Verfahren zur Realisierung erhöhter Mengengenauigkeit in druckgeregelten Dosiersystemen

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Dosiersystems, bei dem eine Druckregelung mit einer Adaption der Ansteuerung eines Dosierventils kombiniert wird mit dem Ziel einer verbesserten

Mengengenauigkeit des Gesamtsystems. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn sie auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares

Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.

Stand der Technik

Druckgeregelte Dosiersysteme basieren in der Regel auf dem Prinzip, dass eine Pumpe einen gewünschten Systemdruck bereitstellt und auf einen möglichst engen Bereich um einen definierten Sollwert einregelt, und eine

Dosiereinrichtung, typischerweise ein Dosierventil ausgehend von diesem Druck durch Einstellung einer dazu passenden Ventilöffnungszeit die gewünschte Menge dosiert. In derartigen Systemen hängt die Dosiermengengenauigkeit im Wesentlichen von der Toleranz des Dosierventils ab.

Alternativ macht man sich in sog.„volumetrischen Systemen" ohne Rücklauf die i.a. hohe Genauigkeit der (Hubkolben-)Pumpe sowie die Eigenschaft, dass im stationären Zustand die sehr genau bekannte, durch die Pumpe geförderte Menge das System als dosierte Menge auch wieder verlässt, zu Nutze. Dabei stellt sich dank des Prinzips der Volumetrie in Kombination mit den

vergleichsweise kleinen Mengentoleranzen der Hubkolbenpumpe im Mittel eine hohe Mengengenauigkeit ein. Bzgl. des Druckes existiert hierbei jedoch im Allgemeinen kein geschlossener Regelkreis, vielmehr stellt sich der Systemdruck in Abhängigkeit von der Vorsteuerung sowie den Toleranzen der Pumpe und des Dosierventils ein und wird nicht nachgeregelt, was in der Regel zu

vergleichsweise großen Toleranzen im sich einstellenden Systemdruck führt. Damit ist Stand der Technik eine hohe Druckstabilität bei vergleichsweise hoher

Dosiermengentoleranz in druckgeregelten Systemen oder verbesserte

Dosiermengentoleranz auf Kosten höherer Druckschwankungen in rein vorgesteuerten„volumetrischen Systemen". Es sind auch Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben einer

Brennkraftmaschine insbesondere bei Kraftfahrzeugen bekannt, in deren Abgasstrang ein S CR- Katalysator (Selective Catalytic Reduction) angeordnet ist, der die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der

Reaktion wird Ammoniak (N H3) benötigt. Als Reaktionsmittel werden N H3- abspaltende Reagenzien eingesetzt, die dem Abgas zugemischt werden. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die stromaufwärts des S CR- Katalysators in den Abgasstrang eingedüst wird.

Zur Förderung und Dosierung der Reduktionsmittellösung aus einem

Reduktionsmitteltank ist im Allgemeinen ein hydraulisches Dosiersystem vorgesehen, das eine Förderpumpe, eine Druckleitung, ein Dosiermodul, mit wenigstens einem Dosierventil, sowie die erforderliche Sensorik und eine elektronische Steuereinrichtung umfasst. Die Förderpumpe fördert die

Reduktionsmittellösung aus dem Reduktionsmitteltank über die Druckleitung in das Dosiermodul. Zur bedarfsgerechten Dosierung wird die erforderliche bzw. gewünschte Dosiermasse der Reduktionsmittellösung über das oder die

Dosierventil(e) in den Abgasstrang eindosiert.

Das Dosierventil wird geöffnet, wenn es angesteuert wird, d.h. wenn ein elektrischer Strom zur Ansteuerung anliegt. Es wird über eine festgelegte Ansteuerdauer offen gehalten, sodass Reduktionsmittel in den Abgasstrang eingedüst wird. Wenn das Dosierventil nicht mehr angesteuert wird, d.h. kein Strom anliegt, schließt das Dosierventil wieder. Die Ansteuerdauer und der in der Druckleitung und somit auch im Dosierventil herrschende Druck sind neben der Geometrie der Spritzlochscheibe die wesentlichen Faktoren, die die eindosierte Menge festlegen. Hierbei gilt zu beachten, dass das Dosierventil nicht unmittelbar auf die Ansteuerung reagiert. Infolgedessen entweicht eine unbestimmte Masse der Reduktionsmittellösung unkontrolliert in den

Abgasstrang. Die tatsächlich eindosierte Reduktionsmittellösung weicht folglich von der tatsächlichen Reduktionsmittelmasse ab, sodass das Dosierventil stark toleranzbehaftet ist.

In der DE 10 2010 031 655 AI wird ein Verfahren zum Betreiben eines druckgeregelten Dosiersystems für einen S CR- Katalysator beschrieben. Ein Druckregler regelt den Druck im SCR-System, indem er die Ansteuerung der Förderpumpe entsprechend den aktuellen Anforderungen an die Öffnungsdauer des Dosierventils einstellt. Ziel dieser Regelung ist es, den vorherrschenden, tatsächlichen Druck an einen gewünschten Druck anzupassen. Das hierin beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine adaptive

Vorsteuerung für die Regelung eingesetzt wird. Bei der adaptiven Vorsteuerung wird das Stellsignal des Förderpumpenmotors bei unterschiedlichen

Ansteuerungen des Dosierventils eingelernt. Sobald die adaptive Vorsteuerung zwei oder mehr Punkte eingelernt hat, wird sie verwendet, um das notwendige nächste Stellsignal des Förderpumpenmotors zu ermitteln. Neben dem

Förderpumpenmotor können auch andere Aktoren des Dosiersystems als Stellsignal eingesetzt werden, jedoch bietet der Förderpumpenmotor ein sehr genaues Signal. Als Resultat werden bei großen Dosiermengenänderungen auftretende hohe Drucküber- und -unterschwinger sowie damit verbundene lange Einregelungszeiten vermieden und somit die Regelgüte optimiert.

Offenbarung der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von druckbehafteten

Dosiersystemen, welche ein Fördermodul, mit einer in der Regel geringen Toleranz, ein typischerweise stärker toleranzbehaftetets Dosierventil, eine das Fördermodul und das Dosierventil verbindende Druckleitung und einen zwischen dem Fördermodul und dem Dosierventil angeordneten Drucksensor umfassen. Es gilt hierbei zu beachten, dass in diesem SCR-System kein Rücklauf vorgesehen ist und demzufolge das Dosiersystem , wenn nicht eingespritzt wird, ein geschlossenes System darstellt- und keine Reduktionsmittellösung entweichen kann. Während bei dem Dosiersystem eine Druckregelung vorgenommen wird, erfolgt eine Adaption der Ansteuerung des toleranzbehafteten Dosierventils. Daraus resultiert, dass die Vorteile eines druckgeregelten Systems, nämlich vor allem die geringe Toleranz des Drucks beim Eindosieren, und die Vorteile eines volumetrischen Systems, nämlich vor allem die integral geringe Toleranz der geförderten und dann auch eindosierten Menge, kombiniert werden, um eine insgesamt geringere Gesamttoleranz während des Eindosiervorgangs zu erhalten.

Vorzugsweise kann die Adaption der Ansteuerung des Dosierventils mittels eines Adaptionsfaktors durchgeführt werden. Der Adaptionsfaktor hängt von einer durch das Fördermodul geförderten integralen Menge und von einer nominal durch das Dosierventil eindosierten Menge ab und kann insbesondere für einen festgelegten Zeitraum als Quotient aus der geförderten Menge und der nominal eindosierten Menge berechnet werden. Durch die Berechnung des

Adaptionsfaktors kann eine Abweichung der tatsächlich vom Dosierventil eindosierten Menge von einer nominalen Menge quantisiert werden und diese Abweichung kann durch die Adaption der Ansteuerung des Dosierventils mittels des Adaptionsfaktors korrigiert werden. Zudem gilt, dass in volumetrischen Dosiersystemen integral eine hohe Genauigkeit der eindosierten Menge erreicht werden kann, da die komplette geförderte und im Allgemeinen mit geringer Toleranz behaftete Menge aufgrund des nicht vorhandenen Rücklaufs vollständig eindosiert wird. Hierbei nutzt man die hohe Genauigkeit des Fördermoduls, um eine hohe Genauigkeit - und damit eine niedrige Toleranz - der geförderten Menge zu erhalten. Als Beispiel soll eine Hubkolbenpumpe im Fördermodul dienen, die bei jedem Hub eine durch das Volumen des Hubkolbens

vorgegebene Menge fördert.

Durch die Adaption des Dosierventils kann bevorzugt dessen Ansteuerdauer angepasst werden. Um die Ansteuerdauer zu berechnen, kann insbesondere die Ventildurchflusskennlinie mittels des Adaptionsfaktors korrigiert werden. Dies bietet eine Möglichkeit, auf Grundlage der Abweichungen, eine quantisierte Adaption der Ansteuerung des Dosierventils vorzunehmen.

Vorzugsweise bilden das Fördermodul mit Drucksensor und die Druckleitung als Regelstrecke mit dem dort herrschenden Systemdruck als Regelgröße einen geschlossenen Regelkreis, über den die Druckregelung vorgenommen werden kann. Im Zuge dieser Regelung wird ein gewünschter Druck, der durch das Fördermodul aufgebaut werden soll, mit einem tatsächlichen Druck, der in der Druckleitung vorherrscht, verglichen. Auf Grundlage dessen wird das

Fördermodul, z.B. über einen Zweipunktregler, so angesteuert, dass sich der tatsächliche Druck dem gewünschten Druck anpasst. Als Resultat wird ein druckgeregeltes System erhalten. In druckgeregelten Systemen wird eine hohe Genauigkeit des im Dosiersystem vorherrschenden Drucks erreicht.. Der vom Fördermodul aufgebaute Druck kann aufgrund des nicht vorhandenen Rücklaufs nicht abgebaut werden und bleibt bis zum Eindosieren konstant.

Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren

Speichermedium gespeichert.

Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches

elektronisches Steuergerät, wird das erfindungsgemäße elektronische

Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, die Öffnungsdauer zu adaptieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein SCR-System, das mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann. Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 3 zeigt ein Diagramm einer normierten Reduktionsmittelflussrate über einem Systemdruck, welches Toleranzen für ein rein volumetrisch geregeltes

Dosiersystem, für ein rein druckgeregeltes Dosiersystem und für ein gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens geregeltes System aufzeigt. Ausführungsbeispiel der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines Dosiersystems in Form eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) beschrieben. Figur 1 zeigt ein SCR-System 10 zur Förderung von Reduktionsmittel durch eine

Druckleitung 11 in einen nicht dargestellten SCR-Katalysator. Es umfasst ein Fördermodul 12, welches eine Förderpumpe 13 umfasst, die eingerichtet ist Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank 14 zu fördern. In dieser Ausführungsform ist die Förderpumpe 13 als Hubkolbenpumpe ausgebildet. Das Fördermodul 12 ist über die Druckleitung 11 mit einem Dosiermodul 15 verbunden, wobei Reduktionsmittel vom Fördermodul 12 durch die Druckleitung 11 zum Dosiermodul 15 gefördert wird, wo es anschließend durch ein

Dosierventil 16 in einen nicht dargestellten Abgasstrang eindosiert wird. Des Weiteren weist die Druckleitung 11 einen Drucksensor 17 auf, der einen tatsächlichen Druck p _ta t in der Druckleitung 11 misst. Der Drucksensor 17 und das Fördermodul 12 sind mit einem elektronischen Steuergerät 18 verbunden und bilden einen gemeinsamen Regelkreis. Auf Grundlage eines vom

Drucksensor 17 gemessenen tatsächlichen Drucks p _ta t und eines gewünschten Drucks Pgew steuert das elektronische Steuergerät 18 mittels einer Druckregelung die Förderpumpe 13. Das elektronische Steuergerät 18 ist außerdem mit dem

Dosiermodul 15 bzw. mit dem Dosierventil 16 verbunden und kann diese steuern. Die Adaption der Ansteuerung des Dosierventils 16 erfolgt innerhalb des elektronischen Steuergeräts 18. Es ist hierbei anzumerken, dass in diesem Dosiersystem kein Rücklauf in den Reduktionsmitteltank 14 vorgesehen ist, sodass das Fördermodul 12, die Druckleitung 11 und das Dosiermodul 15 ein geschlossenes System bilden. Ein durch das Fördermodul 13 aufgebauter Druck p bleibt bis zur Eindosierung konstant. Ebenso kann die geförderte

Reduktionsmittelmenge nicht anderweitig zurückfließen und wird beim

Eindosieren vollständig über das Dosierventil 16 in den Abgasstrang eindosiert.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Beginn wird der tatsächliche Druck p _ta t durch den Drucksensor 17 gemessen 20. Gemäß dem Ausführungsbeispiel folgt eine Druckregelung 30, bei der zuerst eine Druckdifferenz Δρ aus dem tatsächlichen Druck ptat und dem gewünschten Druck p _gew berechnet 31 wird. Die

Druckdifferenz Δρ passiert dann einen Filter 32, bei dem unerwünschte

Störsignale entfernt werden. Als Filter 32 wird ein Tiefpassfilter verwendet werden, der hochfrequente Signalanteile, die von Messrauschen oder hochfrequenten Druckschwingungen herrühren, unterdrückt. Im Anschluss durchläuft die gefilterte Druckdifferenz Δρ«ι ₍ einen Zweipunktregler 33. Liegt die gefilterte Druckdifferenz Δρηκ unter einer Schwelle p _s , mit anderen Worten liegen der tatsächliche Druck p _ta t und der gewünschte Druck p _gew nahe beieinander, wird die Förderpumpe 13 nicht angesteuert 34 und es erfolgt kein Hub. Liegt die gefilterte Druckdifferenz Δρηκ allerdings über der Schwelle p _s , mit anderen Worten liegen der tatsächliche Druck p _ta t und der gewünschten Druck p _gew weit auseinander, wird die Förderpumpe entsprechend einer Pumpfrequenz f _p nachgeregelt 35, sodass sich der tatsächliche Druck p _ta t dem gewünschten Druck Pgew anpasst. In beiden Fällen lässt sich eine integral geförderte

Reduktionsmittelmasse m _p leicht ermitteln 36. Im Falle der Hubkolbenpumpe ist die pro Hub geförderte Reduktionsmittelmasse durch das Volumen des Kolbens festgelegt. Um die integral geförderte Reduktionsmittelmasse m _p zu ermitteln 36, wird die pro Hub geförderte Reduktionsmittelmasse mit einer über einen

Messzeitraum ausgeführten Anzahl von Hüben multipliziert.

Während der Druckregelung 30 erfolgt eine Adaption 40 der Ansteuerung Dosierventils 16, die auf dem volumetrischen Prinzip des zugrundeliegenden Dosiersystems beruht. Dabei wird ausgenutzt, dass die integral geförderte Reduktionsmittelmasse m _p vollständig durch das Dosierventil 16 eindosiert wird. Aus einer gewünschten Reduktionsmittelmasse m _ge w wird mittels des

elektronischen Steuergeräts 18 eine nominal eindosierte Masse m _n ermittelt 41. Als nominal eindosierte Reduktionsmittelmasse m _n wird eine vermeintlich integral eindosierte Reduktionsmittelmasse eines nominalen Dosierventils bezeichnet. Das nominale Dosierventil ist definitionsgemäß gegenüber der von ihm eindosierten Reduktionsmittelmasse toleranzfrei. Folglich ist die nominal eindosierte Reduktionsmittelmasse m _n lediglich vom tatsächlichen Druck p _ta t abhängig und somit nach der Druckregelung 30 mit sehr geringer Toleranz behaftet. Aus der nominal eindosierten Reduktionsmittelmasse m _n und der integral geförderten Reduktionsmittelmasse m _p wird gemäß Formel 1 über den Messzeitraum ein Quotient berechnet 42: dov - _m (Formel 1)

Dieser Quotient wird als Adaptionsfaktor aov bezeichnet und gibt eine

Abweichung zwischen der tatsächlich eindosierten Reduktionsmittelmasse und der nominal eindosierten Reduktionsmittelmasse m _n . In einem idealen

Dosiersystem ohne Toleranzen ergibt sich der Adaptionsfaktor aov daher zu eins. Der Adaptionsfaktor aov wird im Folgenden dazu verwendet eine im

elektronischen Steuergerät 18 hinterlegte, nominale Ventildurchflusskennlinie Q _n zu korrigieren 43, um gemäß Formel 2 eine adaptierte Ventildurchflusskennlinie Qad zu erhalten:

Qad - Qn ^{' a} DV (Formel 2)

In der adaptierten Ventildurchflusskennlinie Q _a d worden wird also die Abweichung zwischen der tatsächlich eindosierten Reduktionsmittelmasse und der nominal eindosierten Reduktionsmittelmasse m _n berücksichtigt. Auf Grundlage dieser adaptierten Ventildurchflusskennlinie Q _a d erfolgt eine Anpassung 44 einer benötigten Ventilansteuerdauer t _a . Als Resultat wird die Ventilansteuerdauer t _a abhängig vom Adaptionsfaktor aov und somit von der integral geförderten Reduktionsmittelmasse m _p und der nominal eindosierten Reduktionsmittelmasse m _n angepasst 44. Dadurch weist das Dosierventil 16 nach der Anpassung 44 der Ventilansteuerdauer t _a eine deutlich reduzierte stationäre Massetoleranz auf.

Das Verfahren wird an folgendem Beispiel verdeutlicht. Das Dosierventil 16 soll, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder Alterungseffekten, 10% zu viel Reduktionsmittelmasse eindosieren. Als Folge fördert die

Förderpumpe 13 die im Vergleich zu einer gewünschten Reduktionsmittelmasse rrigew um 10% zu hohe integral geförderte Reduktionsmittelmasse m _p , um bei der Druckregelung 30 den tatsächlichen Druck p _ta t an den gewünschten Druck p _gew anzupassen. Die nominal eindosierte Reduktionsmittelmasse m _n wird durch das elektronische Steuergerät 18 so ermittelt 41, dass sie bei vorherrschendem, tatsächlichem Druck p _ta t der gewünschten Reduktionsmittelmasse m _ge w entspricht. Die Berechnung 42 des Adaptionsfaktors aov nach Formel 1 ergibt sich folgendermaßen:

_ M 0% ₌ (Fromel l') D ^V 100%

Die Ansteuerdauer t _a muss daraufhin im Vergleich zu einer nominalen

Ansteuerdauer um den Kehrwert des Adaptionsfaktors aov verkürzt werden, um die positive Massentoleranz des Dosierventils 16 zu kompensieren. Die

1

Ansteuerdauer ist daher um 1 « 9% verkürzt.

1 , 1

Figur 3 zeigt ein Diagramm einer normierten Reduktionsmittelmassenflussrate R, über dem Systemdruck p. Es sind ein nominaler 50, ein maximaler 51 und ein minimaler 52 Verlauf für die Förderpumpe dargestellt. Die Massentoleranz der

Förderpumpe 13 kann als Differenz des maximalen Verlaufs 51 und des minimalen Verlauf 52 ausgelesen werden. Ebenso sind ein nominaler 60, ein maximaler 61 und ein minimaler 62 Verlauf für das Dosierventil 16 dargestellt. Analog kann die Drucktoleranz und die Massentoleranz des Dosierventils 16 als Differenz des maximalen Verlaufs 61 und des minimalen Verlauf 62 ausgelesen werden. Aus dem nominalen Verlauf 60 kann die nominal eindosierte

Reduktionsmittelmasse m _n für den jeweiligen tatsächlichen Druck p _ta t ermittelt werden. Des Weiteren zeigt das Diagramm aus Figur 3 eine Gesamttoleranz 70 eines rein vorgesteuert betriebenen, volumetrischen Dosiersystems, eine Gesamttoleranz 80 eines rein druckgeregelten Dosiersystems und eine Gesamttoleranz 90 eines gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens geregelten Dosiersystems . Die Gesamttoleranz 70 des rein vorgesteuert betriebenen, volumetrischen Dosiersystems ergibt sich aus der Toleranz der Förderpumpe 13 und der Toleranz des Dosierventils 16. Die Gesamttoleranz 80 des rein druckgeregelten Dosiersystems hingegen ist im Wesentlichen nur noch von der Mengentoleranz des Dosierventils 16 abhängig. Bei der Gesamttoleranz 90 des gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens geregelten Dosiersystems wird die geringe Drucktoleranz des druckgeregelten

Dosiersystems mit der reduzierten Massentoleranz des volumetrisch geregelten Dosiersystems kombiniert. Deshalb ist sie im Vergleich zu den beiden anderen Gesamttoleranzen 70 und 80 relativ klein. Vor allem die Massentoleranz wird durch das erfindungsgemäße Verfahren reduziert, was im Diagramm durch die als Pfeile symbolisierte Projektion der Gesamttoleranzen 70, 80 und 90 auf die normierte Reduktionsmittelmassenflussrate R _m dargestellt ist.