DE102011088701B4 - Method for monitoring the armature movement of a reciprocating magnet pump - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Überwachung der Ankerbewegung einer Hubkolbenmagnetpumpe, insbesondere einer Hubkolbenmembranpumpe (22) im Fördermodul (2) eines SCR-Katalysatorsystems, wobei der Pumpenstromverlauf über die Zeit gemessen wird und ein Ende der Ankerbewegung in Hubrichtung erkannt wird, wenn der Pumpenstromverlauf ein lokales Minimum (C) erreicht, wobei es sich bei der Hubkolbenmagnetpumpe um eine Hubkolbenmembranpumpe (22) im Fördermodul (2) eines SCR-Katalysatorsystems handelt und der Zeitpunkt des Endes der Ankerbewegung in Hubrichtung verwendet wird, um den Druck im SCR-Katalysatorsystem zu modellieren.Method for monitoring the armature movement of a reciprocating magnet pump, in particular a reciprocating diaphragm pump (22) in the delivery module (2) of an SCR catalytic converter system, wherein the pump current profile is measured over time and an end of the armature movement in the stroke direction is detected when the pump current profile reaches a local minimum (C ), whereby the reciprocating magnet pump is a reciprocating diaphragm pump (22) in the delivery module (2) of an SCR catalytic converter system and the time at which the armature movement ends in the stroke direction is used to model the pressure in the SCR catalytic converter system.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Ankerbewegung einer Hubkolbenmagnetpumpe, insbesondere einer Hubkolbenmagnetpumpe im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.The present invention relates to a method for monitoring the armature movement of a reciprocating magnet pump, in particular a reciprocating magnet pump in the delivery module of an SCR catalytic converter system. The invention further relates to a computer program that carries out all steps of the method according to the invention when it runs on a computing device. The invention also relates to a computer program product with program code that is stored on a machine-readable carrier for carrying out the method when the program is executed on a computer or control device.
Stand der TechnikState of the art
Beim SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction) wird im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine das Reduktionsmittel AdBlue® beigemischt, das zu einem Drittel aus Harnstoff und zu zwei Dritteln aus Wasser besteht. Eine Düse sprüht die Flüssigkeit unmittelbar vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrom. Dort entsteht aus dem Harnstoff das für die weitere Reaktion notwendige Ammoniak. Im zweiten Schritt verbinden sich im SCR-Katalysator die Stickoxide aus dem Abgas und das Ammoniak zu Wasser und ungiftigem Stickstoff.In the SCR process (Selective Catalytic Reduction), the reducing agent AdBlue ® , which consists of one third urea and two thirds water, is added to the exhaust gas of an internal combustion engine. A nozzle sprays the liquid into the exhaust gas stream immediately before the SCR catalytic converter. There the ammonia necessary for the further reaction is formed from the urea. In the second step, the nitrogen oxides from the exhaust gas and the ammonia combine in the SCR catalytic converter to form water and non-toxic nitrogen.
Die
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Es ist im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) erforderlich, den Druck in der Hydraulik eines SCR-Katalysatorsystems zu bestimmen, was die Verwendung eines Drucksensors notwendig macht.As part of on-board diagnostics (OBD), it is necessary to determine the pressure in the hydraulics of an SCR catalytic converter system, which requires the use of a pressure sensor.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The task is solved by the features of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der Ankerbewegung in der Hubkolbenmagnetpumpe, insbesondere einer Hubkolbenmagnetpumpe im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems umfasst die Messung des Pumpenstromverlaufs über die Zeit. Ein Ende der Ankerbewegung in Hubrichtung wird erkannt, wenn der Pumpenstromverlauf ein lokales Minimum erreicht. Das Vorliegen des lokalen Minimums kann erfindungsgemäß insbesondere erkannt werden, indem die erste Ableitung des Pumpenstromverlaufs gebildet wird, wobei das lokale Minimum vorliegt, wenn diese erste Ableitung gleich 0 ist. Die erfindungsgemäße Bestimmung der Ankerbewegung ermöglicht eine Modulierung des Systemdrucks. Dies wird erreicht, indem berücksichtigt wird, dass ein Gegendruck, beispielsweise bei Verwendung einer Hubkolbenmembranpumpe der Gegendruck auf die Pumpenmembran, die wiederum in direkter Verbindung mit dem Magnetanker der Hubkolbenmembranpumpe steht, dafür sorgt, dass der Anker des Hubmagneten der Hubkolbenmembranpumpe sich langsam zwischen seinen zwei Bewegungspunkten bewegt. Ist der Gegendruck im System höher, wird eine größere Magnetkraft benötigt, um den Anker initial zu bewegen. Weiterhin benötigt der Anker einen längeren Zeitraum für einen Pumpenhub, da seine Bewegung stark durch den Gegendruck gedämpft wird. Auch muss in diesem Fall das Magnetfeld größer sein als bei einem System mit kleinerem Druck.The method according to the invention for monitoring the armature movement in the reciprocating magnet pump, in particular a reciprocating magnet pump in the delivery module of an SCR catalytic converter system, includes measuring the pump current curve over time. An end to the armature movement in the lifting direction is recognized when the pump current curve reaches a local minimum. According to the invention, the presence of the local minimum can be recognized in particular by forming the first derivative of the pump current curve, the local minimum being present when this first derivative is equal to 0. The determination of the armature movement according to the invention enables the system pressure to be modulated. This is achieved by taking into account that a back pressure, for example when using a reciprocating diaphragm pump, the back pressure on the pump membrane, which in turn is in direct connection with the magnet armature of the reciprocating diaphragm pump, ensures that the armature of the lifting magnet of the reciprocating diaphragm pump slowly moves between its two movement points. If the back pressure in the system is higher, a larger magnetic force is required to initially move the armature. Furthermore, the armature requires a longer period of time for a pump stroke because its movement is strongly damped by the counter pressure. In this case, the magnetic field must also be larger than in a system with lower pressure.
Bei diesem Verfahren ist zu beachten, dass eine Hubkolbenpumpe von etlichen Randfaktoren beeinflusst wird. Markante Größen sind hierbei die Bordnetzspannung, die im Steuergerät gemessen wird und die Spulentemperatur des Hubmagneten. Die Spulentemperatur wird durch Nutzung einer Pulweitenmodulationsansteuerung (PWM) und durch Messung des Spulenstroms, der sich dabei einstellt über Rechenmodelle in eine Temperatur umgewandelt. Die Temperatur sowie die angelegte Spannung an der Magnetspule verursachen eine Änderung im Spulenstrom. Bei einer höheren Spannung wird die Magnetspule schneller aufgeladen und das Energieniveau zum Bewegen des Magentankers wird schneller erreicht. Bei einer höheren Temperatur steigt der Spuleninnenwiderstand des verwendeten Spulenwicklungsmaterials und das Energieniveau zum Bewegen des Ankers wird später erreicht. Über Rechenmodelle wird der Zeitpunkt des Ankeranschlags (Pumpbewegung) mit Einbeziehung des Spuleninnenwiderstandes (die Spulentemperatur) von der Bordnetzspannung in einen Druck umgewandelt, welcher der Bewegung des Magnetankers und damit der Pumpenmembran entgegenwirkt. Über diese Berechung wird das System vom Steuergerät auf einen konstanten Druck geregelt. Dieser Druck wird benötigt, um eine gute Spraybildung im Dosiermodul zu ermöglichen und auch um die On-Board-Diagnoserichtlinien einzuhalten (Dosiermengenableitung, Verbrauchsmodell etc.).When using this method, it should be noted that a reciprocating piston pump is influenced by a number of peripheral factors. Striking variables here are the on-board electrical system voltage, which is measured in the control unit, and the coil temperature of the solenoid. The coil temperature is converted into a temperature by using a pulse width modulation control (PWM) and by measuring the coil current that arises using computer models. The temperature as well as the voltage applied to the solenoid causes a change in the coil current. At a higher voltage, the solenoid is charged faster and the energy level for moving the gas tanker is reached more quickly. At a higher temperature, the internal coil resistance of the coil winding material used increases and the energy level for moving the armature is reached later. Using calculation models, the time at which the armature stops (pumping movement), taking into account the internal coil resistance (the coil temperature), is converted from the on-board electrical system voltage into a pressure, which counteracts the movement of the magnet armature and thus the pump membrane. Using this calculation, the system is regulated to a constant pressure by the control unit. This pressure is required to enable good spray formation in the dosing module and also to comply with the on-board diagnostic guidelines (dosage quantity derivation, consumption model, etc.).
Um zu verhindern, dass Artefakte im Pumpenstromverlauf fälschlicherweise als Hinweis auf ein Ende der Ankerbewegung der Hubkolbenmagnetpumpe interpretiert werden, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, den Endpunkt der Ankerbewegung zu plausibilisieren. Dies kann erfolgen, indem die erste Ableitung des Stromverlaufs zwischen dem lokalen Minimum und einem diesem vorangehenden lokalen Maximum ermittelt wird und die Erkennung des Endes der Ankerbewegung in Hubrichtung als zuverlässig erkannt wird, wenn die Stromstärke des Pumpenstroms in einem festgelegten Bereich vor und nach dem Zeitpunkt des maximalen Wertes der ersten Ableitung des Stromverlaufs einen festgelegten Schwellenwert überschreitet. Weiterhin kann eine Plausibilisierung erfolgen, indem Analog-Digital-Wandlerwerte am lokalen Minimum und einem diesem vorangehenden lokalen Maximum des Pumpenstromverlaufs ermittelt werden und die Erkennung des Endes der Ankerbewegung in Hubrichtung als zuverlässig erkannt wird, während der Betrag der Differenz dieser beiden Werte einen festgelegten Schwellenwert überschreitet.In order to prevent artifacts in the pump current curve from being incorrectly interpreted as an indication of an end to the armature movement of the reciprocating piston magnet pump, it is preferred according to the invention to make the end point of the armature movement plausible. This can be done by determining the first derivative of the current curve between the local minimum and a local maximum preceding it and detecting the end of the armature movement in the lifting direction as reliable if the pump current intensity is in a specified range before and after the point in time of the maximum value of the first derivative of the current curve exceeds a specified threshold value. Furthermore, a plausibility check can be carried out by determining analog-digital converter values at the local minimum and a local maximum of the pump current curve preceding it and recognizing the end of the armature movement in the stroke direction as reliable, while the magnitude of the difference between these two values reaches a fixed threshold value exceeds.
Um nicht nur das Ende der Ankerbewegung, sondern auch den Beginn der Ankerbewegung ermitteln zu können, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die erste Ableitung des Stromverlaufs vor einem dem lokalen Minimum vorangehenden lokalen Maximum ermittelt wird, der Verlauf der ersten Ableitung extrapoliert wird und ein Beginn der Ankerbewegung in Hubrichtung erkannt wird, sobald die erste Ableitung gemäß dem Pumpenstromverlauf vom extrapolierten Wert der ersten Ableitung mindestens um einen festgelegten Wert abweicht. Dabei wird die erste Ableitung insbesondere als e-Funktion extrapoliert. Das Wissen um den Zeitpunkt des Starts der Ankerbewegung ermöglicht eine noch bessere Darstellung des Druckmodells. Damit kann die Verbindung zwischen Magnetfeld und Gegendruck genauer herausgearbeitet werden. Bei der alleinigen Betrachtung des Endpunktes der Ankerbewegung spielen Faktoren wie Reibung, Federkraft, Viskosität des zu komprimierenden Mediums, Verformbarkeit der Pumpenmembran und Temperatur eine nicht unerhebliche Rolle. Diese Faktoren können bei Kenntnis des Zeitpunkts des Ankerbewegungsstarts eliminiert werden, sodass die Aussagekraft der Bewertung erhöht wird.To determine not only the end of the anchor movement, but also the beginning of the anchor movement In order to be able to do this, it is preferred according to the invention that the first derivative of the current curve is determined before a local maximum preceding the local minimum, the course of the first derivative is extrapolated and a start of the armature movement in the lifting direction is recognized as soon as the first derivative according to the pump current curve deviates from the extrapolated value of the first derivative by at least a specified value. In particular, the first derivative is extrapolated as an e-function. Knowing the time at which the anchor movement starts enables an even better representation of the pressure model. This allows the connection between the magnetic field and counterpressure to be worked out more precisely. When solely considering the end point of the armature movement, factors such as friction, spring force, viscosity of the medium to be compressed, deformability of the pump membrane and temperature play a significant role. These factors can be eliminated if the time at which the anchor movement starts is known, thereby increasing the significance of the assessment.
Das Vorliegen eines lokalen Maximums im Pumpenstromverlauf kann erfindungsgemäß dadurch erkannt werden, dass die erste Ableitung des Pumpenstromverlaufs gleich 0 ist. Die Unterscheidung zwischen einem lokalen Minimum und einem lokalen Maximum ist anhand der ersten Ableitung des Pumpenstromverlaufs möglich, da die erste Ableitung an einem lokalen Maximum in ihrem Nulldurchgang von einem positiven zu einem negativen Wert wechselt und am lokalen Minimum in ihrem Nulldurchgang von einem negativen zu einem positiven Wert wechselt.According to the invention, the presence of a local maximum in the pump current curve can be recognized by the fact that the first derivative of the pump current curve is equal to 0. The distinction between a local minimum and a local maximum is possible using the first derivative of the pump current curve, since the first derivative changes from a positive to a negative value at a local maximum in its zero crossing and from a negative to a value at the local minimum in its zero crossing positive value changes.
Wenn der Pumpenstromverlauf in einem festgelegten Zeitraum kein lokales Minimum erreicht, wird erfindungsgemäß erkannt, dass eine Blockade des Magnetankers der Hubkolbenpumpe vorliegt.If the pump current curve does not reach a local minimum within a specified period of time, it is recognized according to the invention that there is a blockage of the magnet armature of the reciprocating piston pump.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Dies ermöglicht beispielsweise die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem vorhandenen SCR-Katalysatorsystem, ohne bauliche Änderungen vornehmen zu müssen. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, dient hierbei zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder Rechengerät ausgeführt wird.The computer program according to the invention can carry out all steps of the method according to the invention if it runs on a control device or computing device. This enables, for example, the implementation of the method according to the invention in an existing SCR catalyst system without having to make any structural changes. The computer program product according to the invention with program code that is stored on a machine-readable carrier is used to carry out the method according to the invention when the program is executed on a control device or computing device.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem gemäß dem Stand der Technik. -
2 zeigt den Pumpenstromverlauf einer Hubkolbenmagnetpumpe. -
3 zeigt einen Detailausschnitt aus2 . -
4 zeigt, wie durch Extrapolieren der ersten Ableitung des der Analog-Digital-Wandlerwerte des Stromverlaufs einer Hubkolbenmagnetpumpe der Beginn der Magnetankerbewegung ermittelt werden kann. -
5 ist eine Darstellung der Analog-Digital-Wandlerwerte des Stromverlaufs einer Hubkolbenmagnetpumpe sowie deren erster Ableitung. -
6 ist eine andere Darstellung der Analog-Digital-Wandlerwerte des Stromverlaufs einer Hubkolbenmagnetpumpe sowie deren erster Ableitung. -
7 ist eine Darstellung der Analog-Digital-Wandlerwerte des Stromverlaufs einer Hubkolbenmagnetpumpe mit blockiertem und mit unblockiertem Anker sowie deren erster Ableitung. -
8 stellt die Stromstärken des Pumpenstroms am Endpunkt der Ankerbewegung einer Hubkolbenmagnetpumpe unter verschiedenen Umgebungsbedingungen dar. -
9 stellt die Steigungen zwischen lokalem Minimum und lokalem Maximum im Pumpenstromverlauf einer Hubkolbenmagnetpumpe unter verschiedenen Bedingungen dar.
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1 shows an SCR catalyst system according to the prior art. -
2 shows the pump current curve of a reciprocating piston magnet pump. -
3 shows adetailed section 2 . -
4 shows how the start of the magnet armature movement can be determined by extrapolating the first derivative of the analog-digital converter values of the current curve of a reciprocating piston magnet pump. -
5 is a representation of the analog-digital converter values of the current curve of a reciprocating piston magnetic pump and its first derivative. -
6 is another representation of the analog-digital converter values of the current curve of a reciprocating piston magnetic pump and its first derivative. -
7 is a representation of the analog-digital converter values of the current curve of a reciprocating piston magnetic pump with a blocked and unblocked armature as well as their first derivative. -
8th represents the current strengths of the pump current at the end point of the armature movement of a reciprocating piston magnetic pump under various environmental conditions. -
9 represents the gradients between local minimum and local maximum in the pump current curve of a reciprocating piston magnetic pump under different conditions.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Zur Plausibilisierung der Erkennung des Endpunktes der Ankerbewegung kann beispielsweise 300 µs vor und 300 µs nach Punkt E überprüft werden, ob die Änderung des Pumpenstroms größer als 17,5 mA ist. Dies entspricht 29,2 A/s. In einem weiteren Plausibilisierungsschritt kann überprüft werden, ob der Unterschied F des Pumpenstroms zwischen den beiden Extrempunkten B und C größer als 26,2 mA ist. Zur Plausibilisierung kann außerdem erfindungsgemäß zwischen den beiden erkannten Nulldurchgängen B und C in der ersten Ableitung des Pumpenstromverlaufs der lokale negative Extrempunkt E der ersten Ableitung ausgewertet werden. Das bedeutet, dass der größte negative Wert dieser Ableitung (In Digits des Analog-Digital-Wandlersignals) größer sein muss als eine applizierbare Variable. Dadurch wird bewertet, ob eine ausreichende negative Steigung der Ableitung vorlag und somit tatsächlich die gesuchten Extrempunkte gefunden wurden und nicht nur ein Rauschen vorlag. Der Strom selber muss also ausreichend schnell fallen. Die ermittelten Werte werden als umso zuverlässiger eingestuft, je schneller der Strom mit der Zeit abfällt. Wenn die Anforderungen des ersten Plausibilisierungsschrittes erfüllt wurden, wird geprüft, ob die digitalisierten „Rohstromwerte“ auch in einem plausiblen Bereich liegen. Dazu wird ausgewertet, ob der Stromwert eines Analog-Digital-Wandlers zwischen dem lokalen Maximum B des Stromverlaufs und dem Endpunkt C der Magnetankerbewegung und der Stromwert dieses Punktes C selber einen Mindestabstand von einer applizierten Variablen besitzen. Dadurch wird bewertet, ob der Stromverlauf zwischen dem lokalen Maximum B vor dem Endpunkt der Ankerbewegung C und am Endpunkt C der Ankerbewegung einen ausgeprägten Höhenunterschied aufweist. Die Werte werden als umso zuverlässiger eingestuft, je größer der Höhenunterschied ist.To check the plausibility of the detection of the end point of the armature movement, you can check, for example, 300 µs before and 300 µs after point E whether the change in the pump current is greater than 17.5 mA. This corresponds to 29.2 A/s. In a further plausibility check step, it can be checked whether the difference F in the pump current between the two extreme points B and C is greater than 26.2 mA. To check plausibility, according to the invention, the local negative extreme point E of the first derivative can also be evaluated between the two recognized zero crossings B and C in the first derivative of the pump current curve. This means that the largest negative value of this derivative (in digits of the analog-to-digital converter signal) must be greater than an applicable variable. This evaluates whether there was a sufficient negative slope of the derivative and whether the desired extreme points were actually found and not just noise. The current itself must fall sufficiently quickly. The values determined are classified as more reliable the faster the current falls over time. If the requirements of the first plausibility check step have been met, it is checked whether the digitized “raw electricity values” are also within a plausible range. For this purpose, it is evaluated whether the current value of an analog-digital converter between the local maximum B of the current curve and the end point C of the magnet armature movement and the current value of this point C itself have a minimum distance from an applied variable. This evaluates whether the current curve between the local maximum B before the end point of the armature movement C and at the end point C of the armature movement has a pronounced difference in height. The greater the height difference, the more reliable the values are.
In
Für die Blockadeuntersuchung wurde ein Hubmagnet 223 dermaßen manipuliert, dass es möglich war, den Magnetanker in seine Ruheposition zu drücken und auch in seine Endanschlagposition zu drücken. Die Untersuchungen wurden bei einer Temperatur von 25°C und einer Spannung von 16 V durchgeführt. Der Signalverlauf ADC1, in dem ein lokales Minimum erkennbar ist, entspricht dem Stromverlauf einer intakten Hubkolbenmembranpumpe 22. In den beiden anderen beschriebenen Fällen ADC2 und ADC3 ist der Magnetanker der Hubkolbenmembranpumpe 22 blockiert. Es ist erkennbar, dass im erfindungsgemäßen Verfahren, nur die erste Ableitung ADC'1 des Signalverlaufs am unblockierten Hubmagnet 223 korrekt ausgewertet wird und die Signalverläufe der blockierten Hubmagneten keine Nulldurchgänge der ersten Ableitung ADC'2 und ADC'3 aufweisen.For the blockage investigation, a
Die Notwendigkeit der Überwachung der Ankerbewegung einer Hubkolbenmagnetpumpe 22 ergibt sich aus den
In
Aus
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