DE102018213383A1

DE102018213383A1 - Verfahren zum Erkennen einer Manipulation eines Abgasnachbehandlungssystems

Info

Publication number: DE102018213383A1
Application number: DE102018213383.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Bergmann; Bruno de Almeida; Florian Dencker; Juergen Nuessle; Andreas Mendyk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Manipulation eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors. Hierbei wird eine tatsächlich eindosierte Menge eines Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels mit einer erwarteten Menge verglichen (35) Die Manipulation wird anhand eines Ergebnisses des Vergleichs (35) erkannt (36).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Manipulation eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Zur Verminderung schädlicher Emissionen von Verbrennungsmotoren kommen stromabwärts des Verbrennungsmotors Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, deren Ziel es ist, die Partikel- und Stickoxidkonzentrationen im Abgas zu senken. Die hierfür verwendeten Filter und Katalysatoren erfordern, dass Oxidationsmittel und/oder Reduktionsmittel in den Abgasstrang eingebracht werden. So werden beispielsweise Kohlenwasserstoffe zur exothermen chemischen Umsetzung in einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) eingespritzt, um einen Dieselpartikelfilter (DPF) zu regenerieren. Ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) benötigt hingegen zur selektiven katalytischen Reduktion eine Harnstoffwasserlösung, die stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrang eingespritzt wird und Ammoniak abspaltet, welches im SCR-Katalysator als Reduktionsmittel fungiert.
Die Funktionssicherheit derartiger Abgaskatalysatorsysteme wird im täglichen Betrieb überwacht. Diese Überwachung erfolgt typischerweise nachdem eine Freigabe des Systems vorliegt. Dabei wird das System elektrisch und hydraulisch überwacht, es erfolgt jedoch keine explizite Überwachung auf eine Manipulation des Systems von außen. Wenn beispielsweise durch die Manipulation eines Sensorsignals ein SCR-Katalysatorsystem nie eine Freigabe erhält, so wird auch keine Überwachung aktiviert, die einen Fehler erkennen und melden würde. Eine derartige Manipulation kann beispielsweise vom Fahrer eines Kraftfahrzeugs vorgenommen werden, der den Verbrauch an Harnstoffwasserlösung verringern möchte.
Eine Möglichkeit der Erkennung von Sensormanipulationen basiert auf der Verschlüsselung der Kommunikation zwischen den Sensoren und einem elektronischen Steuergerät. Durch die Verschlüsselung der Kommunikation kann ein hoher Grad an Manipulationssicherheit erreicht werden. Die Verschlüsselung hat aber auch einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtsystemkosten und erfordert auch eine Verschlüsselung von analogen Sensorsignalen wie z. B. den Signalen von Temperatursensoren. Da die Verschlüsselung im Wesentlichen nur der Vermeidung von Manipulationen von außen dient, ist sie sehr kostenintensiv.
Offenbarung der Erfindung
In dem Verfahren zum Erkennen einer Manipulation eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors wird eine tatsächlich eindosierte Menge eines Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels mit einer erwarteten Menge verglichen. Die Manipulation wird anhand eines Ergebnisses des Vergleichs erkannt. In dem Verfahren erfolgt also eine Plausibilisierung des tatsächlichen Verbrauchs des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels mit einem theoretischen Verbrauch. Dies erfordert keine baulichen Änderungen an den Sensoren des Abgasnachbehandlungssystems und es sind auch keine zusätzlichen Sensoren erforderlich. Hierdurch werden die Gesamtkosten des Abgasnachbehandlungssystems nicht beeinflusst.
Grundsätzlich kann das Verfahren verwendet werden, um die Manipulationssicherheit jedes Abgasnachbehandlungssystems zu erhöhen, welches ein in den Abgasstrang eingespritztes Oxidationsmittel oder Reduktionsmittel verwendet. Insbesondere ist das Verfahren jedoch für Abgasnachbehandlungssysteme geeignet, welche mindestens einen SCR-Katalysator aufweisen. Erfahrungen zeigen, dass SCR-Katalysatorsysteme besonders häufig Manipulationsversuchen ausgesetzt sind. Da ein SCR-Katalysatorsystem allerdings einen eigenen Tank zur Bevorratung einer Reduktionsmittellösung und ein eigenes Fördermodul aufweist, lässt es sich mittels des Verfahrens auch besonders einfach auf Manipulationen überwachen.
Der Vergleich erfolgt in einer Ausführungsform des Verfahrens, indem die tatsächlich eindosierte Menge des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels aus einer angeforderten eindosierten Menge des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels ermittelt wird. Die angeforderte Menge wird dabei typischerweise in einem elektronischen Steuergerät erfasst. Diese wird über die Zeit integriert, um so ein erstes Integral zu erhalten. Die erwartete eindosierte Menge des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels wird ermittelt und ebenfalls über die Zeit integriert, um so ein zweites Integral zu erhalten. Wenn das erste Integral mindestens um einen Schwellenwert vom zweiten Integral abweicht, ist der Verbrauch des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels nicht plausibel und es wird eine Manipulation erkannt.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens, in welcher das Abgaskatalysatorsystem mindestens einen SCR-Katalysator aufweist, wird die erwartete eindosierte Menge des Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstoffwasserlösung, ebenfalls ermittelt und über die Zeit integriert, um auf diese Weise ein Integral zu erhalten. Die tatsächlich eindosierte Menge wird ermittelt, indem eine Füllstandsdifferenz in einem Reduktionsmitteltank des Abgasnachbehandlungssystems zwischen dem Beginn und dem Ende des Integrationszeitraums berechnet wird. Um diese Berechnung zu ermöglichen, kann der Füllstand des Reduktionsmitteltanks zu Beginn des Integrationszeitraums abgespeichert werden und am Ende des Integrationszeitraums mit einem neuen Messwert des Füllstands verglichen werden. In dieser Ausführungsform wird eine Manipulation erkannt, wenn das Integral mindestens um einen Schwellenwert von der auf diese Weise ermittelten tatsächlich eindosierten Menge abweicht.
Das Verfahren sieht in unterschiedlichen Ausführungsformen verschiedene Möglichkeiten vor, die erwartete Menge zu ermitteln:
In einer Ausführungsform wird die erwartete Menge aus einem Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors ermittelt. Diese Ermittlung kann auf der Grundlage eines bekannten Zusammenhangs zwischen dem Kraftstoffverbrauch und dem Verbrauch des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels erfolgen. So ist beispielsweise für SCR-Katalysatorsysteme bekannt, dass der typische Verbrauch der Harnstoffwasserlösung eines modernen LKWs bei etwa 5% des Kraftstoffverbrauchs liegt.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die erwartete Menge aus einem Stickoxidrohemissionsmodell des Verbrennungsmotors ermittelt. Dieses kann anhand des aktuellen Motorbetriebspunkts modellieren wie viele Stickoxide bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor entstehen. Anhand der modellierten Stickoxidrohemissionen kann dann die für die Abgasnachbehandlung erforderliche Menge an Oxidationsmittel oder Reduktionsmittel ermittelt werden. Handelt es sich bei dem Abgasnachbehandlungssystem um ein SCR-Katalysatorsystem, so kann beispielsweise die erforderliche Menge an Harnstoffwasserlösung berechnet werden. Dieses Vorgehen führt zu einer genaueren Ermittlung der erwarteten Menge als eine Ermittlung auf der Grundlage des Kraftstoffverbrauchs, da bei der Entstehung von Stickoxiden die Umstände der innermotorischen Verbrennung wie beispielsweise große Hitze und Luftüberschuss, welche die Bildung von Stickoxiden begünstigen, nicht unmittelbar aus dem Kraftstoffverbrauch ableitbar sind.
In noch einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die erwartete Menge aus der Länge von Zeiträumen ermittelt, in denen ein Dosierventil des Abgasnachbehandlungssystems dosierbereit ist. Ein SCR-Katalysatorsystem geht beispielsweise in den Status „dosierbereit“, wenn verschiedene systemische Voraussetzungen erfüllt sind. Dies muss innerhalb einer bestimmten Zeit geschehen, sonst erfolgt laut aktueller Gesetzgebung eine Leistungslimitierung (Inducement) des Verbrennungsmotors, dessen Abgase mit dem Abgasnachbehandlungssystem nachbehandelt werden. Solange das System in diesem Status verbleibt, kann davon ausgegangen werden, dass auch Dosierungen abgesetzt werden sollen. Hieraus kann auf die erwartete Menge geschlossen werden.
Eine Freigabe des Verfahrens erfolgt insbesondere erst dann, wenn man davon ausgehen kann, dass die Abgasnachbehandlung aktiv sein muss. Hierzu erfolgt eine Freigabe des Vergleichs vorzugsweise in Abhängigkeit von mindestens einem Freigabekriterium, dass ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einer Temperatur des Verbrennungsmotors, einer Zeit, die seit dem Start des Verbrennungsmotors verstrichen ist und einer Wegstrecke, die von einem Kraftfahrzeug zurückgelegt wurde, das von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Hierbei handelt es sich um Informationen, die nicht manipuliert werden können oder deren Manipulation Auswirkungen auf das Verhalten des Verbrennungsmotors hätte.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Freigabe des Vergleichs in Abhängigkeit von Wetterdaten erfolgt. Dies erhöht die Robustheit der Manipulationserkennung, da beispielsweise erkannt werden kann, ob ein Reduktionsmitteltank des Abgasnachbehandlungssystems potenziell eingefroren sein könnte. In diesem Fall wäre es möglich, die Bedingungen zur Freigabe entsprechend anzupassen, so dass eine Freigabe des Vergleichs erst erfolgt, nachdem das System laut den gesetzlichen Anforderungen aufgetaut sein muss. Die Wetterdaten können beispielsweise in Abhängigkeit von GPS-Daten eines Kraftfahrzeugs, das vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, für die aktuelle Fahrzeugposition aus dem Internet ermittelt werden.
Wenn eine Manipulation erkannt wird, kann beispielsweise durch ein Motormanagement eine Leistungslimitierung (Inducement) des Verbrennungsmotors erfolgen, wodurch ein von dem Verbrennungsmotor angetriebenes Kraftfahrzeug in einen Limp-Home-Mode gezwungen wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass im Falle einer erkannten Manipulation eine Spedition oder eine Service-Werkstatt informiert werden. Es könnte dem Kraftfahrzeug im Falle einer Manipulation auch untersagt werden, in Umweltzonen einzufahren. Weiterhin kann die Information über das Vorliegen einer Manipulation bei einer Mautberechnung berücksichtigt werden. Die Höhe der Maut ergibt sich üblicherweise unter anderem aus der Schadstoffklasse des Kraftfahrzeugs. Da diese im Fall einer Manipulation nicht mehr zutrifft, kann eine höhere Gebühr berechnet werden.
Das Computerprogramm, ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät abläuft. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird ein elektronisches Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine Manipulation eines Abgasnachbehandlungssystems zu erkennen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt schematisch ein Abgasnachbehandlungssystem, welches mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Manipulationen überwacht werden kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In der 1 ist eine Dosiereinrichtung eines Abgasnachbehandlungssystems zur Eindosierung von Harnstoffwasserlösung (HWL) als Reduktionsmittel 21 in den Abgasstrang 10 eines Verbrennungsmotors 11 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Abgasnachbehandlungssystem dient in an sich bekannter Weise zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas des Verbrennungsmotors 11 mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR). Für die Reduktion wird die Reduktionsmittellösung 21 stromaufwärts eines SCR-Katalysators 12 über ein Dosierventil 13 in den Abgasstrang 10 eingespritzt. Das Reduktionsmittel 21 wird in dem Reduktionsmitteltank 14 bevorratet. Zu seiner Entnahme ist eine Saugleitung 15 vorgesehen, die mit einer Förderpumpe 16 verbunden ist. Diese leitet das Reduktionsmittel 21 durch eine Druckleitung 17 zum Dosierventil 13. Ein erster Stickoxidsensor 18 ist zwischen dem Verbrennungsmotor 11 und dem Dosierventil 13 im Abgasstrang 10 angeordnet. Ein zweiter Stickoxidsensor 19 ist stromabwärts des SCR-Katalysators 12 im Abgasstrang 10 angeordnet. Ein Füllstandsensor 20 ist im Reduktionsmitteltank 14 angeordnet, um den Füllstand der darin bevorrateten HWL zu messen. Er gibt seine Sensordaten an ein elektronisches Steuergerät 22 weiter, dem auch die Daten der beiden Stickoxidsensoren 18, 19 zur Verfügung gestellt werden.
Durch Manipulation der Stickoxidsensoren 18, 19 kann verhindert werden, dass in dem elektronisches Steuergerät 22 eine Freigabe für das Eindosieren von Reduktionsmittel 21 in den Abgasstrang 10 erfolgt. Um eine solche Manipulation zu erkennen, wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Start des Verbrennungsmotors 11 mit dem Schritt 30 gestartet, wie in 2 dargestellt ist. Eine erste Freigabe 31 erfolgt, wenn Freigabekriterien jeweils einen vorgegebenen Mindestwert erreicht haben. Bei diesen Freigabekriterien handelt es sich um eine Temperatur T des Verbrennungsmotors 11, die anhand eines nicht dargestellten Temperatursensors in seinem Kühlwasserkreislauf ermittelt werden kann, um eine Zeit Δt₁ , die seit dem Start des Verbrennungsmotors 11 verstrichen ist, und um eine Wegstrecke s, die von dem Kraftfahrzeug zurückgelegt wurde. Eine zweite Freigabe 32 erfolgt, wenn aus dem Internet heruntergeladene Wetterdaten W für die aktuelle Position des Kraftfahrzeugs ausschließen, dass das Reduktionsmittel 21 im Reduktionsmitteltank 14 eingefroren ist. Nachdem beide Freigaben erfolgt sind, wird für einen vorgegebenen Zeitraum eine im elektronischen Steuergerät 22 angeforderte eindosierte Menge m des Reduktionsmittels 21 ermittelt und über die Zeit integriert 33. Hierdurch wird ein erstes Integral erhalten. Im selben Zeitraum wird aus dem Kraftstoffverbrauch V des Verbrennungsmotors 11 eine erwartete eindosierte Menge des Reduktionsmittels 21 ermittelt und ebenfalls über die Zeit integriert 34. Auf diese Weise wird ein zweites Integral erhalten. In einem Vergleich 35 wird überprüft, ob das zweite Integral das erste Integral mindestens um einen Schwellenwert s unterschreitet. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, so wird auch keine Manipulation erkannt. Anderenfalls erfolgt ein Erkennen 36 der Manipulation. Es erfolgt eine Meldung 37 der Manipulation, indem ein Fehlereintrag im elektronischen Steuergerät 22 erzeugt wird, und diese Information außerdem drahtlos an eine Service-Werkstatt weitergegeben wird. Außerdem werden Maßnahmen 38 eingeleitet, um hohe Stickoxidemissionen aufgrund des wegen der Manipulation nicht richtig funktionierenden SCR-Katalysators 12 zu begrenzen. Hierzu wird die Leistung des Verbrennungsmotors 11 begrenzt und im elektronischen Steuergerät 22 wird eine Funktion aktiviert, welche den Verbrennungsmotor 11 beim Versuch in eine Umweltzone einzufahren, vollständig stilllegt. Das Verfahren endet mit dem Schritt 39.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt das Ermitteln der erwarteten eindosierten Menge des Reduktionsmittels 21 und die Integration über die Zeit 34 nicht auf der Grundlage des Kraftstoffverbrauchs V des Verbrennungsmotors 11, sondern auf der Grundlage eines Stickoxidrohemissionsmodells NOx des Verbrennungsmotors 11. In einem dritten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die erwartete eindosierte Menge im Schritt 34 aufgrund eines Zeitraums Δt₂ ermittelt, indem das Dosierventil 13 im elektronischen Steuergerät 22 den Status „dosierbereit“ aufweist.
In weiteren Ausführungsbeispielen des Verfahrens erfolgt im Schritt 33 keine Integration einer tatsächlich eindosierten Menge auf der Grundlage einer angeforderten eindosierten Menge m. Stattdessen wird am Beginn des Integrationszeitraums der Integration im Schritt 34 ein mittels des Füllstandsensors 20 gemessener Füllstand des Reduktionsmitteltanks 14 abgespeichert. Am Ende des Integrationszeitraums wird der Füllstand mittels des Füllstandsensors 20 erneut bestimmt, um so eine Füllstandsdifferenz Δf zu erhalten. Aus dieser Füllstandsdifferenz Δf und der bekannten Geometrie des Reduktionsmitteltanks 14 wird der Reduktionsmittelverbrauch im Integrationszeitraum ermittelt, welcher der tatsächlich eindosierten Menge entspricht. Im Schritt 35 wird diese tatsächlich eindosierte Menge mit dem Integral aus dem Schritt 34 verglichen und es wird überprüft, ob das Integral die tatsächlich eindosierte Menge mindestens um den Schwellenwert s unterschreitet. Auch bei diesem Vorgehen im Schritt 33 kann im Schritt 34 die erwartete eindosierte Menge wahlweise auf der Grundlage des Kraftstoffverbrauchs V, auf der Grundlage eines Stickoxidrohemissionsmodells NOx oder auf der Grundlage eines Zeitraums Δt₂ der Dosierbereitschaft ermittelt werden.

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Manipulation eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors (11), worin eine tatsächlich eindosierte Menge eines Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels (21) mit einer erwarteten Menge verglichen (35) wird und die Manipulation anhand eines Ergebnisses des Vergleichs (35) erkannt wird (36).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem mindestens einen SCR-Katalysator (12) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich (35) erfolgt, indem die tatsächlich eindosierte Menge aus eine angeforderten eindosierte Menge (m) des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels (21) ermittelt und über die Zeit integriert wird (33), um ein erstes Integral zu erhalten, die erwartete eindosierte Menge des Oxidationsmittels oder Reduktionsmittels ermittelt und über die Zeit integriert wird (34), um ein zweites Integral zu erhalten, und eine Manipulation erkannt wird (36), wenn das erste Integral mindestens um einen Schwellenwert (S) vom zweiten Integral abweicht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich (35) erfolgt, indem die erwartete eindosierte Menge des Reduktionsmittels (21) ermittelt und über die Zeit integriert wird (34), um ein Integral zu erhalten, die tatsächlich eindosierte Menge aus einer Füllstandsdifferenz (Δf) in einem Reduktionsmitteltank (14) des Abgasnachbehandlungssystems zwischen dem Beginn und dem Ende des Integrationszeitraums ermittelt wird, und eine Manipulation erkannt wird (36), wenn das Integral mindestens um einen Schwellenwert (S) von der tatsächlich eindosierten Menge abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erwartete Menge aus einem Kraftstoffverbrauch (V) des Verbrennungsmotors (11) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erwartete Menge aus einem Stickoxidrohemissionsmodell (NOx) des Verbrennungsmotors (11) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erwartete Menge aus der Länge von Zeiträumen (Δt₂) ermittelt wird, in denen ein Dosierventil (13) des Abgasnachbehandlungssystems dosierbereit ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Freigabe (31) des Vergleichs in Abhängigkeit von mindestens einem Freigabekriterium erfolgt, dass ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einer Temperatur (T) des Verbrennungsmotors (11), einer Zeit (Δt₁), die seit dem Start des Verbrennungsmotors (11) verstrichen ist, und einer Wegstrecke (s), die von einem Kraftfahrzeug zurückgelegt wurde, das von dem Verbrennungsmotor (11) angetrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Freigabe (32) des Vergleichs in Abhängigkeit von Wetterdaten (W) erfolgt.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (22), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eine Manipulation eines Abgasnachbehandlungssystems zu erkennen.