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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein entsprechendes Dosiersystem zur Steuerung der von einem Dosiersystem abgegebenen Einspritzmenge an Reduktionsmittel, das in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine stromauf eines NOx-Speicherkatalysators dem Abgas über das Dosiersystem zudosiert wird, wobei über eine Steuereinrichtung eine erforderliche Soll-Dosiermenge des Reduktionsmittels und eine tatsächlich zudosierte Ist-Dosiermenge des Reduktionsmittels ermittelt wird und wobei die Ist-Dosiermenge mit der Soll-Dosiermenge des Reduktionsmittels verglichen wird.
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In Abgasnachbehandlungssystemen mager verbrennender Motoren sind Komponenten zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) vorgesehen, um die zunehmend strikteren NOx-Grenzwerte einzuhalten. Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines sogenannten NOx-Speicherkatalysators, bei welchem während des Magerbetriebs Stickoxide kontinuierlich zwischengespeichert und so aus dem Abgas entfernt werden. Zur Regeneration wird in dem Abgas eine reduzierende Umgebung eingestellt, in der die eingelagerten Stickoxide reduziert und der Speicher für einen neuen Speicherzyklus freigegeben wird. Eine reduzierende Umgebung kann entweder durch Einstellen eines brennstoffreichen Betriebs der Brennkraftmaschine oder auch durch Zudosierung von Kraftstoff als Reduktionsmittel in das Abgas geschaffen werden. Letzteres hat den Vorteil, dass die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators weitgehend unabhängig vom Motorbetrieb ablaufen kann. Solche Systeme benötigen ein gesondertes Dosiersystem, mit welchem die Einspritzmenge an in das Abgas eingespritztem Kraftstoff möglichst genau einzustellen ist.
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Um eine störungsfreie Reduktionsmittelzugabe in dem Abgastrakt zu gewährleisten, gibt die
DE 601 05 917 T2 eine Diagnosevorrichtung zum Erfassen verschiedener Mängel einer Reduktionsmittelversorgungsvorrichtung an, welche zum Injizieren eines Reduktionsmittels in den im Abgassystem angeordneten NO
x-Katalysator verwendet wird. Bei dem Verfahren wird der Druck des Reduktionsmittels bei Zufuhr zu einer Injektionseinheit erfasst, über welchen sich zusammen mit der Injektionszeit die injizierte Menge des Brennstoffes ergibt. Zudem wird der tatsächliche Zustand des Abgases beispielsweise über die Sauerstoffkonzentration im Abgas erfasst. Die über den Druck ermittelte Reduktionsmittelmenge kann über bekannte Zusammenhänge bestimmten Sollwerten des Abgaszustandes zugeordnet werden. Diese Sollwerte werden mit den tatsächlichen Werten des Abgaszustandes verglichen und bei einer Abweichung auf einen Mangel in der Reduktionsmittelversorgungsvorrichtung geschlossen. Detaillierte Maßnahmen zum Beseitigen der Abweichungen werden nicht angegeben.
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Die
DE 60 2004 000 285 T2 offenbart ein Verfahren zur Erfassung eines Fehlers in der Reduktionsmittelerfassung auf Grundlage eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Hierbei wird eine tatsächliche Menge an zugeführtem Kraftstoff als Reduktionsmittel anhand eines Änderungsbetrages eines Luft-/Kraftstoffverhältnisses geschätzt. Die geschätzte Menge wird mit einer Sollmenge an Reduktionsmittel verglichen. Bei Abweichen der beiden Werte wird ein Zufuhrfehler erfasst. Die Kompensation des Zufuhrfehlers ist nicht Gegenstand der Offenbarung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein entsprechendes System zur Dosierung der Einspritzmenge eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt mit einer hohen Genauigkeit der Einspritzmenge bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Dosiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass aus dem Vergleich der Ist- mit der Solldosiermenge eine Korrekturgröße ermittelt wird und dass die Einspritzmenge unter Berücksichtigung der Korrekturgröße geregelt wird.
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Bei dem Dosiersystem ist vorgesehen, dass eine Vergleichseinheit vorhanden ist, mittels deren aus dem Vergleich der Ist- mit der Solldosiermenge eine Korrekturgröße ermittelbar ist und dass eine Regelvorrichtung gebildet ist, mittels deren die Einspritzmenge unter Berücksichtigung der Korrekturgröße regelbar ist.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Dosiersystems lassen sich unterschiedliche Einflussfaktoren auf die Einspritz- bzw. Dosiermenge über eine Regelung ausgleichen, sodass sich die Genauigkeit der Zudosierung erhöhen lässt. Die Funktion der Regelung kann dabei vorteilhaft zumindest teilweise z.B. in der Steuereinrichtung realisiert sein, die darüber hinaus für andere Steuerungs- und/oder Regelungsfunktionen ausgebildet sein kann. Einflüsse auf die Einspritzmenge können beispielsweise Umgebungseinflüsse wie Umgebungstemperatur, Kraftstofftyp (Viskosität/Dichte und z.B. deren Änderung über die Temperatur) und/oder der Zulaufdruck sein. Überdies können sich Einflüsse auf einzelne Komponenten des Dosiersystems und somit auf die Einspritzmenge auswirken. Diese können beispielsweise Fertigungs-/Genauigkeitstoleranzen, Alterungseffekte, Verschmutzung etc. sein. Erfindungsgemäß ist es nicht unbedingt notwendig, die Quellen der Störeinflüsse zu kennen, beispielsweise wenn es sich um die Summe von Abweichungen mehrerer Komponenten aufgrund von herstellungsbedingten und/oder alterungsbedingten Messungenauigkeiten handelt. Eine Kenntnis der Quelle(n) kann jedoch von Vorteil sein. Die Korrekturgröße kann z.B. aus einer sich aus einem Soll-/Istwert-Vergleich ergebenden Abweichung einer Regelgröße über einen rechnerischen Zusammenhang oder eine Verknüpfung über eine Tabelle ermittelt werden. Die Regelgröße ist dabei z.B. die Einspritzmenge oder eine damit zusammenhängende Größe. Mit der Korrekturgröße wird eine Stellgröße zur Regelung der Einspritzmenge verstellt. Die Berechnungsvorschrift kann variieren, z.B. je nach Regelstrategie und/oder Stellgröße. Denkbar wäre zudem eine Extrapolation von Korrekturgrößen unter bestimmten Einflüssen. Über die erfindungsgemäße Regelung kann eine angemessene Reduktion der Emissionen über die gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges gewährleistet werden.
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Bevorzugt ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ist-Dosiermenge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit einer Speichervolumenänderung in einem Druckspeicher einer Pumpen-Speichereinheit des Dosiersystems ermittelt wird. Eine derartige Ermittlung der Ist-Dosiermenge ist folglich insbesondere bei einem Dosiersystem mit einem Druckspeicher einer Pumpen-Speichereinheit möglich. So kann die Ist-Dosiermenge unabhängig vom Abgaszustand ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Ist-Dosiermenge in Abhängigkeit einer über einen stromab des NOx-Speicherkatalysators angeordneten NOx-Sensor bestimmten Umsatzrate ermittelt werden. Über den NOx-Sensor kann insbesondere eine Unterdosierung von Reduktionsmittel mithilfe der Steuereinrichtung erfasst werden, da sich in diesem Fall eine nicht ausreichende Umsatzrate von NOx im Abgas ergibt, sodass NOx detektiert wird. Auch eine Kombination der über den NOx-Sensor ermittelten Umsatzrate mit einem oder mehreren anderen Verfahren zur Ermittlung der Ist-Dosiermenge wäre denkbar.
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Wenn die Ist-Dosiermenge des Reduktionsmittels in Abhängigkeit der Speichervolumenänderung ermittelt wird, besteht eine vorteilhaft Variante der Erfindung darin, dass die Speichervolumenänderung im Druckspeicher über eine aus einem Anfangsdruck und einem Enddruck des Entnahmezeitraums gebildete Druckdifferenz ermittelt wird. Der Entnahmezeitraum entspricht z.B. der Dauer eines, oder ggf. auch mehrerer, Einspritzvorganges und wird vorzugsweise über die Steuereinrichtung ermittelt und vorgegeben. Zur Druckermittlung kommt ein, bevorzugt an dem Druckspeicher der Pumpen-Speichereinheit angebrachter, Drucksensor zum Einsatz. So kann beispielsweise bei Verwendung eines Federspeichers als Druckspeicher über das bekannte Druckspeichervolumen und die Federrate einer Druckspeicherfeder, unter Berücksichtigung der Reibkräfte in der Kolbenführung, auf das eingespritzte Volumen geschlossen werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass sich aufgrund der Differenzdruckbildung ein Offset des Drucksensors herausrechnet und somit eine genauere Druckmessung als bei der Verwendung eines Absolutdrucks erhalten werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich, z.B. zu Kontrollzwecken, kann es vorgesehen sein, dass die Speichervolumenänderung über die Hubstellung eines Speicherkolbens druckunabhängig ermittelt wird. Hierbei können mit der Anbringung eines induktiven oder kapazitiven Sensors an dem Druckspeicher berührungslos der Kolbenhub und dessen Änderung während eines Einspritzvorgangs, und somit auch das eingespritzte Volumen ermittelt werden. Dies ermöglicht es, auf Messwerte eines Drucksensors zu verzichten, sodass diese Vorgehensweise z.B. auch eine Überprüfung einer mit Hilfe eines Drucksensors ermittelten Einspritzmenge erlaubt.
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Eine Soll-Dosiermenge lässt sich besonders einfach erhalten, wenn sie aus einem in der Steuereinrichtung hinterlegten Kennfeld drehzahl- und drehmomentabhängig ermittelt wird. Vorteilhaft wurde dieses Kennfeld zuvor z.B. an einem Prüfstand experimentell bestimmt und in der Steuereinrichtung hinterlegt. Denkbar wäre auch, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Dosiersystem zusätzlich oder auch alternativ Kraftstoff für die Regeneration eines Diesel-Partikelfilters (DPF) in den Abgastrakt zudosiert. Hierfür wäre ein gesondertes Kennfeld zu ermitteln und in der Steuereinrichtung zu hinterlegen.
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Vorzugsweise kann die Zudosierung der Einspritzmenge über Vorgabe einer Druckdifferenz im Druckspeicher des Dosiersystems erfolgen. Dabei wird die geforderte Soll-Dosiermenge in eine Volumenänderung des Speichervolumens und diese wiederum, unter Berücksichtigung der Federkonstante, von Reibung etc., in eine entsprechende Druckdifferenz umgerechnet. Nun kann abhängig von einem gegebenen Anfangsdruck ein Entnahmezeitraum so lange gewählt werden, d.h. das Ventil so lange geöffnet bleiben, bis sich ein gewisser Enddruck entsprechend der vorgegebenen Druckdifferenz im Speicher eingestellt hat. Als weitere Möglichkeit kann ein Anfangsdruck im Druckspeicher bestimmt werden (z.B. errechnet oder einem hinterlegten Kennfeld entnommen), mit dem sich die geforderte Druckdifferenz über einen konstanten Entnahmezeitraum einstellt. Dieser bestimmte Anfangsdruck wird dann im Druckspeicher eingestellt und ausgehend davon mithilfe des Drucksensors und der Steuereinrichtung Reduktionsmittel in den Abgastrakt über den konstanten Entnahmezeitraum zudosiert. Alternativ zu der Vorgabe der Druckdifferenz kann die Zudosierung der Einspritzmenge vorteilhaft über Vorgabe der Öffnungsdauer einer Einspritzvorrichtung des Dosiersystems erfolgen. Die Einspritzvorrichtung weist vorzugsweise einen Magnetventilinjektor auf. Besonders einfach ist es hierbei, wenn Ansteuerdauern in Abhängigkeit von dem Speicherdruck in einem empirisch ermittelten Kennfeld hinterlegt sind, die nötig sind, um eine gewisse Einspritzmenge bereitzustellen. Unter Kenntnis und/oder Annahme von spezifischen (Stoff-)Daten des Reduktionsmittels ließe sich die Ansteuerdauer der Einspritzvorrichtung auch berechnen.
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Für einen ausreichend schnellen Druckaufbau im Druckspeicher, um eine geforderte Soll-Dosiermenge bereitstellen zu können, ist es von Vorteil, wenn die Ansteuerung einer Pumpe der Pumpen-Speichereinheit so geführt wird, dass ein Pumpenkolben der Pumpe bei einem Arbeitshub die hintere Endlage erreicht. Dies gilt insbesondere, wenn als Pumpe vorteilhaft eine Hubmagnetpumpe zum Einsatz kommt. Die hintere Endlage bildet einen sogenannten Mechanical Stop Point (MSP). Durch Erreichen der hinteren Endlage kann die Pumpe die maximal mögliche Menge pro Arbeitshub in den Druckspeicher fördern. Eine weitere Möglichkeit, einen schnelleren Druckaufbau im Druckspeicher bereitzustellen, ist die Erhöhung der Ansteuerfrequenz der Pumpe. Die Pumpe führt somit mehr Hübe pro Zeiteinheit durch und kann den Speicher schneller füllen.
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Um das Erreichen der hinteren Endlage des Pumpenkolbens sicherzustellen, wird dieses vorzugsweise mittels einer Stromsignalanalyse und/oder einer Drucksignalanalyse überwacht. Dabei wird für die Stromsignalanalyse ein durch die Bewegung des Pumpenkolbens induzierter Stromverlauf aufgezeichnet, aus dessen Verlauf Rückschlüsse auf die Kolbengeschwindigkeit und insbesondere auf den MSP gezogen werden können. Ein entsprechendes Verfahren ist in der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2014 223 066 der Anmelderin beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann das Drucksignal aufgezeichnet werden. Hierbei kann der MSP z.B. über eine Oszillation im Druckverlauf detektiert werden.
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Um eine Überlastung der für die Zudosierung verwendeten Steuereinrichtung zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass Pumpvorgänge der Pumpe mittels der Steuereinrichtung derart gesteuert werden, dass sie zeitlich nicht mit Dosiervorgängen überlappen. Ansonsten können Pumpvorgänge unabhängig von Dosiervorgängen gesteuert werden. Insbesondere kann es bei einem nicht leckagefreien System notwendig sein, auch ohne Dosierereignis periodisch zu pumpen, um einen bestimmten Speicherdruck aufrecht zu erhalten.
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Eine vorteilhafte Ansteuerung der Einspritzvorrichtung wird dadurch erreicht, dass ein Ventil der Einspritzvorrichtung während einer Ventil-Ansteuerdauer mit einem Öffnungsstrom und anschließend mit einem gegenüber dem Öffnungsstrom um mindestens 10% reduzierten Haltestrom bestromt wird. Das Ventil ist dabei insbesondere ein Magnetventil und die Ventil-Ansteuerdauer ist mit der Öffnungsdauer über einen Faktor korreliert oder entspricht dieser. Der hohe Öffnungsstrom führt zu einem schnellen Öffnen des Ventils. Wenn das Ventil aufgrund herrschender Umgebungsbedingungen nicht vollständig öffnet, kann zusätzlich eine Verstärkung integriert werden, beispielsweise über eine separate Spannungsversorgung (z.B. einem Kondensator in der Ventilsteuereinheit). Diese stellt für einen kurzen Zeitraum, z.B. 2–4 ms, eine höhere Spannung zur Verfügung, was in einem schnelleren Stromanstieg resultiert und somit auch in einem schnelleren Öffnen des Ventils. Je nach Ausgestaltung der Verstärkung können abhängig von der Verstärkungsspannung auch höhere Öffnungsströme zu Stande kommen. Der Haltestrom hält das Ventil offen. Im Anschluss an die Ventil-Ansteuerdauer wird vorzugsweise eine negative Spannung, beispielsweise die negative Batteriespannung, angelegt, um eine schnelle Entmagnetisierung einer Magnetspule des Ventils und damit ein schnelles Schließen zu gewährleisten.
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Für eine Regelung der Einspritzmenge bei einer Soll-Istwertabweichung wird vorzugsweise die Einspritzmenge über Variation der Öffnungsdauer der Einspritzvorrichtung angepasst. Alternativ wird die Einspritzmenge über eine Änderung des Drucks, insbesondere des Anfangsdrucks, im Druckspeicher angepasst. Letzteres ist dabei besonders vorteilhaft bei einem Dosiersystem mit einer Pumpen-Speichereinheit anwendbar, da hier der Druck stromauf der Einspritzvorrichtung unabhängig von einem Systemdruck eines anderen, z.B. übergeordneten Systems im Fahrzeug über die systemeigene Pumpe regelbar ist. Denkbar wäre auch eine Kombination beider Maßnahmen, wobei jedoch die Regelung entsprechend aufwändig wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Regelung ergeben sich, wenn die Korrekturgröße in der Steuereinrichtung hinterlegt wird und/oder in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen verschiedene Korrekturgrößen gebildet und in der Steuereinrichtung hinterlegt werden. So kann nachfolgend zu der erfindungsgemäßen Ermittlung einer Korrekturgröße einfach auf diese zurückgegriffen und eine Soll-Dosiermenge mittels der Korrekturgröße korrigiert werden. Eine besonders präzise Regelung lässt sich erhalten, wenn in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebszuständen oder Betriebszustandsbereichen des Verbrennungsmotors, z.B. drehzahl- und drehmomentabhängig, unterschiedliche Korrekturgrößen hinterlegt werden. Die erfindungsgemäße Ermittlung einer Korrekturgröße kann z.B. auch zur Überprüfung bei jedem Dosiervorgang durchgeführt werden, wobei bereits ermittelte Korrekturgrößen abgeglichen und bei einer Änderung, beispielsweise durch Alterungseffekte von Komponenten des Dosiersystems oder auch des NOx-Speicherkatalysators, überschrieben werden können. Auf diese Weise lässt sich eine lernfähige Regelung erhalten. Es kann auch vorgesehen sein, Überprüfungen der Korrekturgrößen in lediglich gewissen Zeitabständen oder in Abhängigkeit von Ereignissen, beispielsweise Wartungen, durchzuführen. Wird bei einem Einspritzzyklus kein Soll-Istwert-Vergleich mit anschließender Korrekturgrößenbildung durchgeführt, kann die Regelung dennoch auf die bereits hinterlegten Korrekturgrößen zurückgriffen und eine Korrektur der Soll-Dosiermenge durchführen. Unabhängig von der Hinterlegung einer/mehrerer Korrekturgrößen ist es denkbar, dass bei dem Soll-Istwertabgleich eine Bewertung der Abweichung vorgenommen wird. Liegt die Abweichung beispielsweise außerhalb eines gewissen Toleranzbereiches, könnte eine Fehlermeldung ausgegeben werden, die auf einen Defekt des Systems hinweist. Ein solcher könnte sich beispielsweise ergeben, wenn das Ventil der Einspritzeinrichtung blockiert ist und keine Regelung der Einspritzmenge mehr möglich ist.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Dosiersystem anwendbar, welches eine Pumpen-Speichereinheit mit einer Pumpe und einem Druckspeicher aufweist. Vorzugsweise umfasst das Dosiersystem zusätzlich weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Rückschlagventil, einen oder mehrere Drucksensoren und dgl.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Abbildung eines erfindungsgemäßen Dosiersystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, eingeordnet in ein Gesamtsystem,
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2 ein Blockschaltbild zur Bereitstellung einer Einspritzmenge ohne Regelung,
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3a, b ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelung (3a) und beispielhaft vereinfacht den Druckverlauf bei einer druckvariierten Regelung (3b),
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4 Druck- und Stromsignalverläufe einer Pumpe einer Druck-Speichereinheit zur Bestimmung einer hinteren Endlage des Pumpenkolbens,
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5 Steuerspannungs- und Stromverläufe eines Ventils einer Einspritzvorrichtung bei einer beispielhaften Ansteuerstrategie und
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6 einen Stromsignalverlauf eines Ventils der Einspritzvorrichtung während einer Ansteuerdauer.
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1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Dosiersystem 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und andeutungsweise dessen Einbettung in das Gesamtsystem eines Kraftfahrzeuges. Hierzu sind als weitere Untersysteme ein Niederdruckkreislauf 1 des Kraftstoffes mit einem Kraftstoffvorratsbehälter 10, sowie eine Brennkraftmaschine 2 dargestellt, wobei die Brennkraftmaschine 2 in vorliegendem Beispiel von einem Dieselmotor gebildet wird. Der Niederdruckkreislauf 1 befindet sich stromauf des Dosiersystems 3. Stromab der Brennkraftmaschine 2 ist ein Abgastrakt 4 mit einer Abgasleitung 40 angeordnet, mittels der von der Brennkraftmaschine 2 gebildetes Abgas durch eine Abgasnachbehandlungsanlage 44 geführt wird. Die Abgasnachbehandlungsanlage 44 umfasst einen NOx-Speicherkatalysator 44.1 und einen stromab davon angeordneten Diesel-Partikelfilter 44.2 (DPF). Zudem könnten weitere, hier nicht dargestellte Komponenten in der Abgasnachbehandlungsanlage 44 angeordnet sein, wie etwa ein Oxidationskatalysator. Auch wäre ein Gesamtsystem mit einem mager betriebenen Ottomotor und einer entsprechenden Abgasnachbehandlungsanlage 44 denkbar, die ebenfalls einen NOx-Speicherkatalysator 44.1 aufweisen kann. In der Abgasleitung 40 sind darüber hinaus verschiedene Sensoren, wie Temperatursensoren 42, ein NOx-Sensor 43 zur Detektion von Stickoxiden im Abgas stromab des NOx-Speicherkatalysators 44.1 und ein dem DPF 44.2 zugeordneter Differenzdrucksensor 41 angeordnet. Weitere Sensoren können vorhanden sein, z.B. mindestens eine Lambdasonde. Dem Gesamtsystem ist weiterhin eine Steuereinheit 8 zugeordnet, mit dem die elektrischen Komponenten über Signalleitungen verbunden sind.
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Der Aufbau des Dosiersystems
3 entspricht in seinen wesentlichen Komponenten einem solchen, wie es z.B. auch in der
DE 10 2012 204 385 A1 der Anmelderin angegeben ist. Das Dosiersystem
3 dient der Zudosierung von Kraftstoff (in vorliegendem Beispiel Diesel) als Reduktionsmittel in Abgas stromauf des NO
x-Speicherkatalysators
44.1 mittels einer Einspritzvorrichtung
35. Auch ein Einsatz des Reduktionsmittels zur Regeneration des DPF
44.2 wäre möglich. Für die Zudosierung weist die Einspritzvorrichtung
35 des Dosiersystems
3 beispielsweise einen in die Abgasleitung
40 weisenden Magnetventil- oder vergleichbaren Injektor (z.B. Piezo-) mit einem Ventil auf, das in diesem Falle z.B. ein Magnetventil
35.1 ist. Der Magnetventilinjektor erlaubt eine feine Zerstäubung des Reduktionsmittels und damit eine gute Verteilung im Abgas. Zur Einspritzung des Reduktionsmittels über die Einspritzvorrichtung
35 ist ein hoher Druck nötig, der zumindest höher ist als der Abgasdruck, und geeignet ist, um eine ausreichende Menge an Reduktionsmittel mit einer entsprechenden Zerstäubung am Ventil in den Abgasstrang einzudosieren. Hierzu sind beispielsweise Drücke von mehr als
10 bar, z.B. 30 bar, geeignet. Der entsprechende Druck wird von einer Pumpen-Speichereinheit
30 bereitgestellt, die über eine Reduktionsmittelleitung
34 mit der Einspritzvorrichtung
35 verbunden ist.
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Die Pumpen-Speichereinheit 30 ist in einem Gehäuse 31 angeordnet und umfasst einen Druckspeicher 33 sowie eine stromauf des Druckspeichers 33 in der Reduktionsmittelleitung 34 angeordnete Pumpe 32. Die Pumpe 32, die insbesondere eine Hubmagnetpumpe sein kann, bringt den aus dem Niederdruckkreislauf 1 entnommenen Kraftstoff auf den für seinen Einsatz als Reduktionsmittel erforderlichen hohen Druck. Somit ist der Druck des Reduktionsmittels für die Regelung unabhängig von einem Gesamtdruck regelbar. Über ein Rückschlagventil 34.1 gelangt das Reduktionsmittel in den Druckspeicher 33, der hier als Federspeicher vorgesehen ist. Möglich wären andere Druckspeichersysteme, beispielsweise hydraulische Speicher. In dem Druckspeicher 33 wird das Druckniveau des Reduktionsmittels über einen Speicherkolben 33.1, der mit einer Speicherkolbenfeder 33.2 versehen ist, aufrechterhalten. Dem Druckspeicher 33 ist ferner ein Drucksensor 33.3 zugeordnet, der den Speicherdruck misst und an eine Steuereinrichtung 36 des Dosiersystems 3 überträgt. Liegt das Druckniveau unterhalb eines bestimmten Sollwertes, kann der Druckspeicher 33 über die Pumpe 32 aufgeladen werden, d.h. der Druck kann erhöht werden. Die Pumpe 32, der Druckspeicher 33 sowie die Einspritzvorrichtung 35 und ggf. weitere Komponenten des Dosiersystems 3 stehen mit der Steuereinrichtung 36 in Datenübertragungsverbindung. Die Steuereinrichtung 36 ist dabei vorzugsweise in der übergeordneten Steuereinheit 8 integriert und weist zudem eine Regelvorrichtung 58 mit einer Vergleichseinheit 37 auf.
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2 zeigt schematisch eine Steuerung der erforderlichen Einspritzmenge zunächst ohne Regelung, wie sie bevorzugt über die Steuereinrichtung 36 läuft. Als Eingangsgrößen liegen z.B. der von dem Drucksensor 33.3 übermittelte aktuelle Anfangsdruck 53 im Speicher vor, sowie eine dem Abgas zuzuführende Soll-Dosiermenge 51 an Reduktionsmittel. Die Soll-Dosiermenge 51 wurde dabei z.B. drehzahl- und drehmomentabhängig aus einem in der Steuereinrichtung 36 hinterlegten Kennfeld ermittelt. Diese und/oder ggf. weitere Größen werden einer Stellgrößenermittlung 54 zugeführt. Die Stellgrößenermittlung 54 kann z.B. empirische Kennfelder und/oder Berechnungsvorschriften enthalten, über welche eine entsprechend einzustellende Stellgröße 55 ermittelt wird, um die angeforderte Soll-Dosiermenge 51 einzustellen. Entsprechend wird die Einspritzvorrichtung 35 angesteuert und eine Ist-Dosiermenge 52 in die Abgasleitung eingespritzt.
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Denkbar sind unterschiedliche, beispielsweise Steuerstrategien mit Zeit- oder Drucksteuerung. Bei der Strategie mit Zeitsteuerung erfolgt die Steuerung der Einspritzmenge über eine Ansteuerdauer 76 (vgl. 5 und 6) als Stellgröße 55 der Einspritzvorrichtung 35 zur Öffnung des Magnetventils 35.1 in Abhängigkeit von dem Speicherdruck, insbesondere dem Anfangsdruck 53. Die Ermittlung der Ansteuerdauer 76, die nötig ist, um eine gewisse Einspritzmenge bereitzustellen, kann in Abhängigkeit von dem Anfangsdruck 53 über ein empirisch ermitteltes Kennfeld erfolgen. Auch eine Berechnung wäre denkbar.
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Bei einer Strategie mit Drucksteuerung erfolgt die Steuerung bevorzugt über eine aus dem Anfangsdruck 53 und dem Enddruck im Druckspeicher 33 (nach einem Entnahmezeitraum) gebildete Druckdifferenz 61 (vgl. 3b) als Stellgröße 55. Dabei wird die geforderte Soll-Dosiermenge 51 in eine entsprechende Druckdifferenz 61 umgerechnet. Das Ventil wird geöffnet und sobald der Enddruck zur Bildung der gewünschten Druckdifferenz 61 erreicht ist, wird es wieder geschlossen. Dies erfordert eine Überwachung des Druckverlaufes während des Einspritzzeitraums, bevorzugt über die Steuereinrichtung 36. Bei dieser Strategie können sich, je nach Anfangsdruck 53 und/oder Beeinflussung durch Einflussgrößen, unterschiedliche Öffnungszeiten des Ventils ergeben. Denkbar ist, dass im Falle, dass sich die gewünschte Druckdifferenz 61 über einen maximalen (bestimmbaren) Zeitraum nicht einstellt, ein Fehler ausgegeben wird. Z.B. könnte in diesem Fall ein Defekt, beispielsweise ein Klemmen, des Ventils vorliegen. Soll die Öffnungszeit konstant gehalten werden, wäre die Steuerung der Einspritzmenge auch über den Anfangsdruck 53 als Stellgröße 55 denkbar. Durch eine Variation des Anfangsdruckes 53 im Druckspeicher 33 lassen sich Einspritzmengen bei kontanter Ventilöffnungszeit variieren, sodass auf diese Weise unterschiedliche, von dem Motorbetriebszustand abhängige, Soll-Dosiermengen 51 und damit zusammenhängende Druckdifferenzen 61 bei konstanter Öffnungszeit erreichbar sind. Die Änderung der Druckdifferenz 61 durch Erhöhung des Anfangsdrucks 53 ist in 3b veranschaulicht. Die Möglichkeit einer Steuerung unter Bezugnahme auf die Druckdifferenz 61 ergibt sich insbesondere bei dem Dosiersystem 3 mit dem Druckspeicher 33 und der systemeigenen Pumpe 32, die eine von einem übergeordneten Systemdruck abgekoppelte Steuerung erlaubt.
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3a stellt ein Blockschaltbild mit einer erfindungsgemäßen Regelung der Einspritzmenge mittels der Steuereinrichtung 36 dar. Die Regelung läuft über eine Regelvorrichtung 58 ab, die vorzugsweise in der Steuereinrichtung 36 enthalten bzw. integriert ist. Dabei wird zunächst wie in 2 eine Stellgröße 55 ermittelt. Die ermittelte Stellgröße 55 kann nun an ein Regelglied 58.1 übergeben werden, wo festgestellt wird, ob bereits eine Korrekturgröße K, die auch von den Betriebsbedingungen abhängen kann, ermittelt wurde. In diesem Fall wird vorzugsweise die entsprechende Korrekturgröße K aus einem Korrekturgrößenspeicher 57 entnommen, der z.B. eine entsprechende Tabelle oder ein Kennfeld enthalten kann. Die Stellgröße 55 wird nun über die Korrekturgröße K korrigiert und die korrigierte Stellgröße 55 der Einspritzvorrichtung 35 vorgegeben. Anschließend wird die tatsächlich eingespritzte Ist-Dosiermenge 52 über ein Vorgehen A, B oder C ermittelt, wobei auch mehrere Vorgehensweisen z.B. zur Überprüfung miteinander kombiniert werden können. Denkbar wären auch weitere Vorgehensweisen.
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Bei dem Vorgehen A wird die Speichervolumenänderung in dem Druckspeicher 33 aus der Druckdifferenz 61 (gebildet zwischen dem Anfangs- und Enddruck des Entnahmezeitraums) ermittelt, die der Ist-Dosiermenge 52 entspricht. Bei dem Vorgehen B wird die Speichervolumenänderung über die Hubstellung des Speicherkolbens 33.1 druckunabhängig ermittelt wird. Hierfür kommen ein induktiver und/oder kapazitiver Sensor an dem Druckspeicher 33 zum Einsatz, über den berührungslos der Kolbenhub und somit auch das eingespritzte Volumen bestimmt werden können. Bei dem Vorgehen C wird die Ist-Dosiermenge 52 in Abhängigkeit einer über einen stromab des NOx-Speicherkatalysators 44.1 angeordneten NOx-Sensor 43 bestimmten Umsatzrate ermittelt. Da bei den unterschiedlichen Vorgehensweisen die Ist-Dosiermenge 52 aus unterschiedlichen Größen berechnet wird, kann es sinnvoll sein, sie zumindest teilweise oder zeitweise redundant auszuführen, um sie gegenseitig zu plausibilisieren. Denkbar wäre auch eine direkte Durchflussmessung, z.B. mittels MFC, die jedoch einen zusätzlichen Komponentenaufwand bedeuten würde.
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Die auf diese Art ermittelte Ist-Dosiermenge 52 wird der Vergleichseinheit 37 für einen Soll-Istwert-Vergleich 50 in zugeführt. Wird eine Abweichung festgestellt, wird über ein Regelglied 58.1 die Korrekturgröße K angepasst oder neu ermittelt, falls noch keine Korrekturgröße K vorlag. In die Ermittlung kann auch die ursprünglich ermittelte, unkorrigierte Stellgröße 55 einbezogen werden, die ebenfalls dem Regelglied 58.1 zugeführt werden kann. Die Korrekturgröße K wird in dem Korrekturgrößenspeicher 57 hinterlegt, wobei sie eine bereits hinterlegte Korrekturgröße K überschreiben kann. So wird eine lernfähige und sich ständig anpassende Regelung ermöglicht. Zur Überprüfung kann ebenfalls die Ist-Stellgröße 56 dem Regelglied 58.1 zugeführt werden.
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Auch bei der in 3a gezeigten Regelung kommen unterschiedliche Strategien in Frage, z.B. angelehnt an die bezüglich 2 beschriebenen Steuerstrategien. So kann bei einer zeitgesteuerten Regelung beispielsweise die Ansteuerdauer 76 die korrigierte Stellgröße 55 sein und sich entsprechend die Korrekturgröße K auf die Ansteuerdauer 76 beziehen. Bei einer druckgesteuerten Regelung mit konstanter Öffnungsdauer ist als Stellgröße 55 mittels der Korrekturgröße K der Anfangsdruck korrigierbar, mit variabler Öffnungsdauer die Druckdifferenz 61. 3b veranschaulicht dabei in einer Darstellung einer Druckachse 59 über einer Zeitachse 60 die Auswirkung einer Änderung des Anfangsdrucks 53, der mittels einer Korrekturgröße K auf einen Anfangsdruck 53‘ korrigiert wird. Wird dieser eingestellt, ergibt sich eine gegenüber der Druckdifferenz 61 erhöhte Druckdifferenz 61‘ über den gleichen Zeitraum. Bei einer druckgesteuerten Regelung kann überdies eine Plausibilisierung des Druckwertes sinnvoll sein. Liegt beispielsweise der Wert des Drucksensors 33.3 außerhalb seines Messbereiches, kann über eine Diagnose Fehlerprüfung ein Fehler gemeldet werden.
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Für die erfindungsgemäße Regelung sollte die Pumpe
32 den Druckspeicher
33 so schnell befüllen, dass das für den nächsten Einspritzvorgang benötigte Druckniveau, zumindest aber das benötigte Volumen auf Abruf verfügbar ist. Der schnellste Druckaufbau findet statt, wenn die Pumpe
32 bei jedem Hub eine hintere Endlage
65 des Pumpenkolbens, einen sogenannten Mechanical Stop Point, MSP, erreicht. Hierbei fördert dann die Pumpe
32 die maximal mögliche Menge pro Hub in den Druckspeicher
33. Zusätzlich kann durch Erhöhung der Pumpfrequenz ein schnellerer Druckaufbau erreicht werden. Informationen diesbezüglich können aus einem hochfrequent abgetasteten Druck- und Stromsignal der Pumpe
32 entnommen werden, wie sie in
4 dargestellt sind. Dabei lässt das Drucksignal der Pumpe
32, dargestellt in dem oberen Diagramm mit der Druckachse
59 über der Zeit
60, zum einen das von der Pumpe
32 erbrachte Druckniveau erkennen. Das untere Diagramm zeigt das Signal des Pumpen-Stroms
66 über der Zeitachse
60. Dabei weist der Stromsignalverlauf über den Pumpen-Einspritzzyklus
62 einen charakteristischen Verlauf auf. Insbesondere unterscheiden sich die Zweige während der Pumpen-Ansteuerdauer
63 und dem Pumpenkolben-Rückweg
64. Aus dem Druck- und Stromsignal können Rückschlüsse auf die Kolbengeschwindigkeit sowie dessen Stellung gezogen werden. Ein Verfahren, wie aus dem Stromsignal der MSP erkennbar ist, ist beispielsweise in der eingangs genannten noch nicht veröffentlichen Patentanmeldung
DE 10 2014 223 066 der Anmelderin beschrieben. Der MSP kann zudem über eine Oszillation im Drucksignal, wie in
4, oberes Diagramm erkennbar ist, detektiert werden. Für die Detektion der Oszillation kann eine Bit-Maske verwendet werden, wobei für das Verhalten des Drucks unterschiedliche Bits gesetzt werden, die jeweils einer Bedingung entsprechen (z.B. bei Wendepunkten der Druckkurve). Wenn alle Bedingungen erfüllt sind, wird die Bit-Maske mit einer vorher definierten MSP-Maske verglichen. Bei Übereinstimmung ist der MSP, genauer die hintere Endlage
65, detektiert. Für eine gegenseitige Plausibilisierung können beide Verfahren herangezogen werden.
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Wird bei der Strom- und/oder Drucksignalanalyse festgestellt, dass der MSP nicht erreicht wird, kann steuerseitig die Ansteuerdauer der Pumpe und/oder die Steuerspannung erhöht werden. Eine Erhöhung der Ansteuerdauer der Pumpe führt dazu, dass die Pumpe 32 auch noch bei höheren Drücken den vollen Hub ausführen kann (je höher der Speicherdruck, desto langsamer die Kolbengeschwindigkeit). Mit einer Erhöhung der Spannung kann der Stromhochlauf beschleunigt und damit der MSP schneller erreicht werden. Eine zusätzliche Maßnahme für einen schnelleren Druckaufbau ist die Erhöhung der Pumpfrequenz.
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Für die Ansteuerung der Einspritzvorrichtung kommt bei der erfindungsgemäßen Regelung vorteilhaft eine sogenannte Peak- and Hold-Ansteuerung zum Einsatz. Ein entsprechender beispielhafter Spannung- und Stromverlauf ist in 5 dargestellt. Das obere Diagramm zeigt eine Ventil-Spannung 70, das untere einen entsprechenden Ventil-Strom 71 über der Zeitachse 60. Dargestellt ist jeweils eine Ventil-Ansteuerdauer 76, die sich aufteilt in eine Öffnungsstromdauer 74 mit Bereitstellung eines Öffnungsstroms 72 und eine Haltestromdauer 75, wobei ein Haltestrom 73 bereitgestellt wird. Der hohe Öffnungsstrom 75 führt zu einem schnellen Öffnen des Ventils. Der in diesem Beispiel um mehr als 50% reduzierte Haltestrom reicht aus, um das Ventil offen zu halten. Erhalten wird ein derartiger Verlauf des Ventilstroms 71 durch eine entsprechende Taktung der Spannung, z.B. durch Pulsweitenmodulation (s. oberes Diagramm). Nach Beendigung der Ventil-Ansteuerung wird die negative Batteriespannung angelegt, um eine schnelle Entmagnetisierung der Spule und damit ein schnelles Schließen des Ventils zu gewährleisten.
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Bei der Regelung ist ferner zu beachten, dass die Ventil-Ansteuerdauer 76 nicht exakt dessen Öffnungszeit entspricht. Dies verdeutlicht ein in 6 dargestelltes Ventil-Stromsignal 77 über der Zeitachse 60. Die Figur verdeutlicht, dass die Ventil-Öffnungsdauer 78, innerhalb derer das Ventil zumindest nahezu vollständig geöffnet ist, kürzer ist als die Ventil-Ansteuerdauer 76. Dieser Einfluss kann über Faktoren, die z.B. in einem Kennfeld in der Steuereinrichtung 36 hinterlegt sind, korrigiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit der Regelung unter Einbeziehung einer Korrekturgröße K ist besonders zum Einsatz mit dem Dosiersystem 3 geeignet, das die beschriebene Pumpen-Speichereinheit 30 aufweist. Mit einem derartigen Dosiersystem 3 ergeben sich vielfältige Regelstrategien, insbesondere auch über die Einbeziehbarkeit und/oder Anpassbarkeit des Drucks und/oder Druckdifferenzen 61. Dies bezieht sich sowohl auf die Stellgrößen als auch auf die Möglichkeit, die Ist-Dosiermenge 52 zu ermitteln. Die einzelnen möglichen Verfahren können dabei für eine gegenseitige Plausibilisierung bzw. Überprüfung redundant ausgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Genauigkeit der Einspritzmenge an Reduktionsmittel erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60105917 T2 [0003]
- DE 602004000285 T2 [0004]
- DE 102014223066 [0015, 0038]
- DE 102012204385 A1 [0029]