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BEREICH
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Abgasbehandlungssysteme und genauer Systeme und Verfahren zur Steuerung eines Reagenzinjektors.
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HINTERGRUND
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Die hier vorgelegte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck, den Kontext der Offenlegungsschrift allgemein aufzuzeigen. Arbeiten der vorliegend genannten Erfinder, soweit sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben sind, sowie Aspekte der Beschreibung, welche sich nicht anderweitig als Stand der Technik zum Zeitpunkt der Anmeldung qualifizieren können, sind weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik bezüglich der vorliegenden Offenlegungsschrift zugelassen.
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Zur Verringerung der Menge an unerwünschten Partikel- und NOx-Ausstößen in die Atmosphäre während des Betriebs eines Verbrennungsmotors, wurde eine Reihe von Abgas-Nachbehandlungssystemen entwickelt. Der Bedarf an Abgas-Nachbehandlungssystemen tritt insbesondere dann auf, wenn Dieselverbrennungsverfahren durchgeführt werden.
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Ein zur Verringerung von NOx-Emissionen aus Verbrennungsmotoren eingesetztes Verfahren ist als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt. SCR kann das Einspritzen eines Reagenz in den Abgasstrom des Motors umfassen, um eine Mischung aus Reagenz und Abgas zu bilden, die nachfolgend durch einen Reaktor geleitet wird, der einen Katalysator aufweist, welcher in der Lage ist, die Stickoxid-(NOx)-Konzentration in Anwesenheit des Reagenz zu verringern. Nur beispielhaft kann der Katalysator Aktivkohle oder Metalle, wie Platin, Vanadium oder Wolfram aufweisen.
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Eine wässrige Harnstofflösung ist als wirksames Reagenz in SCR-Systemen für Dieselmotoren bekannt. Allerdings kann der Einsatz einer wässrigen Lösung und weiterer Reagenzien Nachteile haben. Harnstoff ist hoch korrosiv und kann mechanische Bauteile des SCR-Systems angreifen. Harnstoff neigt ebenso dazu sich zu verfestigen, wenn er über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie sie in Diesel-Abgassystemen auftreten. Besorgnis besteht darüber, dass das Reagenz eine Ablagerung bildet, die nicht dazu verwendet wird das NOx zu verringern.
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Harnstoffeinspritzsysteme zur Behandlung von Dieselmotorabgasen variieren im Wesentlichen darin, dass verschiedene Erstausrüstungshersteller (OEMs) Reagenzinjektoren mit unterschiedlichen Bereichen für die Einspritzvolumenströme angeben. Bei der Zusammenschau mehrerer verschiedener OEM-Spezifikationen ergibt sich ein Gesamtbereich an bereitzustellenden Reagenzeinspritzvolumenströmen, der sehr weit ist. Somit stellen die Hersteller von Reagenzinjektoren derzeit mehrere verschiedene Injektoren bereit, die jeweils einen ähnlichen Bereich bezüglich des Gesamtvolumenstromes aufweisen, aber derart bemessen sind, dass der Maximal- und der Minimalwert voneinander entfernt liegen.
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Ein Reagenzinjektor umfasst einen Zapfen, der axial innerhalb des Reagenzinjektors wirkt, um den Reagenzinjektor zu öffnen und zu schließen. Eine Magnetspule des Reagenzinjektors erzeugt ein magnetisches Feld basierend auf einem Stromfluss durch die Magnetspule. Der Zapfen drückt eine Rückholfeder basierend auf dem Magnetfeld zusammen, um den Reagenzinjektor zu öffnen. Wenn das Magnetfeld zusammenbricht, spannt die Rückholfeder den Zapfen so vor, dass er den Reagenzinjektor schließt.
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Der Zapfen kann mit der Zeit jedoch magnetisiert werden. Wenn der Zapfen magnetisiert ist, schließt der Reagenzinjektor mit langsamerer Geschwindigkeit. Zusätzlich erzeugt der durch die Magnetspule fließende Strom Wärme. Wie oben beschrieben, kann das Reagenz negativ auf Wärme reagieren. Somit gibt es einen Bedarf, die zum Öffnen eines Reagenzinjektors erzeugte Wärme zu minimieren. Ebenso besteht ein Bedarf, die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass der Zapfen permanent magnetisiert bleibt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Erfindung und ist keine umfassende Offenlegung in ihrem gesamten Rahmen und allen ihren Merkmalen.
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Ein Steuersystem für einen Reagenzinjektor umfasst ein Steuermodul für die Pulsweitenmodulation (PWM) und ein Injektorantriebsmodul. Das PWM-Steuermodul überwacht den Strom, der während eines Einspritzsteuerzyklus durch einen Reagenzinjektor fließt, erzeugt basierend auf einer während des Einspritzsteuerzyklus einzuspritzenden Reagenzmenge ein PWM-Signal und zumindest entweder erhöht selektiv oder verkürzt selektiv den Arbeitszyklus eines PWM-Signals während des Einspritzsteuerzyklus auf der Basis des Stroms. Das Injektorantriebsmodul schaltet den Strom auf der Basis des PWM-Signals selektiv ein und aus. Der Reagenzinjektor öffnet sich und spritzt basierend auf dem Strom ein Reagenz in ein Abgassystem ein. Das Abgassystem nimmt den Abgasausstoß aus einem Motor auf. Das Reagenz reagiert mit Stickoxiden (NOx).
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Gemäß weiterer Merkmale, umfasst ein Steuersystem für einen Reagenzinjektor ein Steuermodul für die Pulsweitenmodulation (PWM) und ein Injektorantriebsmodul. Das PWM-Steuermodul setzt einen Arbeitszyklus eines PWM-Signals auf 100 Prozent, um einen Reagenzinjektor während eines Injektionssteuerzyklus zu öffnen und setzt den Arbeitszyklus des PWM-Signals selektiv auf weniger als 100 Prozent, um den Reagenzinjektor während des Injektionssteuerzyklus offen zu halten. Das Injektorantriebsmodul gibt basierend auf dem Arbeitszyklus des PWM-Signals Strom an den Reagenzinjektor ab. Der Reagenzinjektor öffnet sich und spritzt basierend auf dem Strom ein Reagenz in ein Abgassystem ein. Das Abgassystem nimmt den Abgasausstoß aus einem Motor auf. Das Reagenz reagiert mit Stickoxiden (NOx).
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Gemäß weiterer Merkmale, umfasst ein Reagenzinjektor einen Reagenzeinlass, eine Spule und einen Zapfen. Der Reagenzeinlass dient der Aufnahme eines Reagenz zur Einspritzung in ein Abgassystem. Das Abgassystem nimmt den Abgasausstoß aus einem Motor auf. Das Reagenz reagiert mit Stickoxiden (NOx). Die Spule erzeugt auf der Basis eines Stromflusses durch die Spule ein magnetisches Feld. Der Zapfen bewegt sich auf der Basis des Magnetfeldes axial. Der Zapfen umfasst einen Zapfenkopf und eine Zapfenwelle. Der Zapfenkopf weist ein Material mit magnetischer Qualität auf, welches zumindest 1 Prozent Silikon pro Gewichtseinheit umfasst. Die Zapfenwelle ist mit dem Zapfenkopf gekoppelt.
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Weitere Anwendbarkeitsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der hiernach erstellten detaillierten Beschreibung hervorgehen. Es sollt klar sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur für Illustrationszwecke bestimmt sind und nicht dazu dienen, den Rahmen der Erfindung zu begrenzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird im Ganzen besser anhand der detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
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1 ein schematisches Diagramm eines Beispiels für einen Verbrennungsmotor ist mit einem Emissionskontrollsystem, das mit einem Reagenzdosierungssystem ausgestattet ist;
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2 ein Querschnittsdiagramm eines beispielhaften Reagenzinjektors ist;
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3 ein funktionales Blockdiagramm eines beispielhaften Injektorsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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4 beispielhafte graphische Darstellungen eines Zustands eines Reagenzinjektors und eines Pulsweitenmodulationssignals (PWM-Signals) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
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Die 5 und 6 schematische Darstellungen eines beispielhaften Injektorsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es ist festzuhalten, dass obwohl die vorliegenden Lehren in Verbindung mit Dieselmotoren und der Reduktion von NOx-Emissionen beschrieben werden, die vorliegenden Lehren ebenso in Verbindung mit irgendeinem aus einer Anzahl von Abgasströmen verwendet werden können, wie als nicht begrenzendes Beispiel diejenigen aus Diesel- und Benzinmotoren, Turbinen, Brennstoffzellen, Triebwerken und anderen Energiequellen, welche einen Abgasstrom ausstoßen. Außerdem können die vorliegenden Lehren in Verbindung mit der Verringerung irgendeiner aus einer Anzahl unerwünschter Emissionen eingesetzt werden. Beispielsweise fällt das Einspritzen von Kohlenwasserstoffen zur Regenerierung von Dieselpartikelfiltern auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Als zusätzliche Beschreibung sollte auf die Veröffentlichungsschrift der gemeinsam übertragenen US Patentanmeldung Nr. 2009/0179087A1, eingereicht am 21. November 2008 unter dem Titel „Method and Apparatus For Injecting Atomized Fluids” (Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzen atomisierter Fluids) hingewiesen werden, welche hier durch Bezugnahme integriert wird.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Abgassteuersystem 8 zur Verringerung von NOx im Abgasausstoß eines Dieselmotors 21 vorgelegt. In 1 kennzeichnen die durchgezogenen Linien zwischen Elementen des Systems 8 Fluidleitungen für das Reagenz und die gestrichelten Linien zwischen Elementen kennzeichnen elektrische Verbindungen.
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Das System 8 kann einen Reagenzbehälter 10 zum Vorhalten des Reagenz und ein Abgabemodul 12 zur Abgabe des Reagenz aus dem Behälter 10 umfassen. Das Reagenz kann eine Harnstofflösung, ein Kohlenwasserstoff, ein Alkylester, Alkohol, eine organische Verbindung, Wasser oder dergleichen sein und eine Mischung oder Kombination daraus. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass ein oder mehrere Reagenzien in dem System 8 vorhanden und einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können.
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Der Behälter 10 und das Abgabemodul 12 können ein einstückiges Modul aus Reagenzbehälter/Abgabemodul ausbilden. Das System 8 weist ebenfalls eine elektronische Injektionssteuereinheit 14, einen Reagenzinjektor 16 und ein Abgassystem 19 auf. Das Abgassystem 19 umfasst eine Abgasleitung 18, welche Abgasausstoß von dem Dieselmotor 21 zu einem Katalysator 17 leitet. Der Katalysator 17 kann einen selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator aufweisen. Das Abgassystem 19 kann einen oder mehrere weitere Katalysatoren, wie einen Oxidationskatalysator aufweisen.
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Das Abgabemodul 12 kann eine Pumpe aufweisen, die Reagenz aus dem Behälter 10 über eine Zufuhrleitung 9 zuführt. Der Behälter 10 kann aus Polypropylen, Epoxybeschichtetem Karbonstahl, PVC oder Edelstahl bestehen und gemäß der Anwendung dimensioniert sein (z. B. Fahrzeuggröße, beabsichtigte Verwendung des Fahrzeugs und dergleichen). Ein Druckregler (nicht gezeigt) kann vorgesehen sein, um den Druck des dem Reagenzinjektor 16 zugeführten Reagenz auf einem vorbestimmten Druck-Sollwert (z. B. relativ niedrige Drücke von ungefähr 60–80 psi oder in einigen Ausführungen ein Druck von ungefähr 60–150 psi) zu halten. Der Druckregler kann in einem Rücklauf 35 von dem Reagenzinjektor 16 zu dem Behälter 10 angeordnet sein. Ein Drucksensor kann in der Zuführleitung 9 vorgesehen sein, die zu dem Reagenzinjektor 16 führt. Das System kann ebenfalls verschiedene Frostschutzstrategien aufweisen, um gefrorenes Reagenz aufzutauen oder zu verhindern, dass das Reagenz einfriert.
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Während des Betriebs des Systems kann unabhängig davon, ob der Reagenzinjektor 16 Reagenz in den Abgasstrom einspritzt oder nicht, Reagenz kontinuierlich zwischen dem Behälter 10 und dem Reagenzinjektor 16 zirkulieren, um den Reagenzinjektor 16 zu kühlen und die Verweilzeit des Reagenz in dem Reagenzinjektor 16 zu minimieren, so dass das Reagenz kühl bleibt. Eine kontinuierliche Zirkulation des Reagenz kann bei Temperatur-empfindlichen Reagenzien, wie wässrigem Harnstoff, notwendig sein, der sich verfestigt, wenn er Temperaturen von 300°C bis 650°C ausgesetzt ist, wie sie in einem Motorabgassystem auftreten.
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Außerdem kann es wünschenswert sein, das Reagenzgemisch unter 140°C und vorzugsweise in einem niedrigeren Betriebsbereich zwischen 5°C und 95°C zu halten, um sicherzustellen, dass eine Verfestigung des Reagenz vermieden wird. Verfestigtes Reagenz, wenn es sich bilden kann, kann die beweglichen Teile und Öffnungen des Reagenzinjektors 16 verschmutzen.
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Die Menge an einzuspritzendem Reagenz kann variiert werden in Abhängigkeit von der Motorlast, der Motordrehzahl, der Abgastemperatur, dem Abgasstrom, dem Zeitablauf der Motorkraftstoffeinspritzung, der gewünschten NOx-Reduktion, dem Luftdruck, der relativen Feuchtigkeit, dem Volumenstrom der EGR (Abgasrezirkulation) und/oder der Kühlflüssigkeitstemperatur. Ein NOx-Sensor oder -Messgerät 25 ist stromabwärts von dem Katalysator 17 positioniert. Der NOx-Sensor 25 kann dazu betrieben werden, ein Signal, das die NOx-Menge in dem Abgas anzeigt, an eine Motorsteuereinheit 27 auszugeben.
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Die Abgastemperatur, die Abgasmenge und der Abgasgegendruck und weitere Betriebsparameter können von verschiedenen Sensoren gemessen werden. Alle oder einige der Betriebsparameter können von der Motorsteuereinheit 27 über einen Motor/Fahrzeug-Datenbus an die elektronische Einspritzsteuereinheit 14 übermittelt werden. Die elektronische Einspritzsteuereinheit 14 könnte auch als Teil der Motorsteuereinheit 27 ausgebildet sein.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Querschnittsdiagramm eines Beispiels für den Reagenzinjektor 16 vorgelegt. Der Reagenzinjektor 16 ist durch eine Halterung wie eine Überwurfmutter 100 an die Abgasleitung 18 gekoppelt. Der Reagenzinjektor 16 ist stromaufwärts von dem Katalysator 17 an die Abgasleitung 18 gekoppelt. Der Reagenzinjektor 16 weist eine Einlassleitung 104 auf, in welcher der Reagenzinjektor 16 Reagenz zum Einspritzen aufnimmt. Ein Reagenzweg 108 ist in einem unteren Körper 112 des Reagenzinjektors 16 ausgebildet.
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Reagenz fließt durch den Reagenzweg 108 und wird über eine Öffnung 116 in einer Öffnungsplatte 118 in die Abgasleitung 18 eingespritzt. Das Reagenz wird eingespritzt, wenn sich eine Zapfenwelle 120 des Reagenzinjektors 16 in einer offenen Position befindet. Wenn sich die Zapfenwelle 120 in einer geschlossenen Position befindet, ist die Öffnung 116 blockiert, so dass das Reagenz nicht eingespritzt wird. Die Zapfenwelle 120 kann beispielsweise aus Edelstahl des Typs CPM S90V hergestellt sein.
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Die Zapfenwelle 120 ist mechanisch mit einem Zapfenkopf 124 gekoppelt. Ein Magnetfeld, das durch eine Magnetspule 128 erzeugt wird, wenn Strom durch die Magnetspule 128 fließt, betätigt den Zapfenkopf 124 axial innerhalb einer Kammer 132. Da der Zapfenkopf 124 und die Zapfenwelle 120 mechanisch gekoppelt sind, bewirkt die Betätigung des Zapfenkopfes 124 auch die axiale Bewegung der Zapfenwelle.
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Eine Rückholfeder 136 übt eine Kraft auf den Zapfenkopf 124 in Richtung der Öffnung 116 aus. Wenn kein Strom an die Magnetspule 128 angelegt wird, spannt die Rückholfeder 136 die Zapfenwelle 120 zu der geschlossenen Position hin vor, um das Einspritzen von Reagenz zu verhindern. Wenn Strom durch die Magnetspule 128 fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt, das die Kraft der Rückholfeder 136 überwinden und die Rückholfeder 136 zusammendrücken kann. Die Rückholfeder 136 kann so weit zusammengedrückt werden, bis der Zapfenkopf 124 eine untere Fläche eines Polschuhs 140 berührt, wobei sich die Zapfenwelle 120 an diesem Punkt in der offenen Position befindet. Sobald kein Strom mehr durch die Magnetspule 128 fließt, führt die Rückholfeder 136 die Zapfenwelle 120 wieder in die geschlossene Position zurück, um den Reagenzinjektor 16 zu schließen.
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Der Zapfenkopf 124 kann aus Edelstahl des Typs F430 oder aus Edelstahl des Typs FR430 bestehen. Der Zapfenkopf 124 kann auch aus einem anderen geeigneten Typ Edelstahl mit magnetischen Eigenschaften oder einem anderen geeigneten Typ Edelstahl mit zumindest 1 Prozent Silikon bestehen. Da der Zapfenkopf 124 aus einem solchen Material besteht, kann er dazu beitragen zu verhindern, dass der Zapfenkopf 124 permanent magnetisiert ist. Eine permanente Magnetisierung des Zapfenkopfes 124 kann den Zeitraum, den die Rückholfeder 136 benötigt, um die Zapfenwelle 120 aus der offenen Position in die geschlossene Position zu bewegen, vergrößern (verlangsamen). Da der Zeitraum zur Bewegung der Zapfenwelle 120 aus der offenen Position in die geschlossene Position größer wird, steigt auch die Menge an von dem Reagenzinjektor 16 während des Schließens des Reagenzinjektors 16 eingespritzten Reagenz an. Die Zapfenwelle 120 und der Zapfenkopf 124 werden gemeinsam als Zapfen bezeichnet.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird ein funktionales Blockdiagramm eines beispielhaften Einspritzsteuersystems vorgelegt. Die elektronische Einspritzsteuereinheit 14 kann ein Steuermodul für die Pulsweitenmodulation (PWM) 204 und ein Injektorantriebsmodul 208 aufweisen.
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Das PWM-Steuermodul 204 erzeugt ein PWM-Signal 216. Das PWM-Steuermodul 204 kann das PWM-Signal 216 für einen gegebenen PWM-Steuerzyklus basierend auf einer für einen Einspritzsteuerzyklus bestimmten Zielmenge 220 für die Reagenzeinspritzung erzeugen. Wenn das Reagenz mit einem ungefähr konstanten Druck dem Reagenzinjektor 16 zugeführt wird, kann die Zielmenge für die Reagenzeinspritzung 220 eingespritzt werden, wenn der Reagenzinjektor 16 über einen vorbestimmten Zeitraum während des Einspritzsteuerzyklus offen ist.
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Die Zielmenge für die Reagenzeinspritzung 220 wird für jeden Einspritzsteuerzyklus bestimmt/aktualisiert. Ein Einspritzsteuerzyklus kann sich auf den vorbestimmten Zeitraum zwischen den Zeitpunkten beziehen, an denen zwei aufeinander folgende Reagenzeinspritzungen beginnen. Ein PWM-Steuerzyklus kann sich auf den vorbestimmten Zeitraum zwischen zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten beziehen, an denen das PWM-Steuermodul 204 das PWM-Signal 216 erzeugt/aktualisiert. Die PWM-Steuerzyklen sind kürzer als die Einspritzsteuerzyklen. Mit anderen Worten, das PWM-Steuermodul 204 erzeugt/aktualisiert das PWM-Signal 216 häufiger als dass die Zielmenge für die Reagenzeinspritzung 220 bestimmt/aktualisiert wird. Die Frequenz, auf welcher die Zielmenge für die Reagenzeinspritzung 220 bestimmt/aktualisiert wird, kann beispielsweise zwischen 1 Hertz (Hz) und 10 Hz liegen oder eine andere geeignete Frequenz sein. Eine Frequenz von 5 Hz entspricht Einspritzsteuerzyklen von 200 Millisekunden. Dahingegen kann die Frequenz, auf welcher das PWM-Steuermodul 204 das PWM-Signal 216 erzeugt/aktualisiert, beispielsweise bei 100 Hz (entsprechend PWM-Steuerzyklen von 10 ms) oder mehr liegen. Die Zielmenge für die Reagenzeinspritzung 220 für eine gegebene Einspritzsteuerung kann beispielsweise auf der Basis eines oder mehrerer Betriebsparameter, wie die Temperatur des Katalysators 17, die Motorlast, eine Menge an NOx in dem Abgas und/oder einem oder mehrerer anderer Betriebsparameter eingestellt werden.
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Das Injektorantriebsmodul 208 (siehe beispielsweise 5 und 6) umfasst einen oder mehrere Schalter, die basierend auf dem Status des PWM-Signals 216 schalten. Das Injektorantriebsmodul 208 erhält Strom aus einer oder mehreren Quellen, wie einer Batterie 224. Das Injektorantriebsmodul 208 regelt eine Spannung 228, die an eine Anschlussklemme des Reagenzinjektors 16 angelegt wird. Strom fließt auf der Basis der Spannung 228 durch den Reagenzinjektor 16. Der Reagenzinjektor 16 öffnet und schließt sich auf der Basis des durch den Reagenzinjektor 16 fließenden Stroms.
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4 weist beispielhafte graphische Darstellungen des PWM-Signals 216 und des Status 232 des Reagenzinjektors 16 als Zeitfunktionen 236 auf. Die beispielhaften Graph der 4 basieren auf einer Einspritzsteuerfrequenz von 5 Hz, aber die Einspritzsteuerfrequenz kann auch eine andere geeignete Frequenz sein.
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Ein Einspritzsteuerzyklus (200 ms) erfolgt zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T2 in dem oberen Graph. Während des einen Einspritzsteuerzyklus kann der Reagenzinjektor 16 zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T3 offen sein, um die Zielmenge für die Reagenzeinspritzung 220 für den Einspritzsteuerzyklus zu erreichen.
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Unter Bezugnahme auf die 3 und 4, setzt das PWM-Steuermodul 204 das PWM-Signal 216 zu einem gegebenen Zeitpunkt entweder auf einen aktiven Status (z. B. 5 Volt) oder einen inaktiven Status (z. B. 0 Volt). Das PWM-Steuermodul steuert den Arbeitszyklus des PWM-Signals 216, um die Spannung 228 und daher den durch den Reagenzinjektor 16 fließenden Strom zu steuern. Der Arbeitszyklus des PWM-Signals 216 kann sich auf das Verhältnis des Zeitraums, in dem sich das PWM-Signal 216 während eines PWM-Steuerzyklus in dem aktiven Status befindet, zu der Länge (Zeitraum) des PWM-Steuerzyklus beziehen.
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Jeder Einspritzsteuerzyklus umfasst einen Zeitraum, in dem der Reagenzinjektor 16 offen ist (offener Zeitraum) und einen Zeitraum, in dem der Reagenzinjektor geschlossen ist (geschlossener Zeitraum). In dem oberen Graph der 4 umfasst der Einspritzsteuerzyklus zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 einen beispielhaften offenen Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 und einen beispielhaften geschlossenen Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T3 und T2. Wenn die Zielmenge für die Reagenzeinspritzung 220 für einen Einspritzsteuerzyklus steigt, wird auch der offene Zeitraum des Einspritzsteuerzyklus länger.
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Der offene Zeitraum jedes Einspritzsteuerzyklus weist einen Öffnungszeitraum und einen Haltezeitraum auf. Während des Öffnungszeitraums geht der Reagenzinjektor 16 von dem geschlossenen in den offenen Zustand über. Während des Haltezeitraums wird der Reagenzinjektor 16 offen gehalten. Wenn der Haltezeitraum endet, beginnt ein Schließzeitraum. Während des Schließzeitraums geht der Reagenzinjektor 16 von dem offenen in den geschlossenen Zustand über. Der geschlossene Zeitraum beginnt, wenn der Reagenzinjektor 16 geschlossen ist. Der Reagenzinjektor 16 bleibt geschlossen, bis frühestens ein nächster Einspritzsteuerzyklus beginnt.
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In dem unteren Graph der 4 erstreckt sich der offene Zeitraum zwischen den Zeitpunkten T1 und T3, wie in dem oberen Graph der 4. In dem unteren Graph findet ein beispielhafter Öffnungszeitraum zwischen den Zeitpunkten T1 und T4 statt, und ein beispielhafter Haltezeitraum erstreckt sich zwischen den Zeitpunkten T4 und T3. Der Öffnungszeitraum ist ein vorbestimmter Zeitraum. Nur beispielhaft kann der vorbestimmte Zeitraum auf der Basis der Eigenschaften des Reagenzinjektors 16 (z. B. die Rückholfeder 136) eingestellt werden und kann beispielsweise zwischen 2 ms und 10 ms betragen oder ein weiterer geeigneter Zeitraum sein.
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Während des Öffnungszeitraums setzt das PWM-Steuermodul 204 den Arbeitszyklus des PWM-Signals 216 auf 100 Prozent. Auf diese Weise wird das PWM-Signal 216 über den Öffnungszeitraum hinweg im aktiven Status gehalten. Das Halten des PWM-Signals 216 im aktiven Status bewirkt, dass Strom durch den Reagenzinjektor 16 fließt, der größer ist als ein vorbestimmter Haltestrom. Insbesondere steuert der Arbeitszyklus des PWM-Signals 216 die Spannung 228 und Strom fließt auf der Basis der Spannung 228 durch den Reagenzinjektor 16. Der vorbestimmte Haltestrom kann sich auf den Strom beziehen, der erforderlich ist, um den Reagenzinjektor 16 offen zu halten, wenn der Reagenzinjektor 16 bereits offen ist. Der vorbestimmte Haltestrom, der durch den Reagenzinjektor 16 fließt, kann auf den Zapfen eine Kraft ausüben, die ein wenig größer ist als die von der Rückholfeder 136 ausgeübte Kraft (in die entgegengesetzte Richtung), wenn der Reagenzinjektor 16 offen ist.
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Während des Haltezeitraums regelt das PWM-Steuermodul 204 den Arbeitszyklus des PWM-Signals 216 derart, dass der durch den Reagenzinjektor 16 fließende Strom ungefähr auf dem vorbestimmten Haltestrom gehalten wird. Ein Messwiderstand 240, ein Stromsensor etc. können dazu eingesetzt werden, den durch den Reagenzinjektor 16 fließenden Strom zu messen. Das PWM-Steuermodul 204 kann den Arbeitszyklus des PWM-Signals 216 während des Haltezeitraums auf der Basis des gemessenen Stroms variieren, um den Strom ungefähr auf dem vorbestimmten Haltestrom zu halten. Das PWM-Modul 204 kann den Arbeitszyklus des PWM-Signals 216 auf zwischen 20 Prozent und 80 Prozent oder einen anderen geeigneten Bereich während des Haltezeitraums begrenzen.
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Der während des Haltezeitraums durch den Reagenzinjektor 16 fließende Strom ist schwächer als der während des Öffnungszeitraums durch den Reagenzinjektor 16 fließende Strom. Dies hilft, die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass der Zapfenkopf 124 permanent magnetisiert wird. Da der Reagenzinjektor 16 Widerstandswärme (I2R) erzeugt, wenn Strom angelegt wird, kann der schwächere Strom zusätzlich die Temperatur des Reagenzinjektors 16 minimieren.
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Eine Freilaufdiode 244 ist mit dem Reagenzinjektor 16 parallel geschaltet. Wenn sich das PWM-Signal 216 im inaktiven Status befindet, blockiert das Injektorantriebsmodul 208 den Stromfluss zu dem Reagenzinjektor 16 und die Freilaufdiode 244 leitet Strom ab (und lässt das Magnetfeld zusammenbrechen). Nur beispielhaft kann die Freilaufdiode 244 eine Zenerdiode, eine Niederspannungsdiode oder einen anderen geeigneten Typ Diode aufweisen. Die Verwendung einer Zenerdiode als Freilaufdiode 244 kann das Magnetfeld schneller zusammenbrechen lassen und schneller Strom ableiten als andere Arten von Dioden.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird eine schematische Darstellung eines beispielhaften Injektorsteuersystems 300 vorgelegt. Das Injektorantriebsmodul 208 kann eine erste Schaltvorrichtung 304, eine zweite Schaltvorrichtung 308, eine Diode 312 und einen Kondensator 316 aufweisen.
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Eine DC-Versorgungsspannung 320 kann an eine erste Anschlussklemme der ersten Schaltvorrichtung 304 angelegt werden, und eine zweite Anschlussklemme der ersten Schaltvorrichtung 304 kann mit einem Knotenpunkt 324 verbunden sein. Das PWM-Signal 216 ist an die Steuerklemme der ersten Schaltvorrichtung 304 angeschlossen. Nur beispielhaft kann die erste Schaltvorrichtung 304 einen PNP-Transistor aufweisen, wie in dem Beispiel der 5 gezeigt, oder eine andere geeignete Art von Schaltvorrichtung. Die DC-Versorgungsspannung 320 kann durch die Energie der Batterie 224 (beispielsweise unter Verwendung eines Spannungsreglers) oder einer anderen geeigneten Quelle erzeugt werden. Die DC-Versorgungsspannung 320 kann 24 Volt DC betragen oder eine andere geeignete Spannung sein.
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Eine DC-Haltespannung 328 wird an die Anode der Diode 312 angelegt und der Kathodenanschluss der Diode 312 ist an den Knotenpunkt 324 angeschlossen. Die DC-Haltespannung 328 ist geringer als die DC-Versorgungsspannung 320. Die DC-Haltespannung 328 kann durch die Energie der Batterie 224 (beispielsweise unter Verwendung eines Spannungsreglers) oder einer anderen geeigneten Quelle erzeugt werden. Nur beispielhaft kann die DC-Haltespannung ungefähr 13,5 Volt DC betragen oder eine andere geeignete Spannung sein. Eine erste Anschlussklemme des Kondensators 316 ist an den Knotenpunkt 324 angeschlossen und eine zweite Anschlussklemme des Kondensators 316 ist an ein Erdpotential 332 angeschlossen.
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Eine erste Anschlussklemme der zweiten Schaltvorrichtung 308 ist an den Knotenpunkt 324 angeschlossen und eine zweite Anschlussklemme der zweiten Schaltvorrichtung 308 kann an einen zweiten Knotenpunkt 336 angeschlossen sein. Das PWM-Signal 216 ist ebenfalls an die Steuerklemme der zweiten Schaltvorrichtung 308 angeschlossen. Nur beispielhaft kann die zweite Schaltvorrichtung 308 einen NPN-Transistor aufweisen, wie in dem Beispiel der 5 gezeigt, oder eine andere geeignete Art von Schaltvorrichtung.
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Eine erste Anschlussklemme des Messwiderstands 240 kann an den zweiten Knotenpunkt 336 angeschlossen sein und eine zweite Anschlussklemme des Messwiderstands 240 kann an eine erste Anschlussklemme des Reagenzinjektors 16 angeschlossen sein. Der durch den Reagenzinjektor 16 fließende Strom kann auf der Basis der durch den Messwiderstand 240 fließenden Spannung und des Widerstands des Messwiderstands 240 gemessen werden.
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Der Reagenzinjektor 16 kann als ein Induktor 340 und ein Widerstand 344, die in Reihe geschaltet sind, dargestellt sein. Eine zweite Anschlussklemme des Reagenzinjektors 16 ist an das Erdpotential 332 angeschlossen. Die Anode der Freilaufdiode 244 kann an das Erdpotential 332 angeschlossen sein und die Kathode der Freilaufdiode 244 kann an den zweiten Knotenpunkt 336 angeschlossen sein.
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Wenn sich das PWM-Signal 216 im inaktiven Status befindet, ist die erste Schaltvorrichtung 304 AN und die zweite Schaltvorrichtung 308 ist AUS. Der Kondensator 316 lädt daher in Richtung der DC-Versorgungsspannung 320, wenn sich das PWM-Signal 216 im inaktiven Status befindet. Somit ist, wenn das PWM-Signal 216 vom inaktiven Status in den aktiven Status übergeht, die Spannung 228 größer als die DC-Haltespannung 328.
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Wenn sich das PWM-Signal 216 im aktiven Status befindet, ist die erste Schaltvorrichtung 304 AUS und die zweite Schaltvorrichtung 308 ist AN. Der Kondensator 316 entlädt sich daher und Strom fließt durch den Reagenzinjektor 16. Wenn sich der Kondensator 316 entlädt, fällt die Spannung 228 nach unten zu der DC-Haltespannung 328 hin ab. Die Spannung 228 kann schließlich ungefähr gleich der DC-Haltespannung 328 sein.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird eine weitere schematische Ansicht eines beispielhaften Injektorsteuersystems 400 vorgelegt. Das Injektorantriebsmodul 208 kann eine erste Schaltvorrichtung 404, eine zweite Schaltvorrichtung 408, eine dritte Schaltvorrichtung 412, eine Diode 416 und einen Kondensator 420 aufweisen.
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Eine erste Anschlussklemme der zweiten Schaltvorrichtung 408 kann an eine DC-Versorgungsspannung 424 angeschlossen sein, und eine zweite Anschlussklemme der zweiten Schaltvorrichtung 408 kann an einen Knotenpunkt 428 angeschlossen sein. Eine erste Anschlussklemme der dritten Schaltvorrichtung 412 kann an den Knotenpunkt 428 angeschlossen sein und eine zweite Anschlussklemme der dritten Schaltvorrichtung 412 kann an das Erdpotential 432 angeschlossen sein. Die Anode der Diode 416 kann an die DC-Versorgungsspannung 424 angeschlossen sein und die Kathode der Diode 416 kann an einen Knotenpunkt 436 angeschlossen sein. Der Kondensator kann an einer Anschlussklemme an den Knotenpunkt 436 und an der anderen Anschlussklemme an den Knotenpunkt 428 angeschlossen sein.
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Eine erste Anschlussklemme der ersten Schaltvorrichtung 404 kann an den Knotenpunkt 436 angeschlossen sein und eine zweite Anschlussklemme der ersten Schaltvorrichtung 404 kann an den zweiten Knotenpunkt 336 angeschlossen sein. Das PWM-Signal 216 ist an die Steuerklemmen der ersten, zweiten und dritten Schaltvorrichtung 404, 408 und 412 angeschlossen. Nur beispielhaft und wie in 6 gezeigt, können die erste, zweite und dritte Schaltvorrichtung 404, 408 und 412 jeweils NPN-, NPN- und PNP-Schalter oder andere geeignete Schaltvorrichtungen sein.
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Wenn sich das PWM-Signal 216 im inaktiven Status befindet, ist die erste Schaltvorrichtung 404 AUS und blockiert den Stromfluss zu dem Reagenzinjektor 16. Die zweite Schaltvorrichtung 408 ist ebenfalls AUS, wenn sich das PWM-Signal 216 im inaktiven Status befindet. Die dritte Schaltvorrichtung 412 ist hingegen AN, wenn sich das PWM-Signal 216 im inaktiven Status befindet. Der Kondensator 420 lädt daher in Richtung der DC-Versorgungsspannung 424 auf, wenn sich das PWM-Signal 216 im inaktiven Status befindet.
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Wenn sich das PWM-Signal 216 im aktiven Status befindet, ist die erste Schaltvorrichtung 404 AN, die zweite Schaltvorrichtung 408 ist AN und die dritte Schaltvorrichtung 412 ist AUS. Wenn sich das PWM-Signal 216 im aktiven Status befindet, ist es daher so für den Reagenzinjektor 16, als ob der Kondensator 420 und die DC-Versorgungsspannung 424 in Reihe geschaltet sind, so dass die Spannung 228 ungefähr gleich der Summe aus der DC-Versorgungsspannung 424 und der Spannung an dem Kondensator 420 ist. Der Kondensator 420 entlädt sich, während das PWM-Signal 216 im aktiven Status ist, und die Spannung 228 fällt zu der DC-Versorgungsspannung 424 hin ab.
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Die vorausgehende Beschreibung ist lediglich illustrativer Natur und ist in keiner Weise dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen. Die umfassenden Lehren der Erfindung können in vielfältigen Formen implementiert werden. Obwohl diese Offenlegung spezielle Beispiele aufweist, sollte daher der tatsächliche Rahmen der Erfindung nicht so begrenzt sein, da sich weitere Modifizierungen bei der Studie der Zeichnungen, der Beschreibung und der nachfolgenden Ansprüche herausstellen werden. Aus Klarheitsgründen werden dieselben Bezugszahlen zur Identifizierung ähnlicher Elemente in den Zeichnungen verwendet. Wir hier verwendet, sollte der Ausdruck „zumindest eine von A, B und C” als logische Verknüpfung unter Einsatz eines nicht-exklusiven ODER verstanden werden. Es sollte klar sein, dass ein oder mehrere Schritte innerhalb des Verfahrens in unterschiedlicher Reihenfolge (oder gleichzeitig miteinander) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verändern.
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Wie hier verwendet, kann sich der Ausdruck „Modul” auf einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC); eine elektronische Schaltung; eine kombinatorische Schaltungslogik; ein Field Programmable Gate Array (FPGA); einen Prozessor (gemeinsam, zugeordnet oder Gruppe), der den Code ausführt; andere geeignete Hardwarekomponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination aus einigen oder allen der obigen Elemente, wie bei einem System-on-Chip beziehen, Teil davon sein oder diese aufweisen. Der Ausdruck „Modul” kann einen Speicher (gemeinsam, zugeordnet oder Gruppe) beinhalten, der den von dem Prozessor ausgeführten Code speichert.
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Der Ausdruck „Code”, wie hier oben verwendet, kann Software, Firmware und/oder einen Mikrocode umfassen und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte beziehen. Der Ausdruck „gemeinsam”, wie oben verwendet, bedeutet, dass einige oder alle Codes von mehreren Modulen unter Einsatz eines einzigen (gemeinsamen) Prozessors ausgeführt werden können. Zusätzlich können einige oder alle Codes von mehreren Modulen in einem einzigen (gemeinsamen) Speicher abgespeichert werden. Der Ausdruck „Gruppe”, wie hier oben verwendet, bedeutet, dass einige oder alle Codes von einem einzigen Modul unter Einsatz einer Gruppe von Prozessoren ausgeführt werden können. Zusätzlich können einige oder alle Codes von einem einzigen Modul unter Einsatz einer Gruppe von Speichern abgespeichert werden.
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Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können von einem oder mehreren Computerprogrammen implementiert werden, die von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme umfassen von Prozessoren ausführbare Anweisungen, die auf einem nicht-flüchtigen, greifbaren, computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten umfassen. Nicht begrenzende Beispiele für nicht-flüchtige, greifbare, computerlesbare Medien sind nicht-flüchtige Speicher, magnetische Speicherung und optische Speicherung.
