DE102016224667A1 - Verfahren zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosiersystems, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Steuergerät-Programm sowie Steuergerät-Programmprodukt - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosiersystems, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Steuergerät-Programm sowie Steuergerät-Programmprodukt Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosiersystems (12), bei welchem wenigstens ein Dosierventil (14, 16) ein Reagenzmittel stromaufwärts vor wenigstens einen SCR-Katalysator (18) dosiert, der in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine (10) beziehungsweise Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Dosierventile (14, 16) vorgesehen sind, dass die maximale vorgebbare Dosierrate (26) des Reagenzmittel-Dosiersystems (12) höher ist als die maximale mögliche Dosierrate (27, 52) jedes Dosierventils (14, 16), dass in einer ersten Betriebsart der Dosierventile (14, 16) nur das erste Dosierventil (14) bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate (27) betrieben wird und eine höhere erforderliche Dosierrate (26) vom zweiten Dosierventil (16) bereitgestellt wird und dass nach dem Erreichen eines Schwellenwerts (46, 50) eine zweite Betriebsart der Dosierventile (14, 16) vorgegeben wird, in welcher nur das zweite Dosierventil (16) bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate (52) betrieben wird und eine erforderliche höhere Dosierrate (26) vom ersten Dosierventil (14) bereitgestellt wird. Als Schwellenwert (46, 50) kann ein Betriebsdauer-Schwellenwert (46) oder ein Fahrstrecken-Schwellenwert (50) vorgegeben werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reagenzmittel-Dosiersystem, bei welchem zumindest ein Dosierventil ein Reagenzmittel stromaufwärts vor wenigstens einen SCR-Katalysator dosiert, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuergerät-Programm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Steuergerät abläuft.
  • Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät-Programmprodukt mit Programmcode, das 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 Absatzgesetzgebungen (Euro 6, Tier 2 Bin 5 und weiterführende Emissionsvorschriften) zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffoxide bzw. Stickoxide (NOx) im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist bekannt, im Abgasbereich von Brennkraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der im Abgas enthaltene Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert.
  • Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Bei Ablauf der Reduktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Daher werden NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzmittel in den Abgaskanal eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (HWL = Harnstoffwasserlösung) als Vorstufe eines Reagenzmittels verwendet, die 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. Um in einem SCR-Katalysatorsystem hohe Umsatzraten der zu reduzierenden Stickoxide zu erzielen, muss der SCR-Katalysator so betrieben werden, dass er ständig bis zu einem gewissen Niveau mit dem Reduktionsmittel Ammoniak befüllt ist. Die DE 10 2004 031 624 A1 beschreibt beispielsweise, wie eine solche Prozessführung für ein SCR-Katalysatorsystem auf Basis des Ammoniakfüllstandes aufgebaut werden kann.
  • In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 085 952 A1 ist ein Reagenzmittel-Dosiersystem beschrieben, bei welchem im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine in Strömungsrichtung zwei hintereinander angeordnete SCR-Katalysatoren vorgesehen sind, wobei der erste SCR-Katalysator als eine katalytische Beschichtung in einem Partikelfilter realisiert ist. Vorgesehen ist nur ein Dosierventil, das stromaufwärts vor den ersten SCR-Katalysator ein Reagenzmittel dosiert.
  • Handelsübliche Dosierventile sind für eine bestimmte maximal mögliche Dosierrate spezifiziert. Während des Betriebs eines Dosierventils tritt aufgrund mechanisch bewegter Teile des Dosierventils ein Verschleiß auf, der mit einer Änderung der Dosierrate bei gleichbleibender Ansteuerung des Dosierventils einhergeht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosiersystems, bei welchem wenigstens ein Dosierventil ein Reagenzmittel stromaufwärts vor wenigstens einen SCR-Katalysator dosiert, der in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine bzw. Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Dosierventile vorgesehen sind, dass die maximal vorgebbare Dosierrate des Reagenzmittel-Dosiersystems höher ist als die maximal mögliche Dosierrate jedes Dosierventils, dass in einer ersten Betriebsart der Dosierventile nur das erste Dosierventil bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate betrieben wird und eine höhere erforderliche Dosierrate vom zweiten Dosierventil bereitgestellt wird und dass nach dem Erreichen eines Betriebsdauer-Schwellenwerts oder eines Fahrstrecken-Schwellenwerts eine zweite Betriebsart der Dosierventile vorgegeben wird, in welcher nur das zweite Dosierventil bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate betrieben wird und eine erforderliche höhere Dosierrate vom ersten Dosierventil bereitgestellt wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht einen geringeren Wartungsaufwand durch eine längere Betriebsdauer der Dosierventile.
  • Aufgrund des geringeren Verschleißes wird eine gleichbleibende Dosierrate bei gleicher Ansteuerung erreicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann vollständig im Rahmen einer Software implementiert werden.
  • Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind Gegenstände jeweils von abhängigen Verfahrensansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht ein Steuergerät vor, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens speziell hergerichtet ist.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät-Programm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Steuergerät abläuft. Dies ermöglicht es, unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu implementieren, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen.
  • Hierzu kann das erfindungsgemäße Steuergerät-Programmprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt ein Reagenzmittel-Dosiersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
    • Figuren-2a, 2b zeigen Ansteuerungen von zwei Dosierventilen in einer ersten Betriebsart und
    • 3a, 3b zeigen Ansteuerungen von zwei Dosierventilen in einer zweiten Betriebsart.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10, in deren Abgasbereich ein Reagenzmittel-Dosiersystem 12 zur Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine 10 vorgesehen ist. Das Reagenzmittel-Dosiersystem 12 enthält ein erstes und zweites Dosierventil 14, 16. Die Dosierventile 14, 16 dosieren ein Reagenzmittel stromaufwärts vor einen SCR-Katalysator 18. Bei dem Reagenzmittel handelt es sich beispielsweise um die eingangs erwähnte Harnstoff-Wasser-Lösung, die eine Vorstufe des Reagenzmittels Ammoniak darstellt, welches im SCR-Katalysator 18 zur Konvertierung von NOx-Komponenten des Abgases der Brennkraftmaschine 10 benötigt wird.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Dosierventile 14, 16 stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator 18 angeordnet. In einem anderen, nicht näher gezeigten Ausführungsbeispiel, können auch mehr als zwei Dosierventile 14, 16 vorgesehen sein. Weiterhin ist ein Ausführungsbeispiel denkbar, bei welchem das Reagenzmittel-Dosiersystem 12 mehrere in Abgas-Strömungsrichtung hintereinander positionierte SCR-Katalysatoren 18 aufweist, wobei die Dosierventile 14, 16 stromaufwärts vor dem ersten SCR-Katalysator 18 oder jeweils ein oder mehrere Dosierventile 14, 16 stromaufwärts vor jedem SCR-Katalysator 18 angeordnet sein können.
  • Vorgesehen ist ein speziell hergerichtetes Steuergerät 20, welches dem ersten Dosierventil 14 ein erstes Ansteuersignal 22 und demzweiten Dosierventil 16 ein zweites Ansteuersignal 24 zur Verfügung stellt. Die Ansteuersignale 22, 24 legen die einzustellende Dosierrate 26 des Reagenzmittel-Dosiersystems 12 fest. Die Dosierrate 26 sowie die zur Einstellung der Dosierrate 26 vorgesehenen Ansteuersignale 22, 24 der Dosierventile 14, 16 sind in den 2a, 2b, 3a und 3b für unterschiedliche Betriebsarten der Dosierventile 14, 16 dargestellt.
  • Die 2a und 2b zeigen die Ansteuersignale 22, 24 der Dosierventile 14, 16 in einer ersten Betriebsart der Dosierventile 14, 16, wobei 2a einen ersten Betriebszustand und 2b einen zweiten Betriebszustand innerhalb der ersten Betriebsart widerspiegeln.
  • Im ersten Betriebszustand gemäß 2a kann die erforderliche Dosierrate 26 von nur einem Dosierventil 14, 16 aufgebracht werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird im ersten Betriebszustand nur das erste Dosierventil 14 mittels des ersten Ansteuersignals 22 angesteuert. Die Ansteuerung nur des ersten Dosierventils 14 ist bis zum Erreichen einer maximal möglichen Dosierrate 27 des ersten Dosierventils 14 vorgesehen. Im ersten Betriebszustand wird das zweite Dosierventil 16 nicht angesteuert.
  • 2b zeigt den zweiten Betriebszustand innerhalb der ersten Betriebsart der Dosierventile 14, 16. Im zweiten Betriebszustand reicht die maximal mögliche Dosierrate 27, die vom ersten Dosierventil 14 aufgebracht werden kann, nicht mehr aus, um die erforderliche Dosierrate 26 aufzubringen. Der Anteil der erforderlichen Dosierrate 26, der nicht mehr vom ersten Dosierventil 14 aufgebracht werden kann, wird durch eine Ansteuerung des zweiten Dosierventils 16 mittels des zweiten Ansteuersignals 24 bereitgestellt.
  • Die Dosierrate 26 wird von einer im Steuergerät 20 vorhandenen Dosierraten-Festlegung 28 in Abhängigkeit beispielsweise von der Last 30 der Brennkraftmaschine 10 und/oder in Abhängigkeit von einem NOx-Signal 32 festgelegt, welches wenigstens ein nicht näher gezeigter NOx-Sensor bereitstellt, der stromabwärts nach dem SCR-Katalysator 18 und/oder stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator 18 angeordnet sein kann. Darüber hinaus kann die Dosierrate 26, alternativ oder zusäthlich in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen 34 festgelegt werden.
  • Die von der Dosierraten-Festlegung 28 ermittelte Dosierrate 26 setzt eine Ansteuerung 36 in die beiden Ansteuersignale 22, 24 um. Die Ansteuerung 36 enthält eine Vorranganordnung 38, die in der ersten Betriebsart der Dosierventile 14, 16 zunächst das erste Dosierventil 14 bis zu der maximal möglichen Dosierrate 27 des ersten Dosierventils 14 ansteuert und erst bei einer höheren geforderten Dosierrate 26 das zweite Dosierventil 16 ansteuert.
  • Nach einer vorgegebenen Betriebsdauer der Brennkraftmaschine 10 wird die Betriebsart der Dosierventile 14, 16 in eine zweite Betriebsart umgeschaltet. Alternativ zu einer vorgegebenen Betriebsdauer kann auch eine vorgegebene Fahrstrecke eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, in welchem die Brennkraftmaschine 10 eingesetzt ist.
  • Zur Umschaltung in die zweite Betriebsart wird der Vorranganordnung 38 ein Umschaltsignal 40 zur Verfügung gestellt, welches ein Vergleicher 42 bereitstellt. Der Vergleicher 42 vergleicht eine Betriebsdauer 44 des Reagenzmittel-Dosiersystems 12 mit einem Betriebsdauer-Schwellenwert 46. Der Betriebsdauer-Schwellenwert 46 kann beispielsweise im Bereich von 1.000 - 10.000 Stunden liegen.
  • Alternativ vergleicht der Vergleicher 42 die Fahrstrecke 48 des Kraftfahrzeugs mit einem Fahrstrecken-Schwellenwert 50. Der Fahrstrecken-Schwellenwert 50 kann beispielsweise im Bereich von 50.000 km - 500.000 km liegen.
  • Der Schwellenwert 46, 50 hängt insbesondere vom Typ der Brennkraftmaschine 10 sowie deren Einsatzgebiet ab. Bei kleineren Brennkraftmaschinen 10, insbesondere solche, welche in Personen-Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, liegt der Schwellenwert 46, 50 niedriger als bei größeren Brennkraftmaschinen 10, welche beispielsweise in Nutzfahrzeugen angeordnet sind. Ein noch höherer Schwellenwert 46, 50 kann vorgegeben sein, wenn die Brennkraftmaschine 10 stationär oder beispielsweise in Baumaschinen mit überwiegend stationärem Einsatz betrieben wird.
  • Nachdem das Umschaltsignal 40 vom Vergleicher 42 bereitgestellt wird, schaltet die Vorranganordnung 38 in die zweite Betriebsart der Dosierventile 14, 16 um.
  • Die Verhältnisse, die nach dem Auftreten des Umschaltsignals 40 vorliegen, sind in den 3a und 3b gezeigt.
  • 3a zeigt die Realisierung einer vorzugebenden Dosierrate 26 in einem ersten Betriebszustand in der zweiten Betriebsart. In der zweiten Betriebsart wird nur das zweite Dosierventil 16 angesteuert, sofern das zweite Dosierventil 16 die Dosierrate 26 allein aufbringen kann. Das zweite Dosierventil 16 wird bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate 52 betrieben, während das erste Dosierventil 14 nicht angesteuert wird.
  • Die maximal mögliche Dosierrate 52 des zweiten Dosierventils 16 stimmt bei identischen Dosierventilen 14, 16 mit der maximal möglichen Dosierrate 27 des ersten Dosierventils 14 überein. Gegebenenfalls können unterschiedliche Dosierventile 14, 16 eingesetzt werden, die unterschiedliche maximale Dosierraten 27, 52 bereitstellen können.
  • Sofern die angeforderte Dosierrate 26 in der zweiten Betriebsart der Dosierventile 14, 16 oberhalb der vom zweiten Dosierventil 16 maximal möglichen Dosierrate 52 liegt, wird zusätzlich das erste Dosierventil 14 angesteuert, um die erforderliche Dosierrate 26 bereitstellen zu können.
  • Nachdem die Betriebsdauer 44 erneut den Betriebsdauer-Schwellenwert 46 oder die Fahrstrecke 48 den Fahrstrecken-Schwellenwert 50 erreicht hat, kann von der zweiten Betriebsart der Dosierventile 14, 16 wieder zurück in die erste Betriebsart geschaltet werden.
  • Die Umschaltung zwischen den Betriebsarten der Dosierventile 14, 16 sorgt dafür, dass bei einer maximal möglichen Betriebsdauer der Dosierventile 14, 16 in Abhängigkeit von der angeforderten Dosierrate 26 hauptsächlich nur jeweils ein einziges Dosierventil 14, 16 angesteuert wird, sodass der Verschleiß der beiden Dosierventile 14, 16 zunächst hauptsächlich beim ersten Dosierventil 14 und anschließend nach dem Umschalten der Betriebsart erst beim zweiten Dosierventil 16 zum Tragen kommt. Damit kann ohne Austausch eines Dosierventils 14, 16 ein längeres Wartungsintervall erzielt werden. Darüber hinaus wird die geforderte Dosierrate mit höherer Genauigkeit während der gesamten Betriebsdauer des Reagenzmittel-Dosiersystems 12 eingehalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004031624 A1 [0005]
    • DE 102011085952 A1 [0006]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosiersystems (12), bei welchem wenigstens ein Dosierventil (14, 16) ein Reagenzmittel stromaufwärts vor wenigstens einen SCR-Katalysator (18) dosiert, der in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Dosierventile (14, 16) vorgesehen sind, dass die maximale vorgebbare Dosierrate (26) des Reagenzmittel-Dosiersystems (12) höher ist als die maximale mögliche Dosierrate (27, 52) jedes Dosierventils (14, 16), dass in einer ersten Betriebsart der Dosierventile (14, 16) nur das erste Dosierventil (14) bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate (27) betrieben wird und eine höhere erforderliche Dosierrate (26) vom zweiten Dosierventil (16) bereitgestellt wird und dass nach dem Erreichen eines Betriebsdauer-Schwellenwerts (46) eine zweite Betriebsart der Dosierventile (14, 16) vorgegeben wird, in welcher nur das zweite Dosierventil (16) bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate (52) betrieben wird und eine erforderliche höhere Dosierrate (26) vom ersten Dosierventil (14) bereitgestellt wird.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosiersystems (12), bei welchem wenigstens ein Dosierventil (14, 16) ein Reagenzmittel stromaufwärts vor wenigstens einen SCR-Katalysator (18) dosiert, der in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist, welche in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Dosierventile (14, 16) vorgesehen sind, dass die maximale vorgebbare Dosierrate (26) des Reagenzmittel-Dosiersystems (12) höher ist als die maximale mögliche Dosierrate (27, 52) jedes Dosierventils (14, 16), dass in einer ersten Betriebsart der Dosierventile (14, 16) nur das erste Dosierventil (14) bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate (27) betrieben wird und eine höhere erforderliche Dosierrate (26) vom zweiten Dosierventil (16) bereitgestellt wird und dass nach dem Erreichen eines Fahrstrecken-Schwellenwerts (50) des Kraftfahrzeugs eine zweite Betriebsart der Dosierventile (14, 16) vorgegeben wird, in welcher nur das zweite Dosierventil (16) bis zu seiner maximal möglichen Dosierrate (52) betrieben wird und eine erforderliche höhere Dosierrate (26) vom ersten Dosierventil (14) bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdauer-Schwellenwert (46) im Bereich von 1.000 - 10.000 Betriebsstunden liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrstrecken-Schwellenwert (50) im Bereich von 50.000 - 500.000 km liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dosierventile (14, 16) das Reagenzmittel stromaufwärts vor einen einzigen SCR-Katalysator (18) dosieren.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei SCR-Katalysatoren (18) vorgesehen sind und dass jeweils wenigstens ein Dosierventil (14, 16) das Reagenzmittel stromaufwärts vor jeweils einen SCR-Katalysator (18) dosiert.
  7. Vorrichtung zum Betreiben eines Reagenzmittel-Dosiersystems (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein speziell hergerichtetes Steuergerät (20) zur Durchführung der Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
  8. Steuergerät-Programm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 ausführt, wenn es auf einem Steuergerät (20) abläuft.
  9. Steuergerät-Programmprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, wenn das Programm auf einem Steuergerät (20) ausgeführt wird.
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