DE102016219834B4

DE102016219834B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Tankinhalts eines Vorratstanks eines Abgasnachbehandlungssystems

Info

Publication number: DE102016219834B4
Application number: DE102016219834.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Brandt
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2036-10-13
Also published as: WO2018068924A1; US11261773B2; US20200040787A1; CN109923290B; DE102016219834A1; KR20190057391A; KR102230828B1; CN109923290A

Abstract

Verfahren zur Überwachung des Tankinhalts eines Vorratstanks (103) eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems (100) zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, wobei über eine Leitung (108) und eine Dosiervorrichtung (110) des Systems (100) eine Flüssigkeit (101) aus dem Vorratstank (103), die eine Konzentration (K) bezüglich eines Reduktionsmittels aufweist, in einen Abgasstrang (102) des Fahrzeugs eingebracht wird, aufweisend die Schritte:
Ermitteln (S701) eines aktuellen Konzentrationswertes (K_neu) für das Reduktionsmittel,
Berechnen (S703) einer Konzentrationsänderung (ΔK) des Reduktionsmittels, anhand des aktuellen Konzentrationswertes (K_neu) im Vergleich zu einem gespeicherten Konzentrationswert (K_alt),
Bestimmen (S704) eines aktuellen Betriebszustands des Fahrzeugs, zur Unterscheidung, ob ein Betriebszustand, in dem eine Betankung durchgeführt werden kann, vorliegt oder nicht, und
Durchführen (S708) einer Plausibilitätsprüfung der berechneten Konzentrationsänderung (ΔK), falls die berechnete Konzentrationsänderung (ΔK) einen vorbestimmten Schwellenwert (th1) überschreitet und ein Betriebszustand vorliegt, in dem eine Betankung nicht in Betracht kommt,
wobei für die Plausibilitätsprüfung ein Ermitteln (S702) des aktuellen Tankfüllstands (h_neu) der Flüssigkeit (101) verwendet wird.

Description

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Tankinhalts eines Vorratstanks eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs beschrieben.
Moderne Dieselmotoren sind zunehmend mit SCR-Systemen (SCR: selektive katalytische Reduktion, Englisch: „selective catalytic reduction“) zur Abgasnachbehandlung ausgestattet. Hierbei wird ein Additiv, das ein Reduktionsmittel aufweist, gesteuert in die Abgasanlage des Motors eingespritzt. Das eingespritzte Additiv wird dann in der Abgasanlage thermisch zersetzt, wobei das dabei entstehende NH₃ in einem nachgeschalteten Katalysator gespeichert wird, wo es mit NO_x-Bestandteilen des Abgases zu für die Umwelt unschädlichen Reaktionsprodukten, wie N₂, H₂O, reagiert.
Zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Funktion des SCR-Systems ist es notwendig, eine fehlerhafte Komponente und einen nicht ordnungsgemäßen Gebrauch des Systems im Fahrzyklus schnellstmöglich zu erkennen und zu identifizieren. Daher schreibt der Gesetzgeber die Überwachung der abgasrelevanten Systemkomponenten während des Systembetriebes vor. Dabei sollte sowohl die Manipulation der Komponenten als auch eine Fehlfunktion erkannt werden.
In der DE 10 2012 004 269 A1 wird eine Fördereinheit zur Förderung eines flüssigen Additivs aus einem Tank beschrieben. Die Fördereinheit kann in dem Tank montiert werden und weist einen Füllstandssensor auf, der akustische Wellen abstrahlen und empfangen kann, die an einer Flüssigkeitsoberfläche in dem Tank zurück zu dem Füllstandssensor reflektiert werden. Dabei kann durch eine Laufzeitmessung der Wellen eine Füllstandsmessung erfolgen. Ferner weist die Fördereinheit zumindest ein zusätzliches Sensormittel auf, durch das festgestellt werden kann, ob in dem Tank eingefrorenes Additiv vorliegt.
In der US 2014 / 0 188 327 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Versagens eines Harnstoffqualitätssensors beschrieben. Das Verfahren weist auf: - Ermitteln, ob eine Harnstofftemperatur höher ist als eine vorgegebene Temperatur, - Ermitteln falls die Harnstofftemperatur höher ist als die vorgegebene Temperatur, ob eine Fahrzeuggeschwindigkeit höher ist als eine vorgegebene Fahrzeuggeschwindigkeit, - Ermitteln, falls die Fahrzeuggeschwindigkeit höher ist als die vorgegebene Fahrzeuggeschwindigkeit, ob eine Differenz zwischen einer momentanen Harnstoffqualität und einer vorherigen Harnstoffqualität höher ist als eine vorgegebene Harnstoffqualität, und - Abspeichern eines Fehlercodes falls die Differenz zwischen der momentanen Harnstoffqualität und der vorherigen Harnstoffqualität höher ist als die vorgegebene Harnstoffqualität.
Die DE 10 2009 029 107 A1 zeigt ein Verfahren zur Plausibilisierung der Sensorsignale wenigstens eines Sensors in einem SCR-Katalysatorsystem. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Signale von wenigstens drei verschiedenen Sensoren des SCR-Katalysatorsystems aufeinander bezogen und hieraus auf die Plausibilität der Signale jeweils eines einzelnen Sensors geschlossen wird. Die drei wenigstens drei Sensoren sind ein Füllstandssensor in einem Reduktionsmitteltank, ein stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneter NOx-Sensor und ein Qualitätssensor für eine Reduktionsmittellösung.
Aus der US 2015 / 0 323 373 A1 ist eine Messvorrichtung im Vorratstank eines SCR-Systems bekannt. Die Vorrichtung misst mithilfe von Ultraschallsensoren sowohl den Füllstand des Reduktionsmittels, als auch dessen Konzentration. Es wird dabei eine Referenzstruktur eingesetzt. An der Referenz können sich Verunreinigungen oder Gasbläschen ablagern, was zu Messabweichungen führt. Um dies zu vermeiden, wird die Referenzstruktur regelmäßig mithilfe von Ultraschallimpulsen gereinigt.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, Mittel und Verfahren zur Überwachung eines SCR-Systems bereitzustellen, die eine im Vergleich zum Stand der Technik robustere Durchführung einer Füllstandsmessung und Konzentrationsmessung bezüglich des in dem SCR-System mitzuführenden Additivs erlauben.
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Tankinhalts eines Vorratstanks eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems zur Abgasnachbehandlung nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 bereitgestellt. Ferner wird ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen System nach Anspruch 12 bereitgestellt.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung des Tankinhalts eines Vorratstanks eines SCR-Systems geschaffen, wobei das Verfahren grundsätzlich die folgenden Schritte aufweist:

Ermitteln eines aktuellen Konzentrationswertes für die Konzentration eines Reduktionsmittels in einer Flüssigkeit in dem Vorratstank,
Berechnen einer Konzentrationsänderung anhand des aktuellen Konzentrationswertes im Vergleich zu einem gespeicherten Konzentrationswert,
Bestimmen eines aktuellen Betriebszustands des Fahrzeugs, zur Unterscheidung, ob ein Betriebszustand, in dem eine Betankung durchgeführt werden kann, vorliegt oder nicht, und
Durchführen einer Plausibilitätsprüfung der berechneten Konzentrationsänderung, falls die berechnete Konzentrationsänderung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet und ein Betriebszustand vorliegt, in dem eine Betankung nicht in Betracht kommt.

Dabei wird verfahrensgemäß für die Plausibilitätsprüfung ein Ermitteln des aktuellen Tankfüllstands der Flüssigkeit verwendet.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur Überwachung eines Tankinhalts eines Vorratstanks eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs bereitgestellt. Das System weist auf: - einen Vorratstank (103) für eine Flüssigkeit, die eine Konzentration (K) bezüglich eines Reduktionsmittels aufweist, und der mittels einer Leitung (108) mit einer Dosiervorrichtung (110) verbunden ist, sodass die Flüssigkeit in einen Abgasstrang (10) des Fahrzeugs eingebracht werden kann, - eine Steuerung (114) und eine mit der Steuerung (114) verbundene Sensoranordnung (104) zur Bestimmung der Konzentration (K) der Flüssigkeit (101) in dem Vorratstank (103) und zur Bestimmung einer Füllstandshöhe (h) der Flüssigkeit (101) in dem Vorratstank (103), wobei die Steuerung (114) dazu eingerichtet ist, einen aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs zur Unterscheidung, ob ein Betriebszustand, in dem eine Betankung durchgeführt werden kann, vorliegt oder nicht, zu erkennen oder eine Information bezüglich des aktuellen Betriebszustands von einem zentralen Steuergerät des Fahrzeugs zu empfangen, wobei das System (100) ferner dazu eingerichtet ist, eine Plausibilisierung einer erkannten Konzentrationsänderung (ΔK) der Flüssigkeit (101) unter Verwendung des aktuellen Füllstandes der Flüssigkeit durchzuführen, wenn ein Betriebszustand vorliegt, in dem eine Betankung nicht in Betracht kommt.
Nach einem weiteren Aspekt wird ferner ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und dem erfindungsgemäßen System bereitgestellt, wobei das System mit einem zentralen Steuergerät des Fahrzeugs verbunden ist.
Der vorbestimmte Betriebszustand kann bevorzugt ein Fahrzustand sein bzw. einen Fahrzyklus beschreiben.
Ferner kann die Sensoranordnung Ultraschallsensoren aufweisen.
Durch die beschriebene Kombination einer Konzentrationsmessung und einer Füllstandsmessung bzw. die Kombination der von einem Füllstandsensor und einem Konzentrationssensor zur Verfügung gestellten Signale kann die Robustheit des Systems gesteigert werden. Insbesondere können systematische Fehler zuverlässiger erkannt werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das System jeweils mit einem letzten bekannten Tankfüllstand und einem letzten bekannten Konzentrationswert initialisiert.
Dadurch können Vergleichswerte automatisch bereitgestellt werden, was eine schnelle Diagnosezeit des Systems begünstigt.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren eine Füllstandsänderung des Vorratstanks bestimmt.
Da diese insbesondere dann vorgenommen werden kann, wenn aufgrund des Betriebszustands davon ausgegangen werden kann, dass keine Betankung oder Füllstandsänderung vorgenommen wurde, kann dadurch eine sichere Plausibilisierung durchgeführt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird unter Verwendung des gemessenen Tankfüllstands bestimmt, ob eine Füllstandsänderung größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.
Dadurch kann, bei geeigneter Wahl des Schwellenwerts, die Zuverlässigkeitsquote der Plausibilisierung weiterhin erhöht werden.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist die Plausibilitätsprüfung ein Bestimmen eines Verhältnisses der Konzentrationsänderung und der Füllstandsänderung auf.
Dadurch kann insbesondere bei bekannten bzw. gespeicherten funktionalen Zusammenhängen und/oder Sensorkennlinien vorteilhaft ein charakteristischer Hinweis auf einen systematischen Fehler, wie beispielsweise auf eine fehlerhaft bestimmte Schallgeschwindigkeit, erkannt werden.
Bevorzugt werden der ermittelte aktuelle Konzentrationswert und der ermittelte aktuelle Tankfüllstand in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert, wenn ein Fahrzyklusende des Fahrzeugs erkannt wird.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden der Konzentrationswert und der Tankfüllstand unter Verwendung einer Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit ermittelt.
Bevorzugt wird dabei das Ermitteln der Konzentration und/oder das Ermitteln des Füllstands basierend auf eine Messung an einer als Sensorreferenz dienenden Referenzstruktur in dem Vorratstank durchgeführt, durch die insbesondere eine Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit bestimmt werden kann.
Dadurch können Fehler an der Referenzstruktur auf besonders zuverlässige und einfache Weise erkannt werden und unterschieden werden. Dadurch kann einerseits die Systemverfügbarkeit gesteigert werden, wobei andererseits, im Falle eines Komponentenfehlers, schnellstmöglich eine geeignete Gegenmaßnahme bzw. Reparaturmaßnahme eingeleitet werden kann.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung, bei der eine redundante Bestimmung der Schalllaufzeit in der Flüssigkeit durchgeführt werden musste, damit eine Modifikation der Referenzstruktur erkannt werden kann, kann durch die Aspekte der Erfindung beispielsweise eine Implementierung einer zweiten, zusätzlichen Referenzstruktur entfallen.
Im Vergleich zum Stand der Technik kann, dank den Aspekten der Erfindung, selbst wenn bei einem Füllstandssensor bzw. einem Konzentrationssensor zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit eine Referenz verwendet wird, die vom Sensor selbst nur unzureichend plausibilisiert werden könnte, nunmehr auf einfache Weise zwischen einem Fehler in der Referenzstruktur und einer geänderten Medienkonzentration unterschieden werden.
Nach einer Ausführungsform kann ferner, falls die verfahrensgemäße Plausibilisierung ein negatives Ergebnis liefert, ein Fehler der Sensorreferenz erkannt werden und an den Fahrer oder an ein zentrales Steuergerät des Fahrzeugs ausgegeben werden, so dass geeignete Ersatzreaktionen eingeleitet werden können.
Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines SCR-Systems zur Dosierung von Additiv in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Vorratstanks für ein Additiv, wobei der Vorratstank eine eingebaute Sensoranordnung und eine Referenzstruktur zur Bestimmung einer Schallgeschwindigkeit aufweist, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
3 typische Signale eines Ultraschallsensors in Verbindung mit einer Referenzstruktur, zur Bestimmung der Ureakonzentration und des Ureatankfüllstandes in einem SCR-System, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
4 ein Diagramm, das einen Graphen der Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Medientemperatur und einer Medienzusammensetzung in einem SCR-Tank darstellt, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
5 ein Diagramm, das einen Einfluss der Schallgeschwindigkeit auf eine vom Sensor ermittelte Tankfüllstandshöhe zeigt, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
6 ein Diagramm, das einen Einfluss der Schallgeschwindigkeit auf eine vom Sensor ermittelte Konzentrationsinformation zeigt, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung des Flüssigkeitsinhalts des Vorratstanks eines SCR-Systems, nach einer Ausführungsform der Erfindung, und
8 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Diagnose zur Überwachung der Medienkonzentration und des Tankfüllstands in einem SCR-System, nach einer Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines SCR-Systems 100 zur Dosierung von Additiv 101 in die Abgasanlage 102 eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt), nach einer Ausführungsform der Erfindung. Das hier gezeigte beispielhafte SCR-System 100 weist einen Vorratstank 103 zur Bevorratung des Additivs 101, hier: eine 32, 5% wässrige Harnstofflösung bzw. Urea auf. Am Boden des Vorratstanks 103 ist eine Sensoranordnung 104 installiert. Die Sensoranordnung 104 ist dazu vorgesehen, einen Tankfüllstand h, d.h. die Füllstandshöhe des Additivs 101 im Vorratstank 103 sowie die Konzentration K des Additivs 101, d.h. den Anteil an Reduktionsmittel bzw. Urea zu messen. Ferner ist im Tank 103 eine Referenzstrukturanordnung 105 installiert, die zur Referenz für Messungen, hier: Schallgeschwindigkeitsmessungen der Sensoranordnung 104 dient und die weiter unten ausführlicher erklärt wird. In 1 wird ferner die Flüssigkeitsoberfläche 106 des Additivs 101 im Vorratstank 103 gezeigt.
Der Vorratstank 103 ist über eine Pumpe 107 mit einer als Druckspeicher 108 fungierenden Leitung verbunden. Die Pumpe 107 ist mit einem Antriebsmotor 109 versehen und kann in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung betrieben werden. An den Druckspeicher bzw. an die Leitung 108 ist ein Ventil 110 zum Dosieren der Ureaflüssigkeit, d.h. des Additivs 101 in den Abgasstrang 102 des Fahrzeugs angeschlossen. Im Abgasstrang 102 ist stromabwärts zum Ventil 110 ein SCR-Katalysator 111 angeordnet, um im Abgasstrom 112 eine Reduktion von schädlichen Stickoxiden mittels des eingespritzten Additivs 101 vorzunehmen. An die Leitung 108 ist ferner ein Drucksensor 113 als Systemdrucksensor zur Messung des Leitungsdrucks angeschlossen. Das System 100 weist ferner eine Steuerung 114 auf, die insbesondere mit dem Antriebsmotor 109 der Pumpe 108, dem Drucksensor 113, und dem Ventil 110 verbunden ist.
Beim Betrieb des SCR-Systems 100 wird mit Hilfe der Pumpe 107 das Additiv 101 aus dem Vorratstank 103 in die Leitung 108 gefördert. Dabei kann durch den Drucksensor 113, wie bereits erwähnt, der Betriebsdruck P_sys in der Leitung 108 überwacht werden. Mit Hilfe des Dosierventils 110 wird während des Betriebs des Verbrennungsmotors jeweils eine aktuell erforderliche Menge des Additivs 101 in die Abgasanlage 102 eindosiert. Dies erfolgt in der Regel in Antwort auf eine jeweilige Dosieranforderung in Abhängigkeit des Beladungszustandes des SCR-Katalysators 111 sowie der aktuellen NO_x Rohemissionen, die es zu reduzieren gilt. In dem SCR-Katalysator 111 findet eine katalytisch unterstützte Umwandlung der Stickoxide NO und NO₂ in ungiftige Reaktionsprodukte N₂ und H₂O statt.
Das Additiv 101 muss verbrauchsabhängig von dem Fahrzeugbetreiber regelmäßig nachgefüllt werden. Da eine Reduktion der NO_x-Emissionen bei einer von Urea verschiedenen Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, nicht garantiert werden kann, fordert der Gesetzgeber, dass sowohl der Tankfüllstand h als auch die Konzentration K des Additivs 101 im Fahrzeug überwacht wird. Sollte der Fahrer ohne Urea 101 bzw. mit einer Ersatzflüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, sein SCR-System 100 betreiben wollen, so muss das SCR-System 100 dies erkennen und nach einem geeigneten Warnszenario das Fahrzeug in letzter Konsequenz stilllegen. In der folgenden Beschreibung werden zur Erklärung von weiteren Einzelheiten weiterhin die in Zusammenhang mit 1 eingeführten Bezugszeichen verwendet.
Die 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines Vorratstanks 103 für das Additiv 101. Dabei wird in 2 unter anderem ein Beispiel für eine Sensoranordnung 104, ähnlich zu der, die in 1 dargestellt ist, gezeigt, wobei die zugehörigen Sensoren 201, 202 in 2 an einer unteren Fläche 203 des Vorratstanks 103, in den Bodenbereich eingelassen, angeordnet sind. Die Konzentration K der Ureaflüssigkeit beträgt hier 32, 5%, wie oben bereits erwähnt wurde, wobei dieser Wert für die hier gezeigte Ausführungsform des SCR-Systems 100 gewählt wurde, da er sich aus realen Anwendungen ergibt. Die Einhaltung des vorbestimmten Konzentrationswerts K ist für die ordentliche Funktion der Schadstoffreduzierung wichtig und entsprechend zu überwachen. Außerdem ist der Füllstand h zu überwachen. Hierzu werden die Sensoren 201, 202 verwendet, die hier als Ultraschallsensoren ausgebildet sind.
Nach der gezeigten Ausführungsform wird zunächst durch den Sensor 201 eine Füllstandsmessung vorgenommen zur Messung des Füllstands h des Additivs 101. Der Sensor 201 weist zur Füllstandsmessung einen Sender und Empfänger für Ultraschallwellen auf, wobei der Sender und der Empfänger der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht explizit gezeigt sind. Für die Füllstandsmessung wird ausgenutzt, dass ein Ultraschallpuls, der vom Sender des Sensors 201 emittiert wird, an der Flüssigkeitsoberfläche 106 reflektiert wird und anschließend im Ultraschallempfänger, d.h. dem Empfänger des Sensors 201 detektiert werden kann. Dies ist in der Zeichnung symbolisch dargestellt, siehe hierzu die ausgestrahlte Welle 204 und die empfangene bzw. reflektierte Welle 205. Die vom Sensor 201 ausstrahlte Welle 204 wird zeichnerisch durch einen Pfeil charakterisiert, der sich vom Sensor 201 an der Unterseite 203 des Vorratstanks 103 in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche 106 erstreckt. Ähnlich wird die reflektierte Welle 205 durch einen in umgekehrter Richtung verlaufenden Pfeil symbolisiert, der auf den Sensor 201 auftrifft, um so die Detektion im Empfangsteil des Sensors 201 anzudeuten. Die reflektierte Welle 205 ist aus Gründen der Übersicht bzw. Anschaulichkeit halber im Vergleich zu der ausgestrahlten Welle 204 mit geringerer Intensität dargestellt. Die Laufzeit des Ultraschallpulses 204, 205 vom Sender zum Empfänger ist bei bekannter Schallgeschwindigkeit v in der Flüssigkeit 101 ein Maß für den Füllstand h, wobei gilt: $h = v \cdot t_{p} / 2,$
mit v: Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle 204, 205 in der Flüssigkeit 101, t_p: Laufzeit des Ultraschallpulses 204, 205 zwischen Empfänger und Sender, wobei hier gilt Sender = Empfänger = Sensor 201, und h: Abstand des Sensors 201 zur Flüssigkeitsoberfläche 106 = Tankfüllstand. Mit anderen Worten, bei bekannter Schallgeschwindigkeit v kann aus der Laufzeit des Pulses t_p, also dem zeitlichen Unterschied zwischen dem Aussenden der Welle 204 und dem Empfangen der reflektierten Welle 205, auf die Füllstandshöhe h geschlossen werden.
Ferner wird zum Bestimmen der Ureakonzentration K der Umstand ausgenutzt, dass die Schallgeschwindigkeit v innerhalb der Flüssigkeit 101 im SCR-Tank 103 von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit 101 abhängt. Für die Messauswertung wird dabei insbesondere die Tatsache verwendet, dass die Schallgeschwindigkeit v von der Temperatur T und der Harnstoffkonzentration K in der Flüssigkeit 101 abhängig ist. Bei der Flüssigkeit handelt es sich, wie gesagt, normalerweise um die oben erwähnte Ureaflüssigkeit bzw. das Additiv 101, das eine 32,5% Urealösung darstellt.
Die Schallgeschwindigkeit v ist also die zentrale Größe, mit der bei bekannter Flüssigkeitstemperatur T sowohl der Füllstand h als auch die Ureakonzentration K bestimmt werden kann. Um die Schallgeschwindigkeit v in der zu testenden Flüssigkeit 101 zu bestimmen, wird zumeist eine Referenzstrukturanordnung 105 bekannter geometrischer Dimension verwendet, so dass aus der Bestimmung von Reflexionen 212, 213, die von der Referenzstrukturanordnung 105 verursacht werden, die Schallgeschwindigkeit v einfach bestimmt werden kann. Allgemein gilt: $v = L / (t_{2} - t_{1}),$
mit L: bekannter Abstand zwischen bestimmten Störgeometrien 208, 209 der Referenzstrukturanordnung 105, und t₁, t₂: Laufzeiten der Schallwellen 211, die an der Referenzstrukturanordnung 105 reflektiert werden. Die so bestimmte Schallgeschwindigkeit v wird durch die Sensoranordnung 104 sowohl für die Bestimmung des Tankfüllstands h als auch zur Bestimmung der Ureakonzentration K verwendet.
Im Folgenden wird die Referenzmessung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit v eingehender beschrieben. Der Sensor 202 korrespondiert mit der Referenzstrukturanordnung 105, wobei die Referenzstrukturanordnung 105 eine erste Referenzstruktur 206 und eine zweite Referenzstruktur 207 aufweist. Dadurch wird eine gestufte Störgeometrie erreicht, die sich in den verschiedenen Laufzeiten der entsprechenden Ultraschallsignale 212, 213 widerspiegelt. Genauer gesagt weist die erste Referenzstruktur 206 eine erste Seitenfläche 208 in Richtung zum Sensor 202 hin auf, und die zweite Referenzstruktur 207 weist eine zweite Seitenfläche 209 in Richtung zum Sensor 202 hin auf. Die erste Seitenfläche 208 ist mit einem effektiven Abstand a₁ zum Sensor 202 angeordnet, und die zweite Seitenfläche 209 ist mit einem effektiven Abstand a₂ zum Sensor 202 angeordnet. Ferner ist beim Sensor 202 eine Spiegelstruktur 210 angeordnet, die, wie in der 2 gezeigt wird, die vom Sensor 202 ausgestrahlten und empfangenen Wellen 211, 212, 213 bezüglich der Richtung zur Referenzstrukturanordnung 105 bzw. senkrecht dazu umlenkt. Zur Durchführung der Referenzmessung wird vom Sensor 202 bzw. von dessen Sender eine Ultraschallwelle 211 ausgestrahlt, deren reflektierten Wellen 212, 213 von dem Empfänger des Sensors 202 empfangen werden. Dabei wird von der ersten Referenzstruktur 206 bzw. deren Vorderseite 208 eine erste Reflexionswelle 212 reflektiert, und von der Referenzstruktur 207 bzw. deren Vorderseite 209 wird eine zweite Reflexionswelle 213 reflektiert. Der Unterschied der Abstände a₁ und a₂ entspricht der oben erwähnten Länge L der Störgeometrie, wodurch sich die verschiedenen Laufzeiten t₁ und t₂ , d.h. eine Laufzeitdifferenz Δt ergibt. Somit kann die Schallgeschwindigkeit v durch den Sensor 202 mittels der Referenzstrukturanordnung 105 gemessen werden.
Ein Fehlermechanismus, der die Funktion der Referenzstruktur beeinflusst, hat damit unter Umständen Auswirkungen sowohl auf die Füllstandsmessung als auch auf die Ureakonzentrationsmessung. Somit hat herkömmlicherweise ein Fehler in der Referenzstruktur des Konzentrationssensors bzw. des Füllstandssensors eine fehlerhafte Bestimmung der Schallgeschwindigkeit v durch den Sensor im Medium zur Folge.
Ein beispielhafter Fehlermechanismus wäre zum Beispiel ein Ablösen der Referenzgeometrie, wobei diese zumeist ein massives Metallteil ist, das mit der Kunststoffoberfläche des Sensors verbunden ist und das somit zum Beispiel Eisschlag innerhalb des Tanks ausgesetzt ist. Ein solches Ablösen hätte zur Folge, dass eine Schallgeschwindigkeitsmessung unmöglich bzw. wenig aussagekräftig ist, da die Referenz fehlt. Ein solches Fehlerbild kann der Sensor selbstständig erkennen, da die erwarteten Reflexionen von der Referenzstruktur komplett bzw. zumindest teilweise fehlen. Eine andere Fehlerquelle kann die Anlagerung von Partikeln an der Referenzstruktur sein, so dass sich die Geometrie des Elementes ändert. Dies hat zu Folge, dass die Schallgeschwindigkeitsmessung permanent verfälscht wird, da der Sensor von einer nominalen Geometrie der Referenzstruktur ausgeht, diese aber verfälscht ist. Dieses könnte der Sensor herkömmlicherweise nicht selbstständig erkennen. Ein weiteres Fehlerbild wäre beispielsweise eine Anlagerung von Luftblasen an der Referenzstruktur. Dies hätte zur Folge, dass die Schallwellen in der Regel diffus von den Luftblasen reflektiert werden, so dass eine Schallgeschwindigkeitsbestimmung zumindest temporär nicht möglich ist.
Die 3 zeigt typische Signale eines Ultraschallsensors mit Referenzstruktur zur Bestimmung der Ureakonzentration K und des Ureatankfüllstandes h in einem SCR-System 100, nach einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist in dem gezeigten Diagramm auf der y-Achse die Signalamplitude von Ultraschallpulsen aufgetragen, und die x-Achse gibt die Laufzeit der jeweiligen Pulse an. Wie in der 3 gezeigt wird, werden zum Zeitpunkt t₀ Sendepulse ausgesandt, womit insbesondere die beiden Ultraschallwellen 204, 211 in 2 gemeint sind, die in der Darstellung von 3 zeitlich zusammenfallen. Zum Zeitpunkt t₁ wird eine erste Reflexion als Referenz 1 empfangen, was dem Empfang der reflektierten Welle 212 aus 2 entspricht. Zum Zeitpunkt t₂ wird eine zweite Reflexion als Referenz 2 empfangen, was dem Empfang der reflektierten Welle 213 in 2 entspricht. Zum Zeitpunkt t_h wird schließlich die Reflexion 205 von der Flüssigkeitsoberfläche 106 durch den Ultraschallsensor 201 empfangen.
Die 4 zeigt ein Diagramm, bei dem die Schallgeschwindigkeit v in Abhängigkeit der Medientemperatur T und der Medienzusammensetzung K in einem SCR-Tank 103 nach einer Ausführungsform der Erfindung angegeben ist. Wie in der 4 gezeigt wird, weist die 32,5% Urealösung 101 in allen betrachteten Temperaturbereichen eine im Vergleich zu reinem Wasser höhere Schallgeschwindigkeit v auf, die einen bestimmten temperaturabhängigen Verlauf annimmt. Eine Änderung der Ureakonzentration K wird sich in einer Änderung der Schallgeschwindigkeit v bemerkbar machen. Andererseits würde ein Fehler in der oben beschriebenen Referenzstrukturanordnung 105 eine fehlerhafte Bestimmung der Schallgeschwindigkeit v durch den Sensor 202 im Medium 101 zur Folge haben.
Die 5 zeigt einen Graphen, der den funktionalen Zusammenhang zwischen der berechneten Füllstandshöhe h und der Schallgeschwindigkeit v im Additiv 101 bzw. in der Flüssigkeit darstellt. Wie der 5 zu entnehmen ist, steigt der berechnete Wert der Füllstandshöhe h mit zunehmender Schallgeschwindigkeit v, wobei in dem gezeigten Beispiel der Zusammenhang $h [m] = 2 \cdot 10^{- 4} \cdot v [m / s]$
gilt.
Die 6 zeigt einen Graphen, der den funktionalen Zusammenhang zwischen der berechneten Ureakonzentration K und der Schallgeschwindigkeit v in der Flüssigkeit darstellt. Nach dem hier gezeigten Beispiel gilt: $K [%] = 2 \cdot 10^{- 1} \cdot v [m / s] - 297.$
Wie sich aus dem Vergleich der 5 mit der 6 bzw. aus den Berechnungsbeispielen für die Füllstandshöhe h und die Konzentration K ergibt, ist der Einfluss der Schallgeschwindigkeit v auf die Konzentrationsinformation etwa 1000fach größer ist als auf die Tankfüllstandsinformation. Dies versteht sich in dem hier gezeigten Beispiel insbesondere aus dem relativ großen Offsetwert in der Berechnungsformel für die Konzentration.
Die 7 zeigt ein Verfahren zur Überwachung des Flüssigkeitsinhalts 101 des Vorratstanks 103 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Der Einfachheit halber wird die Flüssigkeit im Folgenden als Additiv 101 bezeichnet, obwohl möglich ist, dass der Fahrer des Fahrzeugs eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, in den Tank aufgefüllt hat. Ein solcher Sachverhalt soll durch das Verfahren detektiert werden können. Ferner soll der Füllstand überwacht werden. Nach der hier gezeigten Ausführungsform werden die gezeigten Schritte unter Steuerung durch die in 1 gezeigte Steuerung 114 durchgeführt, wobei angenommen wird, dass zur Speicherung von aktuellen und alten Messwerten ein interner Speicher der Steuerung 114 genutzt wird. Ferner kann davon ausgegangen werden, dass die Steuerung 114 insbesondere Nachschlagtabellen oder ähnliches bezüglich beispielsweise eines Verhältnisses zwischen Schallgeschwindigkeit v einerseits und Tankfüllstand h andererseits aufweist. Ferner ist die Steuerung 114 nach dieser Ausführungsform mit einem zentralen Steuergerät 114 des Fahrzeugs verbunden, so dass ein Fahrzyklus oder Betriebszustand des Fahrzeugs ausgelesen werden kann.
In Schritt S700 startet das Verfahren. In Schritt S701 wird ein aktueller Konzentrationswert K_neu ausgelesen. Dies kann mit Hilfe der in Zusammenhang mit den 2 bis 6 gezeigten Verfahren geschehen. Ferner wird in Schritt S702 eine Füllstandsmessung durchgeführt, was ebenfalls in Kombination mit den oben genannten Verfahren geschehen kann. Hierbei ist anzumerken, dass die in der 7 gezeigte Reihenfolge der Schritt rein exemplarisch ist. In Schritt S703 wird eine Konzentrationsänderung ΔK bestimmt, was hier unter Berücksichtigung des aktuellen Konzentrationswertes K_neu und eines alten K_neu Konzentrationswertes K_alt geschieht. Dabei kann eine sprunghafte Änderung oder eine stetige Änderung des Konzentrationswertes festgestellt werden. Es wird eine praktikable Grenze als Schwellenwert th1 festgelegt, ab der die Konzentrationsänderung ΔK als signifikant angesehen wird.
In Schritt S704 wird der Betriebszustand des Fahrzeugs bestimmt. Dabei kann beispielsweise bestimmt werden, dass das Fahrzeug gerade fährt. In Schritt S705 wird geprüft, ob die Konzentrationsänderung ΔK den Schwellenwert th1 übersteigt. Falls nein, wird in Schritt S706 der aktuell gemessene Konzentrationswert K_neu in dem Speicher abgelegt, und das Verfahren beginnt von neuem. Fall jedoch ja, wird in Schritt S707 geprüft, ob ein Betriebszustand vorliegt, in dem ein Tanken unplausibel ist und bei dem vielmehr davon ausgegangen werden kann, dass der Füllstand h nicht geändert wurde. Ist dies nicht der Fall, geht das Verfahren nach Schritt S706. Falls jedoch ein für eine Betankung ungeeigneter Betriebszustand, insbesondere ein aktueller Fahrzyklus, vorliegt, wird in Schritt S708 eine Plausibilisierung der gemessenen Konzentration durchgeführt.
Dies geschieht, indem die in Schritt S702 durchgeführte Füllstandsmessung mitverwendet wird. Alternativ wird eine wiederholte Füllstandsmessung vorgenommen. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob die Füllstandsmessung ein Füllstandsänderung Δh ergibt. Aus Gründen der Toleranz wird dabei eine Füllstandsänderung Δh betrachtet, die größer als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert th2 ist. Durch Vergleich mit der Füllstandsmessung kann ermittelt werden, ob die Konzentrationsänderung ΔK aus Schritt S702 plausibel ist oder nicht. Dies liegt darin begründet, dass die Füllstandsmessung im Vergleich zur Konzentrationsmessung unter Verwendung ähnlicher Verfahren, insbesondere durch eine Schallmessung, erfolgen kann. Auf diese Weise kann nämlich das Messprinzip der Schallmessung bzw. die Auswirkung einer Schallgeschwindigkeit redundant herangezogen werden und somit auf einfache Weise eine Plausibilisierung durchgeführt werden.
Falls in Schritt S709 ein Ergebnis ermittelt wird, dass ΔK plausibel ist, kann das Verfahren von neuem beginnen und mit der Überwachung der Konzentration K fortfahren. Falls jedoch ΔK im Ergebnis als nicht plausibel zu betrachten ist, so wird in dem nächsten Schritt S710 ein Fehler ausgegeben. Der Fehler kann zunächst an den Fahrer ausgegeben werden, beispielsweise durch Anzeige auf einem Display. In Schritt S711 endet das Verfahren. Dabei kann das Verfahren zyklisch wiederholt werden oder in jedem Fahrzyklus durchgeführt werden. Fall das Verfahren in einem Fahrzyklus durchgeführt wird, können die Schritte S704 und S707 als bereits von vornherein berücksichtigt gelten, so dass eine gesonderte explizite Feststellung des Betriebszustands nicht durchgeführt werden muss, sondern sich vielmehr bereits daraus ergibt, dass das Verfahren gestartet wird.
Das Verfahren nach der gezeigten Ausführungsform macht sich zunutze, dass sich die Medienkonzentration K der Flüssigkeit 101 im SCR-Tank 103 in der Regel nur dann signifikant ändern kann, wenn eine Flüssigkeit mit abweichender Konzentration K in den Tank 103 eingefüllt wird. Dieser Zustand kann im System 100 durch eine Wiederbetankung erkannt werden, wobei eine Wiederbetankung insbesondere durch Erkennung einer Füllstandszunahme, zum Beispiel bei stehendem Fahrzeug, erkannt wird. In Situationen, in denen keine Wiederbetankung erkannt wird, oder in Situationen, in denen eine Wiederbetankung ausgeschlossen ist, zum Beispiel während der Fahrt, ist eine sprunghafte Änderung der Konzentrationsinformation, die der Sensor möglicherweise liefert, nicht plausibel.
Tritt also während eines Fahrzyklus eine sprunghafte oder stetige Änderung der Konzentrationsinformation K ein, ohne dass eine Wiederbetankung stattgefunden hat, so wird die Änderung des Konzentrationswertes K mit der Änderung des Füllstandswertes h verglichen, so dass eine Drift bzw. eine Verfälschung in der vom Sensor bestimmten Schallgeschwindigkeitsinformation erkannt wird, die auf einen Fehler in der Referenzstruktur hinweist.
Ändert sich beispielsweise die Konzentration K von 33% auf 13% und gleichzeitig der Füllstand von 330 mm auf 310 mm, so weist das Verhältnis von ΔK/Δh = (33-13) / (0, 33-0, 31) = 1000 darauf hin, dass eine falsche Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vorliegt. Dies wird im Folgenden anhand der 8 näher erläutert.
Die 8 zeigte einen schematischen Ablauf einer Diagnose zur Überwachung der Medienkonzentration K und des Tankfüllstands h nach einer Ausführungsform der Erfindung.
In Schritt S800 startet das Verfahren. Dabei geht das Verfahren in einen Fahrzyklus über und befindet sich somit in einem bestimmten Betriebszustand, bei dem die Vornahme einer Betankung nicht plausibel ist. Dies kann in Schritt S803 genauer geprüft werden. Zu Beginn des Fahrzyklus wird in Schritt 801 der letzte gültige Wert des Tankfüllstands h_alt und der Medienkonzentration K_alt aus dem Speicher des Steuergerätes 114 gelesen. In Schritt S802 wird geprüft, ob Aktivierungsbedingungen für die Diagnose erfüllt sind. Ist dies nicht der Fall, endet das Verfahren. Die Aktivierungsbedingungen, die für die Diagnose notwendig sind, weisen zum Beispiel die folgenden Kriterien auf: Tankinhalt ist nicht gefroren, keine Wiederbetankung im aktuellen Fahrzyklus, Tankfüllstand ist oberhalb einer Mindestschwelle, Einspritzmenge < Schwelle, usw.
In Schritt S803 werden der aktuelle Tankfüllstand h_neu im Vorratstank 103 und die aktuelle Medienkonzentration K_neu durch gefilterte Messungen bestimmt. In Schritt S804 werden die aktuell gefilterten Sensorwerte der Konzentration K und dem Level h mit den Werten aus dem letzten Fahrzyklus verglichen, wobei in Schritt S805 gegebenenfalls ein Fehler in der vom Sensor gemessenen Schallgeschwindigkeit v detektiert wird.
Parallel dazu wird in Schritt S806 geprüft, ob der Fahrzyklus beendet wird. Ist dies der Fall, werden am Ende des Fahrzyklus entsprechend die aktuellen Werte L_neu , K_neu des Tankfüllstands und der Medienkonzentration im nichtflüchtigen Speicher abgelegt.
Bezugszeichenliste

100: SCR-System
101: Additiv
102: Abgasanlage
103: Vorratstank
104: Sensoranordnung
105: Referenzstrukturanordnung
106: Flüssigkeitsoberfläche
107: Pumpe
108: Druckspeicher
109: Antriebsmotor
110: Ventil
111: SCR-Katalysator
112: Abgasstrom
113: Drucksensor
114: Steuerung
201, 202: Sensor
203: untere Fläche des Vorratstanks
204: angestrahlte Welle
205: reflektierte Welle
211: Schallwellen
212, 213: Reflexionen
206: erste Referenzstruktur
207: zweite Referenzstruktur
208: erste Seitenfläche
209: zweite Seitenfläche
210: Spiegelstruktur
K: Konzentration des Additivs
H: Füllstand
S700 - S807: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur Überwachung des Tankinhalts eines Vorratstanks (103) eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems (100) zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, wobei über eine Leitung (108) und eine Dosiervorrichtung (110) des Systems (100) eine Flüssigkeit (101) aus dem Vorratstank (103), die eine Konzentration (K) bezüglich eines Reduktionsmittels aufweist, in einen Abgasstrang (102) des Fahrzeugs eingebracht wird, aufweisend die Schritte: Ermitteln (S701) eines aktuellen Konzentrationswertes (K_neu) für das Reduktionsmittel, Berechnen (S703) einer Konzentrationsänderung (ΔK) des Reduktionsmittels, anhand des aktuellen Konzentrationswertes (K_neu) im Vergleich zu einem gespeicherten Konzentrationswert (K_alt), Bestimmen (S704) eines aktuellen Betriebszustands des Fahrzeugs, zur Unterscheidung, ob ein Betriebszustand, in dem eine Betankung durchgeführt werden kann, vorliegt oder nicht, und Durchführen (S708) einer Plausibilitätsprüfung der berechneten Konzentrationsänderung (ΔK), falls die berechnete Konzentrationsänderung (ΔK) einen vorbestimmten Schwellenwert (th1) überschreitet und ein Betriebszustand vorliegt, in dem eine Betankung nicht in Betracht kommt, wobei für die Plausibilitätsprüfung ein Ermitteln (S702) des aktuellen Tankfüllstands (h_neu) der Flüssigkeit (101) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das aufweist: Initialisieren (S801) des Systems (100) mit einem letzten bekannten Tankfüllstand (h_alt) und einem letzten bekannten Konzentrationswert (K_alt) .
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das aufweist: Bestimmen einer Füllstandsänderung (Δh) des Vorratstanks (103).
Verfahren nach Anspruch 3, das aufweist: Bestimmen, unter Verwendung des gemessenen Tankfüllstands (h_neu), ob eine Füllstandsänderung (Δh) größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert (th2).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Plausibilitätsprüfung aufweist: Bestimmen eines Verhältnisses der Konzentrationsänderung (ΔK) zu der Füllstandsänderung (Δh).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das aufweist: Speichern (S807) des ermittelten aktuellen Konzentrationswertes (K_neu) und des ermittelten aktuellen Tankfüllstands (h_neu) in einem nichtflüchtigen Speicher, wenn ein Fahrzyklusende des Fahrzeugs erkannt (S806) wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konzentrationswert (K_neu) und der Tankfüllstand (h_neu) unter Verwendung einer Schallgeschwindigkeit (v) in der Flüssigkeit (101) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ermitteln der Konzentration (K_neu) und/oder das Ermitteln des Füllstands (h_neu) basierend auf eine Messung an einer als Sensorreferenz dienenden Referenzstruktur (206, 207) in dem Vorratstank (103) durchgeführt wird, durch die insbesondere die Schallgeschwindigkeit (v) in der Flüssigkeit (101) bestimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei, falls die Plausibilisierung negativ verläuft, ein Fehler der Sensorreferenz erkannt wird (S805).
Vorrichtung zur Überwachung eines Tankinhalts eines Vorratstanks (103) eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Systems (100) zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, wobei das System (100) aufweist: - einen Vorratstank (103) für eine Flüssigkeit, die eine Konzentration (K) bezüglich eines Reduktionsmittels aufweist, und der mittels einer Leitung (108) mit einer Dosiervorrichtung (110) verbunden ist, sodass die Flüssigkeit in einen Abgasstrang (10) des Fahrzeugs eingebracht werden kann, - eine Steuerung (114) und eine mit der Steuerung (114) verbundene Sensoranordnung (104) zur Bestimmung der Konzentration (K) der Flüssigkeit (101) in dem Vorratstank (103) und zur Bestimmung einer Füllstandshöhe (h) der Flüssigkeit (101) in dem Vorratstank (103), wobei die Steuerung (114) dazu eingerichtet ist, einen aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs zur Unterscheidung, ob ein Betriebszustand, in dem eine Betankung durchgeführt werden kann, vorliegt oder nicht, zu erkennen oder eine Information bezüglich des aktuellen Betriebszustands von einem zentralen Steuergerät des Fahrzeugs zu empfangen, wobei das System (100) ferner dazu eingerichtet ist, eine Plausibilisierung einer erkannten Konzentrationsänderung (ΔK) der Flüssigkeit (101) unter Verwendung des aktuellen Füllstandes der Flüssigkeit durchzuführen, wenn ein Betriebszustand vorliegt, in dem eine Betankung nicht in Betracht kommt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Sensoranordnung (104) einen oder mehrere Ultraschallsensoren aufweist.
Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem System (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das System mit einem zentralen Steuergerät des Fahrzeugs verbunden ist.