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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Dosierung eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine wobei eine Abgasreinigung nach dem Funktionsprinzip der selektiven katalytischen Reduktion erfolgt, wobei eine Reduktionsmittel-Sollmenge in einer Dosier-Berechnungseinheit bestimmt und mittels einer Dosiervorrichtung einem Abgas in dem Abgaskanal beigemischt wird.
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Stand der Technik
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Die selektive katalytische Reduktion (SCR) kann zur Verringerung der NOx-Emission (Entstickung) von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend magerem, d.h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Dies kann beispielsweise in Form von Ammoniak sein, welches direkt gasförmig zudosiert wird, oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird.
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In der
DE 101 39 142 A1 ist ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem zur Verringerung der NO
x-Emission ein SCR-Katalysator eingesetzt ist, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem Reagenzmittel Ammoniak zu Stickstoff reduziert. Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus der Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der HWL enthaltenen Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid um. In einem zweiten Schritt reduziert das Ammoniak die Stickoxide zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Der genaue Ablauf ist in der Fachliteratur hinreichend beschrieben worden (vgl. WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441-449, 2000). Die HWL wird in einem Reagenzmitteltank bereitgestellt. Die dem Abgas zuzumischende Reduktionsmittelmenge wird in einer Recheneinheit auf der Basis von Motorparametern bestimmt, die eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine bestimmen.
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Aus der
EP 1 024 254 A2 ist dazu ein Verfahren bekannt, bei dem die Reduktionsmittelmenge von einer Lastgröße, beispielsweise der Kraftstoffeinspritzmenge und/oder der Motordrehzahl und wenigstens einer Betriebskenngröße, beispielsweise der Temperatur des Abgases in Stromrichtung vor dem Katalysator bestimmt wird. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird fortwährend auf Basis der Motorparameter und der Temperatur des Abgases gemäß einem oder mehreren Kennfeldern die zu dosierende Reduktionsmittelmenge in der Recheneinheit als Sollwert bestimmt.
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Die
DE 103 01 602 A1 vereinfacht das Vorgehen der
EP 1 024 254 A2 dahingehend, dass die Anzahl der eingesetzten Kennfelder reduziert wird, indem ausgehend von einem angenommenen stationären Betriebszustand des Katalysators und/oder der Verbrennungsanlage ein Stationärwert des zu dosierenden Reagens ermittelt und mit wenigstens einem Korrekturfaktor zur dynamischen Anpassung korrigiert wird. Die Stickoxidemission kann hierbei aufgrund eines Motormodells oder durch Messung mit einem Stickoxidsensor bestimmt werden. Hierbei können die momentanen Soll- und Istwerte zwischen der Recheneinheit und dem Dosiersystem über ein Kommunikationssystem ausgetauscht werden. Als Kommunikationssystem kann beispielsweise ein CAN-Bus (Controller Area Network) eingesetzt werden. Das Kommunikationssystem überträgt die Daten nicht zu festen bekannten Zeitpunkten, sondern ereignisgesteuert. Hierdurch kann der Sollwert der zu dosierenden Reduktionsmittelmenge zu unterschiedlichen Zeitpunkten dem Dosiersystem übergeben werden. Ebenso kann die Rückmeldung des Ist-Wertes der aktuellen Stickoxidmenge zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen.
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DE 101 26 456 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas einer mager betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren. Diese weist eine Reduktionsmitteleinspeisung mit einem NH3-Sensor zur Messung der NH3-Konzentration im Abgas auf. Ferner betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung.
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass die Zeitunterschiede bei der Übermittlung der Momentanwerte der Soll- und Ist-Werte der Reduktionsmittelmenge zu Dosierfehlern führen, deren Auswirkungen sich im Laufe der Betriebsdauer aufsummieren können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dosierung von Reduktionsmittel bereitzustellen, die eine Verbesserung der Genauigkeit der Dosierung ermöglichen und insbesondere eine Aufsummation von Dosierfehlern vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Reduktionsmittel-Istmenge ermittelt und mit der Reduktionsmittel-Sollmenge verglichen wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Genauigkeit der Dosierung verbessert wird und der Verbrauch an Reduktionsmittel bei gleichzeitig guter Abgasreinigung minimiert wird.
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Werden die Reduktionsmittel-Sollmenge und die Reduktionsmittel-Istmenge über zwei oder mehrere Dosierzyklen integriert und werden die Integralwerte verglichen, kann erreicht werden, dass in der Recheneinheit für die Dosierstrategie die gesamte dosierte Menge als Vergleichswert vorliegt und daher die gesamte angeforderte Soll-Menge auch dosiert wird. Hierdurch treten kleinere Abweichungen zwischen Reduktionsmittel-Soll- und Reduktionsmittel-Istmenge auf.
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Erfolgt die Dosierung des Reduktionsmittels mittels eines Dosierventils und sieht die Zeitsteuerung des Dosierventils eine variable Öffnungsdauer und eine variable Dosierzyklusdauer vor, kann bereits innerhalb eines Dosierzyklus auf einen sich ändernden Bedarf an Reduktionsmittel reagiert werden. Steigt der Bedarf an Reduktionsmittel während der Öffnungsdauer des Dosierventils an, so dass bei der aktuell vorgesehenen Öffnungsdauer beim Dosierzyklusende die Reduktionsmittel-Istmenge die Reduktionsmittel-Sollmenge unterschreiten würde, kann das Dosierende auf einen späteren Zeitpunkt verschoben werden, so dass die Reduktionsmittel-Istmenge der neuen extrapolierten Reduktionsmittel-Sollmenge entspricht. Sinkt der Bedarf an Reduktionsmittel während der Öffnungsdauer des Dosierventils, so dass bei der aktuell vorgesehenen Öffnungsdauer beim Dosierzyklusende die Reduktionsmittel-Istmenge die Reduktionsmittel-Sollmenge überschreiten würde, kann das Dosierende auf einen früheren Zeitpunkt vorgezogen werden, so dass die Reduktionsmittel-Istmenge der neuen extrapolierten Reduktionsmittel-Sollmenge entspricht. Wird das Sinken des Bedarfs an Reduktionsmittel nach dem gemäß Extrapolation der Reduktionsmittel-Sollmenge erforderlichen Dosierende des Dosierventils festgestellt, kann das Dosierzyklusende auf einen späteren Zeitpunkt verschoben werden, so dass bei dem neuen Dosierzyklusende die Reduktionsmittel-Istmenge der neuen extrapolierten Reduktionsmittel-Sollmenge entspricht.
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Wird das Integral der Reduktionsmittel-Sollmenge während des Dosierzyklus auf eine Sollmenge bei Dosierzyklusende extrapoliert und mit dem aktuellen Integral der Reduktionsmittel-Istmenge verglichen, kann verhindert werden, dass sich Dosierfehler über mehrere Dosierzyklen aufsummieren. Insbesondere kann verhindert werden, dass sich Fehldosierungen durch die im Dosierventil konstruktiv bedingte kleinste applizierbare Dosiermenge aufsummieren.
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Eine Überdosierung von Reduktionsmittel kann verhindert werden, indem ein geöffnetes Dosierventil geschlossen wird, falls das aktuelle Integral der Reduktionsmittel-Istmenge die Sollmenge bei Dosierzyklusende übersteigt.
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Eine Überdosierung von Reduktionsmittel kann auch nach dem Dosierende verhindert werden, indem der Dosierzyklus verlängert wird, falls das aktuelle Integral der Reduktionsmittel-Istmenge die Sollmenge bei Dosierzyklusende übersteigt.
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Eine Unterdosierung von Reduktionsmittel kann besonders schnell ausgeglichen werden, indem der Dosierzyklus verkürzt wird, falls das aktuelle Integral der Reduktionsmittel-Istmenge die Sollmenge bei Dosierzyklusende unterschreitet.
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Wird für die Berechnung der Reduktionsmittel-Sollmenge für einen nächsten Dosierzyklus die Abweichung zwischen der Reduktionsmittel-Istmenge und einem Differenzenquotient aus der Reduktionsmittel-Sollmenge, der Reduktionsmittel-Istmenge und der Dosierzyklusdauer oder zu der aktuellen Reduktionsmittel-Sollmenge oder zu einem Maximum beider Werte oder zu einem Mittelwert beider Werte verwendet, kann eine besonders gute Abschätzung der voraussichtlich beim nächsten Dosierzyklusende erforderlichen Reduktionsmittel-Sollmenge erzielt werden.
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Eine Überdosierung beim Systemstart, beim Auftauen oder nach einer Fehlerbedingung kann verhindert werden, indem die Integration der Reduktionsmittel-Sollmenge unterbrochen wird, wenn die Dosiervorrichtung nicht betriebsbereit ist.
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Eine über längere Laufdauer korrekte Dosierung des Reduktionsmittels bei Verwendung unterschiedlicher Recheneinheiten für die Dosierstrategie und die Dosier-Überwachung kann erreicht werden, indem das Integral der Reduktionsmittel-Sollmenge und das Integral der Reduktionsmittel-Istmenge zwischen Recheneinheiten einer Motorsteuerung über ein Kommunikationssystem übertragen werden.
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Wird die Integration der Reduktionsmittel-Sollmenge auf einen Startwert zurückgesetzt, sobald die integrierte Reduktionsmittel-Sollmenge einen Maximalwert erreicht hat und wird der Startwert in einer Botschaft mit einer Nachricht über das Zurücksetzen der Integration der Reduktionsmittel-Sollmenge über das Kommunikationssystem gesendet und dass die Integration der Reduktionsmittel-Istmenge auf einen der Differenz zwischen dem Startwert und einem Maximalwert der integrierten Reduktionsmittel-Istmenge entsprechenden Wert erfolgt, sobald die Botschaft mit der Nachricht über das Zurücksetzen der Integration der Reduktionsmittel-Sollmenge empfangen worden ist, kann eine hohe Auflösung der Werte der Reduktionsmittel-Sollmenge und der Reduktionsmittel-Istmenge verwendet werden, eine genaue Dosierung erfolgen und gleichzeitig eine digitale Darstellung der Werte mit einer geringen Anzahl von Stellen verwendet werden, so dass Rechendauer und Speicherplatz eingespart werden können und ein Werteüberlauf trotzdem sicher verhindert werden kann.
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Ein sicherer Abgleich des Zurücksetzens der Integratoren für die Reduktionsmittel-Sollmenge und die Reduktionsmittel-Istmenge wird ermöglicht, indem eine Synchronisierung der Rücksetzung der Integration der Reduktionsmittel-Sollmenge und der Reduktionsmittel-Istmenge als erfolgreich angesehen wird, wenn nach der Botschaft mit der Nachricht über das Zurücksetzen der Integration der Reduktionsmittel-Sollmenge eine Rücksetzung des Integrals der Reduktionsmittel-Istmenge festgestellt wird.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird gelöst, indem eine Kommunikationsverbindung zwischen der Dosier-Berechnungseinheit und der Dosier-Überwachung für einen Vergleich einer Reduktionsmittel-Sollmenge und einer Reduktionsmittel-Istmenge vorgesehen ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Dosier-Berechnungseinheit und die Dosier-Überwachung in verschiedenen Einheiten der Motorsteuerung angeordnet sein können und trotzdem eine genaue Dosierung von Reduktionsmittel erreicht werden kann.
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Sind in der Dosier-Berechnungseinheit ein Integrator für die Reduktionsmittel-Sollmenge und der Dosier-Überwachung ein Integrator für die Reduktionsmittel-Istmenge vorgesehen, kann verhindert werden, dass sich Dosierfehler mit der Betriebsdauer aufsummieren und die Dosierung wird insgesamt genauer.
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Eine Nutzung vorhandener Einrichtungen im Kraftfahrzeug und standardisierter Vorrichtungen und Verfahren wird ermöglicht, indem die Kommunikationsverbindung in Form eines CAN-Bus (Controller Area Network) ausgeführt ist.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Brennkraftmaschine mit einem SCR-Katalysator,
- 2a einen Zeitverlauf einer Dosierung eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal,
- 2b den Zeitverlauf der Dosierung mit einer Erhöhung der Dosierung,
- 2c den Zeitverlauf der Dosierung mit einer Verringerung der Dosierung,
- 2d den Zeitverlauf der Dosierung mit einer Verringerung einer Periodendauer,
- 2e den Zeitverlauf der Dosierung mit einer Verlängerung einer Periodendauer,
- 3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Dosierung des Reduktionsmittels.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine 20 mit einer Verbrennungsluft-Zuleitung 21 und einem Abgaskanal 22, über den ein SCR-Katalysator 23 an die Brennkraftmaschine 20 zur Reinigung des Abgases nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion angeschlossen ist. Vom SCR-Katalysator 23 wird das Abgas über eine Abgasableitung 24 in die Umgebungsluft abgeleitet. Zur Abgasreinigung nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion ist ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Ammoniak erforderlich, das aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) erzeugt werden kann. Die HWL ist in einem Reduktionsmittelvorrat 11 gelagert und kann bei Bedarf über eine Dosiereinheit 10 durch eine Reduktionsmittel-Leitung 12 in den Abgaskanal 22 eindosiert werden. Zur Dosierung von Kraftstoff ist eine Motorsteuerung 30 über eine erste Steuerleitung 36 mit einer Kraftstoffzufuhr 35 verbunden. Die Menge der einzudosierenden HWL wird in einer Dosier-Berechnungseinheit 31 der Motorsteuerung 30 aus Motorparametern bestimmt und über eine zweite Steuerleitung 37 der Dosiereinheit 10 mitgeteilt. Eine Istmenge von dosierter HWL wird in der Dosiereinheit 10 bestimmt und über eine Signal-Leitung 34 einer Dosierüberwachung 33 übermittelt, die ihrerseits über eine KommunikationsVerbindung 32 mit der Dosier-Berechnungseinheit 31 verbunden ist, so dass die Menge der einzudosierenden HWL mit der Istmenge dosierter HWL erfindungsgemäß verglichen werden kann. Vorteilhafterweise werden die Soll- und Istwerte über zwei oder mehrere Dosierzyklen integriert und die Integrale verglichen, da somit eine Aufsummierung von Fehlern vermieden wird. Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Werten können in folgenden Dosierzyklen berücksichtigt und korrigiert werden. Die Anordnung kann auch so gewählt sein, dass die Dosier-Berechnungseinheit 31 und/oder die Dosierüberwachung 33 außerhalb der Motorsteuerung angeordnet sind und beispielsweise in die Dosiereinheit 10 integriert sind.
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Gemeinsam ist den Anordnungen, dass Kommunikationsverbindungen 32 vorhanden sind, über die die Soll- und Ist-Daten transportiert werden. Diese und die zweite Steuerleitung 37 sowie die Signal-Leitung 34 sind nach dem Stand der Technik oft als CAN-Bus (Controller Area Network) ausgebildet, der einen ereignisgesteuerten Datenaustausch vorsieht und somit nicht zeitsynchron arbeitet. Hierdurch kann es zu einer, sich unter Umständen sogar über die Betriebsdauer aufsummierenden, Fehldosierung von Reduktionsmittel kommen.
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2a zeigt einen Zeitverlauf einer Dosierung von Reduktionsmittel, bei der eine Reduktionsmittel-Istmenge 41 mit einer Sollmenge 47 bei einem Dosierzyklusende 57 übereinstimmt und somit keine Korrektur vorgenommen werden muss. Über einer gemeinsamen Zeitachse 50 sind eine Reduktionsmittelmengen-Achse 40, eine Reduktionsmittelmengen-Sollstrom-Achse 43 und eine Dosiersignal-Achse 45 abgetragen. Auf der Dosiersignal-Achse 45 ist ein Dosiersignal 46 abgetragen, das anzeigt, wie lange die Dosiereinheit 10 geöffnet ist. Die Öffnungsdauer beginnt mit einen Dosierzyklusbeginn 51 und endet mit einem ersten Dosierende 52. Für die verbleibende Zyklusdauer bis zu einem Dosierzyklusende 57 ist die Dosiereinheit 10 geschlossen. Auf der Reduktionsmittelmengen-Sollstrom-Achse 43 ist ein Reduktionsmittelmengen-Sollstrom 44 abgetragen, der von der Dosier-Berechnungseinheit 31 aus 1 bestimmt wird. Auf der Reduktionsmittelmengen-Achse 40 sind die Reduktionsmittel-Istmenge 41 und eine Reduktionsmittel-Sollmenge 42 abgetragen, wobei die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 stetig und mit konstanter Steigung bis zu der Sollmenge 47 bei dem Dosierzyklusende 57 ansteigt, da der Reduktionsmittelmengen-Sollstrom 44 in diesem Beispiel konstant ist. Die Reduktionsmittel-Istmenge 41 steigt bis zum ersten Dosierende 52 an und bleibt dann konstant. Am Dosierzyklusende 57 stimmen in dem Beispiel die Sollmenge 47 und die Reduktionsmittel-Istmenge 41 gerade überein, so dass in einem nächsten Dosierzyklus keine Korrektur vorgenommen werden muss.
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2b zeigt den Zeitverlauf der Dosierung, bei dem aufgrund der Berechnung in der Dosier-Berechnungseinheit 31 aus 1 eine Erhöhung des Reduktionsmittelmengen-Sollstroms 44 zu einem Neuberechnungszeitpunkt 56 vorgesehen ist. Hierdurch wird der Anstieg der Reduktionsmittel-Sollmenge 42 ab dem Neuberechnungszeitpunkt 56 erhöht. Die bis zu einem vorgesehenen Dosierende 53 dosierte Reduktionsmittel-Istmenge 41 würde nicht ausreichen. Das Dosiersignal 46 wird daher bis zu einem verzögerten Dosierende 54 verlängert. Hierdurch wird erreicht, dass bei dem Dosierzyklusende 57 die Sollmenge 47 mit der Reduktionsmittel-Istmenge 41 übereinstimmt. In diesem Dosierzyklus wird demgemäß das Verhältnis der Öffnungsdauer der Dosiereinrichtung 10 zu der Gesamtdauer des Dosierzyklus, das so genannte Tastverhältnis, erhöht, um dem erhöhten Bedarf an Reduktionsmittel nachzukommen.
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2c zeigt den Zeitverlauf einer Dosierung, bei dem aufgrund der Berechnung in der Dosier-Berechnungseinheit 31 aus 1 eine Verringerung des Reduktionsmittelmengen-Sollstroms 44 zu einem Neuberechnungszeitpunkt 56 vorgesehen ist. Hierdurch würde es ohne eingreifende Maßnahme zu einer Überdosierung von Reduktionsmittel kommen, der dadurch entgegengewirkt wird, dass das vorgesehene Dosierende 53 auf das erste Dosierende 52 vorverlegt wird. Auch in diesem Betriebsfall kann erreicht werden, dass bei dem Dosierzyklusende 57 die Sollmenge 47 mit der Reduktionsmittel-Istmenge 41 übereinstimmt.
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2d zeigt den Zeitverlauf einer Dosierung, bei der aufgrund eines erhöhten Reduktionsmittelbedarfs der Dosierzyklus verkürzt wird. Zum Neuberechnungszeitpunkt 56 wird der Reduktionsmittelmengen-Sollstrom 44 erhöht. Die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 steigt nun so stark an, dass bis zum Dosierzyklusende 57 die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 höher als die Reduktionsmittel-Istmenge 41 wäre. Der laufende Dosierzyklus wird daher verkürzt und der Folgezyklus bereits zu einem vorgezogenen Dosierzyklusbeginn 58 begonnen, bei dem die Reduktionsmittel-Istmenge 41 die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 um eine dosierbare Reduktionsmittelmenge 48 überschreitet. Ein zweites Dosierzyklusende 55 wird so eingerichtet, dass die Berechnung ergibt, dass die Summe der Reduktionsmittel-Istmengen 41 aus dem vorherigen und dem laufenden Dosierzyklus der Summe der Reduktionsmittel-Sollmengen 42 aus beiden Dosierzyklen entspricht. Dieses Verfahren kann auch auf eine Vielzahl von Dosierzyklen ausgeweitet werden und verbessert die Genauigkeit der Dosierung dadurch, dass die Werte für die Reduktionsmittel-Istmenge 41 und die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 zu einer Vergleichseinheit nicht synchron, sondern ereignisgesteuert übertragen werden. Bei der Übertragung der Summen über mehrere Dosierzyklen wird so eine Summation von Fehlern vermieden.
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2e zeigt einen Dosierverlauf, bei dem ein Dosierzyklus verlängert wird, da der Reduktionsmittelmengen-Sollstrom 44 zu einem Neuberechnungszeitpunkt 56 verringert wird und die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 daher langsamer ansteigt als zu Beginn des Dosierzyklus erwartet. In diesem Fall überschreitet beim Dosierzyklusende 57 die Reduktionsmittel-Istmenge 41 die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 um eine dosierbare Reduktionsmittelmenge 48 und ein verzögerter Dosierzyklusbeginn 59 bewirkt, dass an einem Folgedosierzyklusende 60 die Sollmenge 47 mit der Reduktionsmittel-Istmenge 41 übereinstimmt. Auch hier bewirkt eine Summation über mehrere Dosierzyklen eine genauere Gesamt-Dosierung.
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3 zeigt schematisch den Aufbau einer Einrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einer Extrapolationsstufe 70 werden die Reduktionsmittel-Sollmenge 42 und der Reduktionsmittelmengen-Sollstrom 44 zu einer extrapolierten Reduktionsmittelmenge 71 verrechnet. In einer Vergleichsstufe 72 wird die extrapolierte Reduktionsmittelmenge 71 mit der Reduktionsmittel-Istmenge 41 verglichen und aus dem Ergebnis unter Berücksichtigung der extrapolierten Reduktionsmittelmenge 71 in einer Tastverhältnisstufe 74 ein Tastverhältnis für den nächsten Dosierzyklus berechnet. Weiterhin werden aus dem Ergebnis der Vergleichsstufe 72 in einer Periodensteuerung 73 der Beginn und das Ende der Folgeperiode festgelegt. Die Signale der Periodensteuerung 73 und der Tastverhältnisstufe 74 werden einer Ansteuerung Dosierventil 75 zugeführt, die die nicht dargestellte Dosiereinrichtung 10 ansteuert.