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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Dosierpumpe einer Katalysatorvorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, die ein Steuergerät mit einem Eingang zum Anlegen eines Ansteuersignals, das zumindest mit einer Drehzahl des Verbrennungsmotors korreliert ist, sowie eine erste Verstärkervorrichtung zum Verstärken des Ansteuersignals mit einem Ausgang, an dem das verstärkte Ansteuersignal bereitstellbar ist, umfasst. Die Erfindung betrifft zudem ein Katalysatorsystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs umfassend eine derartige Steuervorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Steuervorrichtung.
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Heutzutage müssen Kraftfahrzeuge häufig eine regionale Abgasnorm erfüllen, die Grenzwerte für Luftschadstoffe im vom Kraftahrzeug ausgestoßenen Abgasgemisch festlegen. In der Europäischen Union werden im Rahmen der sogenannten Euro-Norm beispielsweise Grenzwerte für Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe in den Abgasen von Kraftfahrzeugen festgelegt. Die festgelegten Grenzwerte unterscheiden sich hierbei je nach Art des Motors des Kraftfahrzeugs, das heißt, je nachdem ob es sich um einen Otto- oder Dieselmotor handelt, und Kraftfahrzeugtyp, wie beispielsweise Pkw, Lkw, Motorräder oder Mopeds.
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Die von Kraftfahrzeugen zu erfüllenden Abgasnormen werden jedoch immer stärker verschärft. Zum Erreichen der verschärften Abgasgrenzwerte werden daher häufig Katalysatorsysteme in Kraftfahrzeugen verbaut. Hierzu eignet sich besonders ein sogenannter SCR-Katalysator, der auf selektiver katalytischer Reduktion (englisch selective catalytic reduction, SCR) basiert. In derartigen Katalysatoren findet eine selektive chemische Reaktion statt, die bevorzugt Stickoxide produziert, wobei unerwünschte Nebenreaktionen, wie die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, weitgehend unterdrückt werden. Für die Reaktion wird eine Reaktionsflüssigkeit, typischerweise Ammoniak oder Harnstoff, in den Abgasstrang des entsprechenden Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs eingelassen. Dies erfolgt üblicherweise mittels einer Dosierpumpe mit einem Gleichstrommotor, wie sie beispielsweise in der
US 2014/0271282 A1 gezeigt ist. Beispiele für eine Steuerung eines Gleichstrommotors finden sich in der
US 2010/0148733 A1 sowie in der
US 2008/0303580 A1 .
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In der
DE 10 2012 204 402 A1 wird ein elektronisches Schaltungsmodul zur Steuerung einer Hochmagnetmembranpumpe, die insbesondere für einen SCR-Katalysator ausgelegt ist, beschrieben. Dieses Schaltungsmodul umfasst unter anderem zwei Dioden sowie einen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter. Beim Betreiben der Hochmagnetmembranpumpe mit dem elektronischen Schaltungsmodul erfolgen ein Einschalten des High-Side-Schalters, ein getaktetes Ansteuern des Low-Side-Schalters und ein Ausschalten des High-Side-Schalters für jeweils einen Zeitraum, welcher nach Abschalten des Low-Side-Schalters beginnt und von einem erneuten Einschalten des Low-Side-Schalters endet. Mit diesem Verfahren wird es möglich, dass ein schneller Abbau des Pumpenstroms erreicht wird, wenn der Low-Side-Schalter abgeschaltet ist.
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In der
DE 10 2015 213 817 A1 wird ein Verfahren zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit eines elektrisch ansteuerbaren Druckregelventils in einem Hochdruckkreis eines Einspritzsystems eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Hierbei wird das Abklingen eines Druckregelventilstroms nach einer elektrischen Abschaltung des Druckregelventils durch Veränderung der Stromführung über einen leistungshungrigen Verbraucher, beispielsweise eine Z-Diode, beschleunigt. Hierdurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Sicherheitsabschaltung des Einspritzsystems optimiert, indem das Verhalten des Druckregelventils in Bezug auf sein Druckbegrenzungsverhalten verbessert wird.
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Um verschärfte Abgasgrenzwerte erfüllen zu können, muss in einem SCR-Katalysator beispielsweise eine größere Menge der Reaktionsflüssigkeit zur Abgasnachbehandlung eingespritzt werden. Hierzu wird häufig eine zweite und/oder eine größere SCR-Eindüsungspumpe, das heißt eine größere Dosierpumpe, verwendet. Um diese zweite und/oder größere Dosierpumpe betreiben zu können, wird jedoch eine größere Stromstärke benötigt, als es bisher der Fall war.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher besonders kostengünstig mit einem Katalysatorsystem die geforderte Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Steuervorrichtung für eine Dosierpumpe einer Katalysatorvorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, ein Katalysatorsystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Steuervorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die geforderte Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Katalysatorsystem besonders kostengünstig erreicht werden kann, wenn die Steuervorrichtung des Katalysatorsystems auf der Weiterentwicklung bereits vorhandener Komponenten basiert und kein Einbau eines zusätzlichen Steuergeräts oder Veränderungen von Vernetzungen, wie beispielsweise von CAN-Vernetzungen im Kraftfahrzeug, nötig sind, damit das Katalysatorsystem dazu ausgelegt ist, ein Ansteuersignal mit einer vorbestimmten Stromstärke zum Betreiben einer Katalysatorvorrichtung des Katalysatorsystems bereitzustellen.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung für eine Dosierpumpe einer Katalysatorvorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors umfasst ein Steuergerät mit einem Eingang zum Anlegen eines Ansteuersignals, das zumindest mit einer Drehzahl des Verbrennungsmotors korreliert ist, sowie eine erste Verstärkervorrichtung zum Verstärken des Ansteuersignals mit einem Ausgang, an dem das verstärkte Ansteuersignal bereitstellbar ist. Die Steuervorrichtung umfasst weiterhin eine Umwandlungsvorrichtung, die mit dem Ausgang des Steuergeräts gekoppelt ist, sowie eine zweite Verstärkervorrichtung mit mindestens einem Halbleiter-Leistungsschalter, wobei die zweite Verstärkerschaltung einen Anschluss zum Koppeln mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs aufweist. Die Umwandlungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, einen Spannungspegel des verstärkten Ansteuersignals in einen Spannungspegel umzuwandeln, der ausgelegt ist, den wenigstens einen Halbleiter-Leistungsschalter anzuschalten, wobei ein Ausgang des Halbleiter-Leistungsschalters mit einem Ausgang der Steuervorrichtung zum Ansteuern der Dosierpumpe gekoppelt ist.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung umfasst somit vier Komponenten, und zwar ein Steuergerät, eine erste Verstärkervorrichtung, eine Umwandlungsvorrichtung und eine zweite Verstärkervorrichtung. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, das Einspritzen einer Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mittels der Einspritzdüse einer Dosierpumpe, wie beispielsweise einer Hochmagnetmembranpumpe eines zur selektiven katalytischen Reduktion ausgelegten Katalysators, eines sogenannten SCR-Katalysators (englisch selective catalytic reduction, SCR), anzusteuern.
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Das Steuergerät der Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, dass es in Abhängigkeit von einer Ansteuerung des Verbrennungsmotors die Dosierpumpe ansteuert. Hierfür stellt das Steuergerät ein entsprechendes Ansteuersignal bereit, das jedoch zunächst von der Verstärkervorrichtung in ein Signal mit größerer Spannung umgewandelt wird. Bei herkömmlichen Katalysatorvorrichtungen wird dieses verstärkte Ansteuersignal direkt an der Dosierpumpe angelegt und die Dosierpumpe entsprechend angesteuert. Um die aktuellen beziehungsweise zukünftigen Abgasnormen für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen erfüllen zu können, reicht dieses bereitstellbare verstärkte Ansteuersignal jedoch nicht aus. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung umfasst deswegen zudem die Umwandlungsvorrichtung sowie die zweite Verstärkervorrichtung. Mithilfe der Umwandlungsvorrichtung wird zunächst das verstärkte bereitstellbare Ansteuersignal derart reduziert, dass ein Zwischensignal mit einem niedrigeren Spannungspegel erzeugt wird. Mit diesem Zwischensignal wird daraufhin der zumindest eine Halbleiter-Leistungsschalter der zweiten Verstärkervorrichtung angesteuert. Der angesteuerte Halbleiter-Leistungsschalter ist dazu ausgelegt, die Stromstärke des Zwischensignals zu erhöhen, damit die Dosierpumpe derart betrieben werden kann, dass die gewünschte Abgasnachbehandlung realisierbar ist. Typischerweise erfolgt hierbei eine Erhöhung der Stromstärke des Ansteuersignals, das letztendlich am Ausgang der Steuervorrichtung hinter dem Halbleiter-Leistungsschalter bereitgestellt wird, von zwei Ampere auf drei Ampere.
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Bei dem zumindest einen Halbleiter-Leistungsschalter der zweiten Verstärkervorrichtung handelt es sich um einen Schutzschalter, der für das Schalten von hohem Strom ausgelegt ist und aus Halbleitermaterialien besteht, beispielsweise einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Dieser MOSFET kann zum Beispiel mit seinem Drain-Anschluss (D) mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gekoppelt werden. Der Halbleiter-Leistungsschalter kann somit zusätzlich mit Energie aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs versorgt werden. Die Steuerelektrode des MOSFETs, das heißt der Gate-Anschluss (G), ist typischerweise mit der Umwandlungsvorrichtung gekoppelt und die Quelle des MOSFETs, der Source-Anschluss (S), mit dem Ausgang der Steuervorrichtung. Mit der Steuervorrichtung ist es somit möglich, dass ohne den kostenintensiven Einbau eines zusätzlichen Steuergeräts oder Veränderungen der Vernetzung, wie beispielsweise der CAN-Vernetzung im Kraftfahrzeug, das Ausgangssignal der Steuervorrichtung bereitgestellt wird, mit dem ein Ansteuern der Dosierpumpe derart möglich ist, dass die gewünschte und gesetzlich geforderte Nachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs somit besonders kostengünstig erzielt wird.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die zweite Verstärkervorrichtung zwischen dem Ausgang des mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalters und dem Ausgang der Steuervorrichtung einen leistungshungrigen Verbraucher umfasst. Die zweite Verstärkervorrichtung umfasst beispielsweise als leistungshungrigen Verbraucher eine Schnelllöschdiode oder ein RC-Glied, das einen entsprechend gewählten Widerstand und Kondensator umfasst. Der leistungshungrige Verbraucher ist dazu ausgelegt, einen bei einem Ansteuern der Dosierpumpe mit der Steuervorrichtung auftretenden Ruhestrom zu reduzieren. Dieser Ruhestrom tritt auf, da die Dosierpumpe unter anderem eine Spule umfasst. Aufgrund der Induktivität dieser Spule ist ein plötzliches Abschalten des Spulenstroms nicht möglich, sondern es wird nach jedem Ansteuerimpuls des Ansteuersignals an die Dosierpumpe ein gewisser Reststrom beobachtet. Für eine optimale Ansteuerung der Dosierpumpe wird jedoch eine vollständig entladene Spule benötigt, da es sonst zu Störungen der Ansteuerung der Katalysatorvorrichtung, beispielsweise zu einem Einspritzen der Flüssigkeit zu Zeitpunkten, an denen dies nicht erfolgen soll, wodurch ein Verbrauch an der Flüssigkeit erhöhte wir, sowie möglicherweise zu Softwareproblemen innerhalb der Motorsteuerung, beispielsweise kommt. Mithilfe des leistungshungrigen Verbrauchers kann bei entsprechender Dimensionierung des leistungshungrigen Verbrauchers dieser Reststrom besonders schnell abgebaut werden, sodass die gewünschte Ansteuerung der Dosierpumpe, das heißt eine Ansteuerung mit einer vorgegebenen Menge und einer vorgegebenen Einspritzhäufigkeit der Flüssigkeit, realisierbar ist, mit der letztendlich die erforderlich Abgasnachbehandlung möglich ist.
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Es ist dabei vorgesehen, dass der leistungshungrige Verbraucher als mindestens eine Schnelllöschdiode ausgelegt ist, die seriell in Sperrrichtung zwischen dem Ausgang der Steuervorrichtung und Masse gekoppelt ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der leistungshungrige Verbraucher als mindestens eine Z-Diode ausgelegt ist. Eine Z-Diode ist eine Diode, die dazu ausgelegt ist, dauerhaft in Sperrrichtung im Bereich einer Durchbruchspannung betrieben zu werden. Die Durchbruchspannung, die auch Z-Spannung genannt wird, liegt bei Z-Dioden typischerweise im Bereich von 1,8 bis 300 Volt. Sobald diese Durchbruchspannung erreicht ist, ist die Z-Diode nicht mehr in Sperrrichtung sperrend, sondern es wird ein Ansteigen des Stroms um mehrere Größenordnungen innerhalb von Spannungserhöhungen von wenigen 100 Millivolt beobachtet. Der Strom, der durch die Z-Diode bei Spannungen oberhalb der Durchbruchspannung abfließt, verringert sich wieder, wenn die Spannung verringert wird. Mit einer entsprechend dimensionierten Z-Diode ist es somit möglich, dass der beim Ansteuern der Dosierpumpe mit der Steuervorrichtung auftretende Reststrom relativ schnell abgebaut wird, sodass die Dosierpumpe besonders zeitnah nach einem ersten Einspritzen der Flüssigkeit mit der Einspritzdüse erneut ansteuerbar ist.
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Alternativ zu einer einzelnen Schnelllöschdiode können in der zweiten Verstärkervorrichtung auch mehrere Schnelllöschdioden als leistungshungriger Verbraucher vorhanden sein. Hierfür können beispielsweise mehrere parallel geschaltete Schnelllöschdioden verwendet werden, die jeweils seriell mit dem Ausgang der Steuervorrichtung gekoppelt und in Sperrrichtung zur Masse geschaltet sind. Je nachdem, ob mehrere Dosierpumpen oder lediglich eine größere Dosierpumpe verwendet wird, können somit entsprechend dimensionierte leistungshungrige Verbraucher in die zweite Verstärkervorrichtung integriert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass in der zweiten Verstärkervorrichtung zwischen dem mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalter und dem leistungshungrigen Verbraucher eine Schutzdiode geschaltet ist, wobei die Schutzdiode derart angeordnet ist, dass eine Anode der Schutzdiode mit dem mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalter und eine Kathode der Schutzdiode mit dem Ausgang der Steuervorrichtung verbunden ist. Die zweite Verstärkervorrichtung umfasst somit zusätzlich eine Halbleiterdiode, das heißt eine sogenannte Schutzdiode, die zum Schutz vor Überspannung und unerlaubten Spannungen verwendbar ist. Mit der oben beschriebenen Anordnung der Schutzdiode ist es möglich, den mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalter, bei dem es sich beispielsweise um einen MOSFET handelt, vor Überspannungen, die beim Betreiben der Dosierpumpe auftreten können, zu schützen. Zusätzlich zu dem Selbstschutz des MOSFETs durch die in der Regel in ihn integrierte Bond-Diode wird der MOSFET also zusätzlich vor in der Steuervorrichtung auftretenden erhöhten Spannungen geschützt, um letztendlich zu erreichen, dass die Steuervorrichtung zum Ansteuern der Dosierpumpe der Katalysatorvorrichtung robust und zuverlässig funktionsfähig ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Verstärkervorrichtung eine Stromrücklesevorrichtung aufweist, die mit dem wenigstens einen Halbleiter-Leistungsschalter gekoppelt ist und einen Ausgang aufweist, der mit dem Steuergerät koppelbar ist, und dazu ausgelegt ist, ein am mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalter beim Ansteuern der Dosierpumpe mit der Steuervorrichtung auftretendes Stromsignal auszulesen und an das Steuergerät zu übermitteln. Die Steuervorrichtung umfasst somit zusätzlich ein Diagnosesystem, mit dem kontrolliert werden kann, ob die Abgasnachbehandlung mit der Dosierpumpe der Katalysatorvorrichtung wie es vorgesehen ist, um die gewünschte Abgasnachbehandlung zu erreichen, erfolgt. Die Stromrücklesevorrichtung ist in der elektrischen Schaltung der Steuervorrichtung beispielsweise zwischen dem Gate-Anschluss des mindestens einen als Halbleiter-Leistungsschalter in die zweite Verstärkervorrichtung integrierten MOSFET und dem Ausgang der Umwandlungsvorrichtung angeordnet. Ein Ausgang der Stromrücklesevorrichtung ist zudem mit dem Steuergerät koppelbar, sodass über diese Verbindung ein von der Stromrücklesevorrichtung erfasstes Stromsignal für das Steuergerät bereitstellbar ist. Die Stromrücklesevorrichtung stellt somit die Daten bereit, die nötig sind, damit überprüft wird, ob das Ansteuersignal des Steuergeräts sowie die Ansteuerung des Verbrennungsmotors derart erfolgen, dass die gewünschte Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors realisierbar ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Umwandlungsvorrichtung einen Spannungsteiler sowie einen elektrischen Schalter mit einer Steuerelektrode, einer Arbeitselektrode und einer Bezugselektrode umfasst, wobei der Spannungsteiler mit dem Ausgang der ersten Verstärkervorrichtung gekoppelt ist, ein Anschluss zum Koppeln mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs aufweist und an einem Abgriffpunkt mit der Steuerelektrode gekoppelt ist und die Bezugselektrode mit dem Ausgang der ersten Verstärkervorrichtung und die Arbeitselektrode mit dem mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalter gekoppelt ist. Die Umwandlungsvorrichtung kann zudem einen Widerstand aufweisen, der hinter der Arbeitselektrode, jedoch vor einem Ausgang der Umwandlungsvorrichtung mit dem Bordnetz gekoppelt ist. Dieser Widerstand ist also parallel zum Spannungsteiler angeordnet. Mit der Umwandlungsvorrichtung ist es möglich, dass das von der ersten Verstärkervorrichtung bereitgestellte verstärkte Ansteuersignal hinsichtlich seines Spannungspegels derart umgewandelt wird, dass es einen niedrigeren Spannungspegel aufweist, mit dem der mindestens eine Halbleiter-Leistungsschalter ansteuerbar ist. Die durch die erste Verstärkervorrichtung erreichte Verstärkung des Ansteuersignals wird daher im Grunde durch die Umwandlungsvorrichtung rückgängig gemacht, damit letztendlich mithilfe des Halbleiter-Leistungsschalter, der nicht für hohe Spannungspegel ausgelegt ist, ein Signal mit erhöhter Stromstärke zum Ansteuern der Dosierpumpe bereitstellbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Steuergerät die erste Verstärkervorrichtung, die Umwandlungsvorrichtung und die zweite Verstärkervorrichtung umfasst. Dies kann konstruktionstechnisch besonders vorteilhaft sein, da kein zum Steuergerät zusätzliches Bauteil in das Kraftfahrzeug integriert werden muss. Dies ist zum einen besonders platzsparend und zum anderen werden beispielsweise dadurch, dass keine Verbindungskabel zwischen den einzelnen Komponenten der Steuervorrichtung freiliegend im Kraftfahrzeug angeordnet sind, mögliche Schwachstellen innerhalb der Steuervorrichtung reduziert.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Katalysatorsystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, das eine Steuervorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, sowie eine Katalysatorvorrichtung mit einer Dosierpumpe umfasst. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausgestaltung und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Katalysatorsystem.
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Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung für eine Dosierpumpe einer Katalysatorvorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgesehen, mit dem die oben beschriebene Steuervorrichtung betrieben werden kann. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten daher entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Anlegen des Ansteuersignals, das zumindest mit einer Drehzahl des Verbrennungsmotors korreliert ist, an einen Eingang des Steuergeräts, Verstärken des Ansteuersignals mittels der ersten Verstärkervorrichtung, Bereitstellen des verstärkten Ansteuersignals am Ausgang der ersten Verstärkervorrichtung und Umwandeln des Spannungspegels des verstärkten Ansteuersignals mittels der Umwandlungsvorrichtung in einen Spannungspegel, der ausgelegt ist, den mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalter anzusteuern, sodass mit diesem letztendlich die Dosierpumpe derart angesteuert wird, dass eine vorgegebene Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs ermöglicht wird. Hierfür wird das am Ausgang der Steuervorrichtung anliegende Signal zum Ansteuern der Dosierpumpe verwendet. Außerdem umfasst die zweite Verstärkervorrichtung zwischen dem Ausgang des mindestens einen Halbleiter-Leistungsschalters und dem Ausgang der Steuervorrichtung einen leistungshungrigen Verbraucher. Der leistungshungrige Verbraucher ist als mindestens eine Schnelllöschdiode ausgebildet, die seriell in Sperrrichtung zwischen dem Ausgang der Steuervorrichtung und Masse gekoppelt ist.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Katalysatorsystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors,
- 2 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung für eine Dosierpumpe einer Katalysatorvorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, und
- 3 in schematischer Darstellung einen Signalflussgraphen für ein Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung für eine Dosierpumpe einer Katalysatorvorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Katalysatorsystem 10 zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 12 des Kraftfahrzeugs 1 skizziert. Dieses Katalysatorsystem 10 umfasst eine Steuervorrichtung 2 sowie eine Katalysatorvorrichtung 11 mit einer Dosierpumpe 6. Mithilfe der Dosierpumpe 6, die von der Steuervorrichtung 2 mit einem Ansteuersignal, das zumindest mit einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 korreliert ist, angesteuert wird, wird durch Einspritzen einer Flüssigkeit wie Ammoniak oder Harnstoff in ein Abgasgemisch des Verbrennungsmotors 12 (nicht in 1 dargestellt) eine gewünschte Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 12 erreicht. Bei der Katalysatorvorrichtung 11 handelt es sich bevorzugt um eine Katalysatorvorrichtung, die auf selektiver katalytischer Reduktion (englisch selective catalytic reduction, SCR) basiert. Mit dieser Technik kann die Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Verbrennungsmotoren 12, wie beispielsweise einem Dieselmotor oder einem Ottomotor, erreicht werden.
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In 2 ist die Steuervorrichtung 2 detailliert skizziert. Diese umfasst vier Komponenten, und zwar ein Steuergerät 3, eine erste Verstärkervorrichtung 31, die hier beispielsweise in das Steuergerät 3 integriert ist, eine Umwandlungsvorrichtung 4 sowie eine zweite Verstärkervorrichtung 5. Mit dem Signal am Ausgang der Steuervorrichtung 2, der hier als Steuervorrichtungsausgang 21 bezeichnet wird, wird letztendlich die Dosierpumpe 6, die Bestandteil der Katalysatorvorrichtung 11 ist, angesteuert.
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Das Steuergerät 3 weist einen Eingang, der hier als Steuergeräteingang 32 bezeichnet wird, auf, an dem ein Ansteuersignal, das zumindest mit einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 korreliert ist, angelegt werden kann. Die erste Verstärkervorrichtung 31 weist zudem einen hier als Verstärkervorrichtungsausgang 33 bezeichneten Ausgang auf, an dem das verstärkte Ansteuersignal des Steuergeräts 3 bereitstellbar ist. Mit dem Verstärkervorrichtungsausgang 33 ist das Steuergerät 3 mit der Umwandlungsvorrichtung 4 elektrisch gekoppelt, die dazu ausgelegt, einen Spannungspegel des verstärkten Ansteuersignals in ein Signal mit einem vorbestimmten niedrigeren Spannungspegel umzuwandeln. Die Umwandlungsvorrichtung 4 ist an einem Ausgang mit der zweiten Verstärkervorrichtung 5 elektrisch gekoppelt. Die zweite Verstärkervorrichtung 5 umfasst einen Halbleiter-Leistungsschalter 51, der als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet ist und über einen Anschluss, der hier als Bordnetzanschluss 52 bezeichnet wird, mit einem Bordnetz 7 des Kraftfahrzeugs 1 koppelbar ist. An einem als Leistungsschalterausgang 53 bezeichneten Ausgang des MOSFETs sind eine Schutzdiode 56 sowie ein leistungshungriger Verbraucher 54, bei dem es sich beispielsweise um eine Schnelllöschdiode wie eine Z-Diode, handelt, gekoppelt. Dieser leistungshungrige Verbraucher 54 ist seriell in Sperrrichtung zwischen dem Steuervorrichtungsausgang 21 und Masse 55 gekoppelt. Die Schutzdiode 56 ist derart angeordnet, dass eine Anode der Schutzdiode 56 mit dem Halbleiter-Leistungsschalter 51 und eine Kathode der Schutzdiode 56 mit dem Steuervorrichtungsausgang 21 verbunden ist.
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Das von der Umwandlungsvorrichtung 4 umgewandelte Ansteuerungssignal wird derart gewählt, dass es dazu ausgelegt ist, den Halbleiter-Leistungsschalter 51 anzusteuern. Der Spannungspegel des zuvor von der ersten Verstärkervorrichtung 31 bereitgestellten Ansteuerungssignals wird daher in einen Spannungspegel umzuwandeln, für den der Halbleiter-Leistungsschalter 51 ausgelegt ist. Mithilfe des Halbleiter-Leistungsschalters 51, der mit dem Bordnetz 7 elektrisch koppelbar ist, wird daraufhin eine Stromstärke des Ansteuersignals von typischerweise zwei Ampere auf drei Ampere erhöht, wodurch am Steuervorrichtungsausgang 21 ein Ansteuersignal bereitgestellt wird, das dazu ausgelegt ist, die Dosierpumpe 6 derart anzusteuern, dass eine von einer Abgasnorm gewünschte Nachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 12 realisierbar ist.
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Der leistungshungrige Verbraucher 54 dient dazu, dass ein bei einem Ansteuern der Dosierpumpe 6 mit der Steuervorrichtung 2 auftretender Reststrom reduziert wird. Dieser Reststrom entsteht dadurch, dass die Dosierpumpe 6 zumindest eine Spule aufweist, die aufgrund ihrer Spuleneigenschaften, das heißt aufgrund von auftretender Induktivität, eine zeitliche Verzögerung zwischen Strom- und Spannungsabbau aufweist. Während eines eingeschalteten Zustands der Dosierpumpe 6 dient der leistungshungrige Verbraucher 54, der gegen Masse 55 geschaltet ist, zum Schutz der Spule in der Dosierpumpe 6 vor Überspannungen. Sobald jedoch kein Strom fließt, da aktuell die Dosierpumpe 6 nicht angesteuert wird, kann mit dem leistungshungrigen Verbraucher 54 der Reststrom in der Spule der Dosierpumpe 6 abgebaut werden, sodass die Dosierpumpe 6 möglichst schnell wieder für einen erneuten Einspritzvorgang der Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 12 angesteuert werden kann. Alternativ zu dem skizzierten leistungshungrigen Verbraucher 54 können auch mehrere solcher leistungshungrigen Verbraucher, die besonders vorteilhaft als Z-Dioden ausgebildet sind, parallel geschaltet sein, wobei diese parallel geschalteten leistungshungrigen Verbraucher 54 jeweils seriell in Sperrrichtung zwischen dem Steuervorrichtungsausgang 21 und der Masse 55 gekoppelt sind. Die Schutzdiode 56 dient einem Schutz des Halbleiter-Leistungsschalters 51 vor Überspannungen, die womöglich beim Betreiben der Dosierpumpe 6 mit der Steuervorrichtung 2 auftreten können.
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Die zweite Verstärkervorrichtung 5 weist zudem eine Stromrücklesevorrichtung 57 auf, die mit dem Eingang des Halbleiter-Leistungsschalters 51 gekoppelt ist und einen Ausgang aufweist, einen sogenannten Stromrücklesevorrichtungsausgang 58, der mit dem Steuergerät 3 koppelbar ist. Die Stromrücklesevorrichtung 57 ist dazu ausgelegt, ein am Halbleiter-Leistungsschalter 51 bei einem Ansteuern der Dosierpumpe 6 mit der Steuervorrichtung 2 auftretendes Stromsignal auszulesen und an das Steuergerät 3 zu übermitteln. Mit der Stromrücklesevorrichtung 57 ist somit ein Diagnosesystem zur Kontrolle der Abgasnachbehandlung mit der Dosierpumpe 6 basierend auf Ansteuerbefehlen des Steuergeräts 3 beziehungsweise der gesamten Steuervorrichtung 2 möglich.
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Die Umwandlungsvorrichtung 4 umfasst beispielsweise einen Spannungsteiler 41, einen Abgriffpunkt 42, einen elektrischen Schalter 43 mit einer Steuerelektrode 44, einer Bezugselektrode 45 und einer Arbeitselektrode 46 sowie einen Widerstand 47. Der Spannungsteiler 41 ist hierbei mit dem Verstärkervorrichtungsausgang 33 gekoppelt. Die Umwandlungsvorrichtung 4 verfügt zudem über einen Anschluss zum Koppeln mit dem Bordnetz 7 des Kraftfahrzeugs 1. Der Abgriffpunkt 42 ist mit der Steuerelektrode 44 gekoppelt. Die Bezugselektrode 45 ist ebenfalls mit dem Verstärkervorrichtungsausgang 33 gekoppelt und die Arbeitselektrode 46 mit dem Halbleiter-Leistungsschalter 51 beziehungsweise mit der Stromrücklesevorrichtung 57. Hinter der Arbeitselektrode 46 ist zudem der Widerstand 47 angeordnet, der mit dem Bordnetz 7 gekoppelt ist. Diese exemplarisch beschriebene Umwandlungsvorrichtung 4 dient letztendlich der Regelung des Spannungspegels des Ansteuersignals, damit dieses mithilfe des Halbleiter-Leistungsschalters 51 in ein Ansteuerungssignal mit gewünschter Stromstärke umgewandelt werden kann, damit letztendlich die Dosierpumpe 6 derart ansteuerbar ist, dass die vorgegebene Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 12 möglich ist.
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Die Umwandlungsvorrichtung 4 sowie die zweite Verstärkervorrichtung 5 können alternativ ebenfalls wie die erste Verstärkervorrichtung 31 in das Steuergerät 3 integriert sein, wodurch ein einziges Bauteil ausreicht, die Dosierpumpe 6 wie gewünscht anzusteuern.
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In 3 sind die Verfahrensschritte des Verfahrens zum Betreiben der Steuervorrichtung 2 für die Dosierpumpe 6 der Katalysatorvorrichtung 11 des Kraftfahrzeugs 1 zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 12 skizziert. Hierbei erfolgt in einem Schritt S1 ein Anlegen des Ansteuersignals, das zumindest mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors 12 korreliert ist, an den Eingang des Steuergeräts 3, das heißt an den Steuergeräteingang 32. Daraufhin erfolgt ein Verstärken des Ansteuersignals mittels der ersten Verstärkervorrichtung 31 in einem Schritt S2 sowie in einem Schritt S3 das Bereitstellen des verstärkten Ansteuersignals am Ausgang der ersten Verstärkervorrichtung 31, dem Verstärkervorrichtungsausgang 33. In einem vierten Schritt S4 wird mit der Umwandlungsvorrichtung 4 der Spannungspegel des verstärkten Ansteuersignals in einen Spannungspegel umgewandelt, der ausgelegt ist, den Halbleiter-Leistungsschalter 51 der zweiten Verstärkervorrichtung 5 anzusteuern, wodurch letztendlich am Ausgang der Steuervorrichtung 2, am Steuervorrichtungsausgang 21, ein Ansteuersignal vorliegt, mit dem die Dosierpumpe 6 derart angesteuert wird, dass die vorgegebene Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 12 erreicht wird.
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Anstelle von einem Halbleiter-Leistungsschalter 51, der von der zweiten Verstärkervorrichtung 5 umfasst wird, ist es auch möglich, dass mehrere Halbleiter-Leistungsschalter 51, beispielsweise mehrere MOSFETs, in die zweite Verstärkervorrichtung 5 integriert sind.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie mit der Steuervorrichtung 2 ein Ansteuersignal bereitgestellt werden kann, mit dem die Dosierpumpe 6 der Katalysatorvorrichtung 11 zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 12 besonders kostengünstig ansteuerbar ist. Dieses Ansteuersignal weist den Spannungspegel und die Stromstärke auf, die nötig sind, um die Dosierpumpe 6 derart anzusteuern, dass auch verschärfte Abgasgrenzwertvorgaben, die beispielsweise von der Europäischen Union erhoben werden, erfüllbar sind, wenn als Katalysatorvorrichtung 11 ein SCR-Katalysator verwendet wird. Die Steuervorrichtung 2 umfasst hierfür neben dem Steuergerät 3 und der ersten Verstärkervorrichtung 31 eine Umwandlungsvorrichtung 4 zur Anpassung des Spannungspegels sowie eine zweite Verstärkervorrichtung 5 mit einem Halbleiter-Leistungsschalter 51 zum Bereitstellen eines Ausgangssignals mit gewünschter Stromstärke. Durch das Integrieren eines leistungshungrigen Verbrauchers 54 sowie der Schutzdiode 56 in die zweite Verstärkervorrichtung 5 ist die Steuervorrichtung 2 zudem dazu ausgelegt, einen in der Dosierpumpe 6 auftretenden Reststrom zu reduzieren sowie den Halbleiter-Leistungsschalter 51 vor hohen Spannungen, sogenannten Überspannungen, zu schützen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Steuervorrichtung
- 3
- Steuergerät
- 4
- Umwandlungsvorrichtung
- 5
- zweite Verstärkervorrichtung
- 6
- Dosierpumpe
- 7
- Bordnetz
- 10
- Katalysatorsystem
- 11
- Katalysatorvorrichtung
- 12
- Verbrennungsmotor
- 21
- Steuervorrichtungsausgang
- 31
- erste Verstärkervorrichtung
- 32
- Steuergeräteingang
- 33
- Verstärkervorrichtungsausgang
- 41
- Spannungsteiler
- 42
- Abgriffpunkt
- 43
- elektrischer Schalter
- 44
- Steuerelektrode
- 45
- Bezugselektrode
- 46
- Arbeitselektrode
- 47
- Widerstand
- 51
- Halbleiter-Leistungsschalter
- 52
- Bordnetzanschluss
- 53
- Leistungsschalterausgang
- 54
- leistungshungriger Verbraucher
- 55
- Masse
- 56
- Schutzdiode
- 57
- Stromrücklesevorrichtung
- 58
- Stromrücklesevorrichtungsausgang
- S1 bis S4
- Schritte
