQ um mehr als einen vorbestimmten Wert, hier: 50% innerhalb eines Zeitintervalls von 30 Minuten festgestellt, so wird anschließend unmittelbar, in Schritt S607, die Phase III eingeleitet.
Während der Phase III wird gemäß Schritt S608 zunächst das komplette hydraulische SCR-System 100 entleert. Dazu wird die bidirektionale Pumpe 106 in der Rückförderrichtung betrieben, so dass die Flüssigkeit 101 aus dem System 100 komplett in den Tank 104 zurückgefördert wird. Anschließend wird der Injektor 108 geschlossen und eine Systembefüllung inklusive eines Druckaufbaus gestartet. Dabei wird in Schritt S609 die Anzahl der Pumpenumdrehungen, die zur Systembefüllung notwendig sind, bestimmt. Aus dem konstanten hydraulischen Volumen des Systems 100 und der Anzahl n_{pump_strokes_phase_ III} der Pumpenhübe, die für die Leitungsbefüllung und den Druckaufbau notwendig sind, wird dann das aktuelle Fördervolumen Q_{pumpe_strokes_phase_III} der Pumpe pro Hub bestimmt, wobei gilt $Q_{pump_stroke_phase_III} = f (V_{hyd_sys,} n_{pump_strokes_phase_III}),$
mit V_{hyd_sys}: Volumen des zu befüllenden hydraulischen Teils des SCR-Systems. Daraus wird der aktuelle Pumpenfluss Q_{pumpe_est_2} bestimmt.
In Schritt S610 erfolgt der Vergleich von Q_{pumpe_est_2} mit Q_{pumpe_est} (t₃, t₄, T, n, P)_. Sind beide Werte im Rahmen applizierbarer Grenzen gleich, so dass gilt |Q_{pump_est_2} - Q_{pump_est} | < Q_th2, wobei Q_th2 eine vordefinierte obere Schwelle ist, so ist das in der Phase II geschätzte Fördervolumen der Pumpe 106 als korrekt anzusehen. Folglich gilt der in der Phase II erkannte Fehler als bestätigt, so dass gemäß Schritt S611 ein Fehler bezüglich der vom Injektor 108 eindosierten Menge erkannt wird.
Sind die beiden Werte Q_{pump_est_2} und Q_{pump_est} jedoch stark unterschiedlich, so liegt eine spontane Förderungleichförmigkeit der Pumpe 106 vor, und der in Phase II detektierte Fehler hat sich nicht bestätigt, siehe Schritt S612. In diesem Fall wird das Diagnoseergebnis verworfen, und ein neuer Zyklus wird gestartet. Somit kann zum Beispiel der Tausch einer Komponente, insbesondere der Pumpe, ohne besondere Maßnahmen, wie zum Beispiel eine Kodierung des Volumenstroms oder ein Anlernen der Komponente im System, durchgeführt werden. In Schritt S613 ist das Verfahren beendet.
Wie der Fachmann erkennt, ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können eine Vielzahl von Variationen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne dadurch den Rahmen und den Schutzumfang der Patentansprüche zu verlassen. So sind insbesondere die Reihenfolge der in Zusammenhang mit den gezeigten Figuren beschriebenen Schritte und die Anzahl der Zwischenritte rein exemplarisch und können je nach Anwendungsfall und Ausgestaltung der Ansteuerung variiert werden. Beispielsweise kann eine Prüfung der Größe der aktuellen Dosiermengenanforderung Q_req, ähnlich zu Schritt S601, auch nach der Modellierung des Pumpenflusses durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Überwachung von Komponenten eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems (100) zur Abgasnachbehandlung, bei dem ein Additiv (101) zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas (109) eines Verbrennungsmotors über einen in dem System (100) angeordneten Druckspeicher (107) mittels einer Dosiervorrichtung (108) in den Abgasstrang (102) des Verbrennungsmotors eindosiert wird, aufweisend die Schritte: Bestimmen (S502) einer Leckage bezüglich des Additivs (101), Empfangen einer aktuellen Dosieranforderung (Q_req) als eine aktuell in den Abgasstrang (102) einzubringende Dosiermenge (Q_{inj_soll}) des Additivs (101) pro Zeiteinheit, Bestimmen, in Abhängigkeit von der bestimmten Leckage, einer minimalen relevanten Dosiermenge (Q_min), wobei für einen ersten Zeitbereich (t(3,4)), in dem die Dosieranforderung (Q_req) die minimale Dosiermenge (Q_min) übersteigt, jeweils aktuelle Werte für eine angenommene Fördermenge (Q_{pump_est}) für eine Förderung des Additivs (101) in den in den Druckspeicher (107) und einer angenommenen Dosiermenge (Q_{inj_soll}) für eine Dosierung des Additivs (101) in den Abgasstrang (102) ermittelt werden, wobei bei dem Ermitteln außerhalb des ersten Zeitbereichs (t(3,4)) geförderte oder dosierte Mengen (Q_{pump_est}, Q_{inj_soll}) außer Betracht bleiben, und Bestimmen (S611, S612) eines Fehlerzustands des Systems (100) basierend auf einem Vergleich (S605) der für den ersten Zeitbereich (t (3, 4) ) ermittelten Fördermengen (Q_{pump_est}) und der für den ersten Zeitbereich (t(3,4)) ermittelten Dosiermengen (Q_{inj_soll}), wobei eine vordefinierte Gesamtdosiermenge (Q_gesamt) für einen Dosierzyklus bestimmt wird, wobei die Fördermenge (Q_{pump_est}) und die Dosiermenge (Q_{inj_soll}) des Additivs (101) bei zur Ermittlung von Gesamtmengen jeweils über den Dosierzyklus integriert (S603) werden, wobei der für die Ermittlung verwendete erste Zeitbereich (t(3,4)) zusammenhängend oder nicht zusammenhängend ist und wobei ferner ein Maximalwert für eine Gesamtleckagemenge (L_gesamt) in dem Dosierzyklus gewählt wird, und wobei die minimale relevante Dosiermenge (Q_min) proportional zu einem aktuellen Leckagestrom (L) und der Gesamtdosiermenge (Q_gesamt) und umgekehrt proportional zu der Gesamtleckagemenge (L_gesamt) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leckage basierend auf einen Druckabfall bestimmt wird, der über einen zweiten Zeitbereich (t(1,2)) gemessen wird, in dem kein Fördern von Additiv (101) in den Druckspeicher (107) und kein Dosieren von Additiv (101) in den Abgasstrang (102) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Integration (S603) beendet wird, sobald für die aufintegrierte Dosiermenge (Q_{inj_soll}) ein vordefinierter Schwellenwert (Q_th1), insbesondere der Wert der vordefinierten Gesamtdosiermenge (Q_gesamt), erreicht wird (S604), und ein Vergleich (S606) der aufintegrierten Werte der Fördermenge (Q_{pump_est}) und der Dosiermenge (Q_{inj_soll}) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei dem Bestimmen des Fehlerzustands des Systems (100) bestimmt wird, dass kein Fehler (CDM-Fehler) hinsichtlich der tatsächlich in den Abgasstrang (102) eindosierten Menge (Q_inj) des Additivs vorliegt (S612), wenn bei dem Vergleich festgestellt wird, dass der Betrag der gesamten aufintegrierten Fördermenge (Q_{pump_est}) um weniger als einen vorbestimmten Faktor von dem Betrag der gesamten aufintegrierten Dosiermenge (Q_{inj_soll}) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die jeweiligen aktuellen Werte für die Fördermenge (Q_{pump_est}) auf einem zunächst angenommen bestimmten Pumpenfluss (Q_{pump_est}) basieren und wobei, wenn bei dem Vergleich (S606) festgestellt wird, dass der Wert der aufintegrierten angenommenen Fördermenge (Q_{pump_est}) um nicht mehr als einen vorbestimmten Faktor von dem Wert der aufintegrierten angenommenen Dosiermenge (Q_{inj_soll}) abweicht (S606), zuerst der Druckspeicher (107) entleert wird, und anschließend eine Befüllung (S608) des Druckspeichers (107) zum Bestimmen eines aktualisierten anzunehmenden Pumpenflusses (Q_{pump_est_2}) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zunächst angenommene Pumpenfluss (Q_{pump_est}) basierend auf ein Modell bestimmt wird (S602), das eine Abhängigkeit von einer Temperatur (T), einer Pumpendrehzahl (n), und/oder einem Druck (P) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Vergleich des zunächst angenommen Pumpenflusses (Q_{pump_est}) mit dem aktualisierten Pumpenfluss (Q_{pump_est_2}) durchgeführt wird, wobei, wenn der Vergleich (S610) der Pumpenflüsse (Q_pump__est, Q_{pump_est_2}) eine Abweichung um nicht mehr als einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert (Q_th2) ergibt, bei dem Bestimmen des Fehlerzustands des Systems (100) bestimmt wird, dass kein Fehler (CDM-Fehler) hinsichtlich der tatsächlich in den Abgasstrang (102) eindosierten Menge (Q_inj) des Additivs vorliegt (S612), und andernfalls ein solcher Fehler (CDM-Fehler) erkannt wird (S611).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn die bestimmte Leckage einen Wert unterhalb eines ersten Leckageschwellenwerts (L_th1) aufweist, die minimale relevante Dosiermenge (Q_min) so gewählt wird, dass die Ermittlung der aktuellen Werte für die Fördermenge (Q_{pump_est}) und die Dosiermenge (Q_{inj_soll}) kontinuierlich durchgeführt wird, insbesondere derart, dass auch ein Zeitintervall (t(4,5)), in dem kein Dosieren des Additivs (101) erfolgt, mit einbezogen werden kann bei dem Vergleich, basierend auf den der Fehlerzustand bestimmt wird, und wobei das Verfahren nur dann durchgeführt wird, wenn die bestimmte Leckage einen zweiten Leckageschwellenwert (L_th2), der größer als der erste Leckageschwellenwert (L_th1) ist, nicht übersteigt.