DE19646646A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stickoxidreduktionsmittelzudosierung zum Abgas einer Verbrennungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur steuerbaren Zudosierung eines Stickoxidreduktionsmittels zum Abgas einer Verbrennungsanlage.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise für Dieselmotoranlagen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, gebräuchlich, wobei die Zudosierung des Stick­ oxidreduktionsmittels steuerbar in Abhängigkeit von charakteristischen Parametern des Verbrennungsvorgangs erfolgt.

Stellvertretend sei bezüglich solcher bekannter Verfahren und Vorrichtungen auf die Offenlegungsschriften DE 43 15 278 A1, DE 42 27 741 A1, DE 37 21 572 A1 und DE 36 15 021 A1 hingewiesen Das Reduktionsmittel ist dabei typischerweise in einem Vorratstank als Flüssigkeit bevorratet oder wird gasförmig einem Druckspeicher entnommen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, bei denen sich der Anlagenbetrieb hinsichtlich der Funktion der Zudosierung des Stickoxidreduktionsmittels überwachen läßt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung wird die einem Reduktionsmittelspeicher flüssig oder gasförmig entnommene Reduktionsmittelentnahmemenge durch eine geeignete Sensorik erfaßt und mit der von einer Steuereinheit ermittelten Reduktionsmittelzudosiermenge verglichen, wobei die Steuereinheit eine zugeordnete Stelleinrichtung ansteuert, um die ermittelte Zudosiermenge dem Reduktionsmittelspeicher zu entnehmen. Der Vergleich erfolgt jeweils in Form von Momentanwerten oder von über eine vorgebbare Zeitspanne hinweg integrierten Werten der Entnahmemenge bzw. der Zudosiermenge. Im Fall einer festgestellten Abweichung, z. B. bei Über- bzw. Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte, wird eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt. Erfindungsgemäß können auf diese Weise Fehlfunktionen bei der Zudosierung des Stickoxidreduktionsmittels zum Abgas erkannt werden, die z. B. auf Lecks im Reduktionsmittelspeicher oder fehlerbehafteten Stellorganen beruhen.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird die Reduktionsmittelentnahmemenge mittels einer Durchflußmessung oder mittels einer flüssigkeitsbewegungskorrigierten Füllstandsmessung erfaßt. Die Flüssigkeitsbewegungskorrektur dient bei einer derartigen Füllstandsmessung in einem mit flüssigem Reduktionsmittel befüllten Vorratstank dazu, bewegungsbedingte Schwankungen des Flüssigkeitsstandes zu korrigieren, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen während der Fahrt auftreten. Eine derartige Korrektur kann beispielsweise durch Erfassung der Richtung und Geschwindigkeit der sich im Vorratstank bewegenden Flüssigkeit und entsprechende Berücksichtigung bei der Auswertung des Ausgangssignals des Füllstandsmeßfühlers erfolgen. Zur Verfahrensdurchführung eignet sich eine nach Anspruch 4 weitergebildete Vorrichtung.

In Weiterbildung dieser Vorrichtung ist gemäß Anspruch 5 ein Vorratstank vorgesehen, der mit flüssigkeitsbewegungsminimierenden Schwallwänden versehen ist und/oder in dessen Mittenbereich der Meßfühler der Füllstandssensorik angeordnet ist.

Bei einer nach Anspruch 6 weitergebildeten Vorrichtung beinhalten die Mittel zu Überwachung der Stickoxidreduktionsmittelzudosierung eine das Durchfluß- oder das Füllstandsmeßsignal auswertende Einheit und eine nachgeschaltete Vergleicherstufe, die in ökonomischer und platzsparender Weise mit der Steuereinheit für die Reduktionsmittelzudosierung in ein gemeinsames Steuergerät integriert sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur steuerbaren Stickoxidreduktionsmittelzudosierung zum Abgas einer Dieselmotoranlage.

Die in der Figur gezeigte Anlage beinhaltet einen üblichen, z. B. in ein Kraftfahrzeug eingebauten Dieselmotor 1, dessen Verbrennungsabgas über einen Abgasstrang 2 abgeführt wird, in welchem sich ein Abgaskatalysator 3 befindet. Der Katalysator 3 kann beispielsweise ein sogenannter DENOX-Katalysator sein.

Zur Verringerung der Stickoxidemissionen wird über eine Zudosierleitung 4 ein Stickoxidreduktionsmittel, z. B. eine wäßrige Harnstofflösung, in den Abgasstrang 2 stromaufwärts des Katalysators 3 eingebracht. Je nach Auslegung des Katalysators 3 wird das im Abgas enthaltene Stickoxid durch das zudosierte Reduktionsmittel in herkömmlicher Weise katalytisch oder nicht­ katalytisch reduziert. Das Stickoxidreduktionsmittel ist im vorliegenden Beispielsfall in flüssiger Form in einem Vorratstank 5 bevorratet. Die Zudosierung des Stickoxidreduktionsmittels zum Motorabgas erfolgt gesteuert in Abhängigkeit von den Motor- und Katalysatorbetriebsparametern, die den Betriebszustand des Motors 1 bzw. des Katalysators 3 charakterisieren. Zu diesem Zweck beinhaltet die Reduktionsmittel-Zudosiereinrichtung eine Zudosiersteuereinheit 15, der die Motorparameter über eine erste Eingangsleitung 16 und die Katalysatorparameter über eine zweite Eingangsleitung 7 zugeführt werden und die in Abhängigkeit von den zugeführten Motor- und Katalysatorbetriebsparametern anhand abgelegter Kennlinien die jeweils erforderliche, zugehörige Reduktionsmittelzudosiermenge ermittelt. Entsprechend der ermittelten Reduktionsmittelzudosiermenge steuert sie über eine entsprechende Stellsignal-Ausgangsleitung 8 eine in der Zudosierleitung 4 angeordnete Dosiereinheit 9 an, die wenigstens ein Ventil und/oder eine Dosierpumpe umfaßt. Bei fehlerfreier Funktion ermittelt die Zudosiersteuereinheit 15 die in der gegebenen Betriebssituation optimale Reduktionsmittelzudosiermenge und stellt die Dosiereinheit 9 so ein, daß von dieser genau die ermittelte Zudosiermenge in den Abgasstrang 2 eingebracht wird, z. B. über Sprühdüsen am Ende der Zudosierleitung 4.

Charakteristischerweise beinhaltet die gezeigte Vorrichtung zusätzlich Mittel zur Überwachung der Zudosierung des Stickoxidreduktionsmittels zum Motorabgas. Diese Überwachungsmittel beinhalten eine Füllstandssensorik, die einen in den Vorratstank 5 eintauchenden Meßfühler 6 und eine nachgeschaltete Auswerteeinheit 10 umfaßt, die das ihr zugeführte Meßfühlerausgangssignal auswertet. Dabei sind die Auswerteeinheit 10 und in darauf abgestimmter Weise der Meßfühler 6 so ausgelegt, daß die dadurch gebildete Füllstandssensorik eine flüssigkeitsbewegungskorrigierte Füllstandsinformation bereitstellt, d. h. daß sie Kurzzeitschwankungen des Reduktionsmittelfüllstands korrigiert, die durch Flüssigkeitsbewegungen im Vorratstank 5 bedingt sind, wie sie beispielsweise während einer Fahrphase eines Kraftfahrzeuges auftreten. Hierfür kommen verschiedene Alternativen in Betracht. Eine einfache Vorgehensweise besteht darin, das vom Füllstandsmeßfühler 6 gelieferte Meßsignal jeweils nur im Fahrzeugstillstand durch die Auswerteeinheit 10 zu berücksichtigen, wozu dieser in geeigneter Weise eine Information über die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit zugeführt wird, wie sie in modernen Fahrzeugelektroniken ohnehin vorhanden ist, z. B. aus einer Raddrehzahlsensorik. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Fehlmessungen aufgrund von bewegungsbedingten Schwankungen des Flüssigkeitspegels im Vorratstank 5 dadurch zu verhindern, daß Richtung und Geschwindigkeit dieser Flüssigkeitsbewegung erfaßt und die vom Meßfühler 6 erhaltene Meßinformation entsprechend berichtigt wird. Als vorteilhafte Zusatzmaßnahmen zur Vermeidung bzw. Verringerung solcher Fehlmessungen des Flüssigkeitsstandes kommen zudem die Ausbildung von Schwallwänden an der Innenseite des Vorratstanks 5 zur Minimierung der Flüssigkeitsbewegung in demselben und/oder das Anordnen des Meßfühlers 6 im mittleren Bereich des Vorratstanks 5 in Betracht. Die letztgenannte Maßnahme hält den Einfluß von aufgrund einer Flüssigkeitsbewegung im Vorratstank 5 auftretenden Schwankungen des Füllstandes auf den Meßfühler 6 verglichen mit anderen Meßfühlerpositionierungen minimal.

Die flüssigkeitsbewegungskorrigierte Füllstandsinformation wird von der Auswerteeinheit 10 anhand einer geeignet abgelegten Kennlinie in eine zugehörige Information über die jeweilige Reduktionsmittelentnahmemenge umgewandelt, d. h. über diejenige Menge, die aus dem Vorratstank 5 ausgetreten ist. Ein als weitere Komponente der Überwachungsmittel vorgesehener Vergleicher 11 vergleicht diese ihm von der Auswerteeinheit 10 zugeführte Information über die Reduktionsmittelentnahmemenge durch Differenzbildung mit der ihm von der Zudosiersteuereinheit 15 übermittelten Information über die von dieser ermittelten Reduktionsmittelzudosiermenge. Das vom Vergleicher 11 gelieferte Differenzsignal wird über eine erste Eingangsleitung 12 einer nachgeschalteten Schwellwertstufe 13 zugeführt, der über eine zweite Eingangsleitung 14 ein vorgebbarer Schwellwert zugeführt wird. Wenn die vom Vergleicher 11 berechnete Differenz zwischen der aus dem Vorratstank 5 ausgetretenen Reduktionsmittelentnahmemenge und der von der Zudosiersteuereinheit 15 ermittelten Reduktionsmittelzudosiermenge den positiv vorgegebenen Schwellwert betragsmäßig übersteigt, schaltet diese zur Erzeugung einer entsprechenden Fehlermeldung eine ansonsten ausgeschaltete Warnlampe 17 an.

Im gezeigten Beispiel sind die Zudosiersteuereinheit 15 sowie die Auswerteeinheit 10, der Vergleicher 11 und die Schwellwertstufe 13 der Überwachungsmittel in ein gemeinsames Steuergerät 18 integriert, das seinerseits Bestandteil eines Motorsteuergerätes oder eines anderen Fahrzeugsteuergerätes sein kann. Durch den Vergleich von aus dem Vorratstank 5 austretender Reduktionsmittelentnahmemenge und von durch die Zudosiersteuereinheit 15 ermittelter Reduktionsmittelzudosiermenge ermöglichen die Überwachungsmittel eine ständige Kontrolle der fehlerfreien Funktion der Komponenten der Stickoxidreduktionsmittel-Zudosiereinrichtung. So können beispielsweise Lecks im Vorratstank 5 oder in der Zudosierleitung 4 sowie Fehlfunktionen der Dosiereinheit 9 zuverlässig erkannt werden. Je nach Systemauslegung kann die Überwachung in Form von kontinuierlich bzw. zu vorgegebenen Zeitabständen bestimmten Momentanwerten oder anhand von über eine vorgebbare Zeitspanne hinweg integrierten Werten von Reduktionsmittelentnahmemenge und Reduktionsmittelzudosiermenge erfolgen. Bei der vorliegend als Beispiel beschriebenen Füllstandsmessung mit Differenzbildung zwischen Entnahmemenge und Zudosiermenge ist im allgemeinen zur Erzielung der Meßgenauigkeit die integrale Vorgehensweise von Vorteil, bei der die Reduktionsmittelentnahmemenge aus den Füllständen am Ende und zu Beginn des jeweiligen Meßzeitintervalls bestimmt wird, während die zu diesem Zeitraum gehörige Reduktionsmittelzudosiermenge aus einer zeitlichen Integration der von der Zudosiersteuereinheit 15 während des Meßzeitintervalls kontinuierlich ermittelten, momentanen Zudosiermenge berechnet wird. Ersichtlich ist diese integrale Überwachungsvariante relativ unempfindlich gegen kurzzeitige Störeinflüsse.

Die obige Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels zeigt, daß durch die Erfindung der Betrieb einer Einrichtung zur Stickoxidreduktionsmittelzudosierung zum Abgas einer Verbrennungsanlage zuverlässig auf Funktionsstörungen überwacht werden kann. Ersichtlich ist die Erfindung nicht nur für Kraftfahrzeug-Dieselmotoren, sondern auch für jede andere Art von Verbrennungsanlagen einsetzbar, die über eine Einrichtung zur steuerbaren Zudosierung eines Stickoxidreduktionsmittels zum Verbrennungsabgas verfügen. Die hierzu vorzusehenden Überwachungsmittel können anstelle der gezeigten Füllstandssensorik einen Durchflußmesser beinhalten, der in der Zudosierleitung vorzugsweise möglichst nahe des Auslasses des zugehörigen Reduktionsmittelspeichers angeordnet ist. Ein solcher Durchflußmesser eignet sich besonders auch für Systeme, bei denen das Reduktionsmittel gasförmig aus dem dann beispielsweise als Druckspeicher ausgebildeten Reduktionsmittelspeicher austritt. Für derartige Systemvarianten mit Durchflußmessung anstelle einer Füllstandsmessung sind ebenfalls wieder die beiden oben beschriebenen Varianten einer momentanen oder integralen Erfassung und Auswertung der Informationen über die Reduktionsmittelentnahmemenge bzw. die Reduktionsmittelzudosiermenge realisierbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur steuerbaren Zudosierung eines Stickoxidreduktionsmittels zum Abgas einer Verbrennungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die einem Reduktionsmittelspeicher (5) entnommene Reduktionsmittelentnahmemenge erfaßt und mit der von einer Steuereinheit (15) ermittelten Reduktionsmittelzudosiermenge jeweils in Form von Momentanwerten oder von über eine vorgebbare Zeitspanne hinweg integrierten Werten verglichen und im Fall einer durch den Vergleich festgestellten Abweichung eine Fehlermeldung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmittelentnahmemenge mittels einer Durchflußmessung oder mittels einer flüssigkeitsbewegungskorrigierten Füllstandsmessung erfaßt wird.

3. Vorrichtung zur steuerbaren Zudosierung eines Stickoxidreduktionsmittels zum Abgas einer Verbrennungsanlage, mit

• - einem Reduktionsmittelspeicher (5) und
• - einer Steuereinheit (15) zur Ermittlung der Reduktionsmittelzudosiermenge, gekennzeichnet durch
• - Überwachungsmittel (6, 10, 11, 13, 17) zur Überwachung der Stickoxidreduktionsmittelzudosierung durch Erfassen der aus dem Reduktionsmittelspeicher (5) entnommenen Reduktionsmittelentnahmemenge, Vergleichen derselben mit der von der Steuereinheit (15) ermittelten Reduktionsmittelzudosiermenge jeweils in Form von Momentanwerten oder von über eine vorgebbare Zeitspanne hinweg integrierten Werten und Erzeugen einer Fehlermeldung im Fall einer festgestellten Abweichung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel einen Durchflußmesser in einer Zudosierleitung (4) oder eine flüssigkeitsbewegungskorrigierende Füllstandssensorik (6, 10) zur Erfassung des Füllstands eines in dem Reduktionsmittelspeicher (5) in flüssiger Form bevorrateten Stickoxidreduktionsmittels beinhalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittelspeicher ein Vorratstank (5) vorgesehen ist, der mit flüssigkeitsbewegungsminimierenden Schwallwänden versehen ist und/oder in dessen Mittenbereich der Meßfühler (6) der Füllstandssensorik angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel eine das Durchfluß- oder das Füllstandsmeßsignal auswertende Einheit (10) und eine nachgeschaltete Vergleicherstufe (11, 13) beinhalten, die mit der Steuereinheit (15) für die Reduktionsmittelzudosierung in ein gemeinsames Steuergerät (18) integriert sind.