DE102010000931A1

DE102010000931A1 - Verfahren zur Überwachung eines hydraulischen Drucksystems

Info

Publication number: DE102010000931A1
Application number: DE201010000931
Authority: DE
Inventors: Stefan Lorengel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Teilabschnitts eines hydraulischen Drucksystems, wobei in dem Teilabschnitt durch eine vorgeschaltete Pumpe ein Druck einer Flüssigkeit aufgebaut wird und wobei die Flüssigkeit über ein sich mit einer Ventilansteuerfrequenz und einem Tastverhältnis öffnendes Ventil aus dem Teilabschnitt austritt. Dadurch, dass er Drucksensor vor dem zu überwachenden Teilabschnitt und damit außerhalb des zu überwachenden Systems liegt, kann über die Analyse des Frequenzspektrums des Drucksignals auf ein Leck oder eine Blockade in dem Drucksystem geschlossen werden. Dies gilt, wenn das Ventil angesteuert wird und weder über den Prüfzeitraum weder völlig geöffnet noch völlig geschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Teilabschnitts eines hydraulischen Drucksystems, wobei in dem Teilabschnitt durch eine vorgeschaltete Pumpe ein Druck einer Flüssigkeit aufgebaut wird und wobei die Flüssigkeit über ein sich mit einer Ventilansteuerfrequenz und einem Tastverhältnis öffnendes Ventil aus dem Teilabschnitt austritt.
Stand der Technik
Zur Reinigung des Abgases von Brennkraftmaschinen von Stickoxiden wird teilweise die „Selektive katalytische Reduktion” (SCR) eingesetzt. Hierbei wird dem Abgas Harnstofflösung als Reduktionsmittel zudosiert, die im Abgas zu Ammoniak und Kohlendioxid umgesetzt wird. Der Ammoniak wird an einem Katalysator mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasserdampf umgesetzt. Die Harnstofflösung wird einem Vorratsbehälter entnommen, mit einer Pumpe in einem Fördermodul auf den Arbeitsdruck gebracht und über eine Druckleitung einem Dosiermodul mit einem Ventil zugeführt. Das Ventil wird mit einer produktspezifischen Ansteuerfrequenz und einem geeigneten Tastverhältnis so angesteuert, dass die zur Reduktion der vorliegenden Stickoxidmenge im Abgas benötigte Menge an Harnstofflösung zudosiert wird. Die Ansteuerfrequenz kann dabei beispielhaft im Bereich 1 Hertz und das Tastverhältnis im Bereich zwischen 0,5% und 99,5% liegen.
Die Dosierung funktioniert jedoch nur dann korrekt, wenn keine Blockage und kein Leck des Systems vorliegen; beispielhaft kann bei einem blockierten Ventil keine Harnstofflösung eindosiert werden und bei einem Leck in den Zuleitungen oder dem Ventil kann der für eine korrekte Funktion erforderliche Druck nicht aufgebaut werden. Es sind daher Verfahren bekannt, welche zumindest Teilabschnitte des Drucksystems auf Lecks und Blockagen, beispielhaft des Ventils, untersuchen.
Nachteilig bei den derzeit genutzten Verfahren ist, dass diese nur ab einem produktspezifischen Mindest-Tastverhältnis und bis zu einem maximalen Tastverhältnis des Ventils funktionieren. Dabei kann das Mindest-Tastverhältnis im Bereich von 10% und das maximale Tastverhältnis im Bereich von 90% liegen. Es kann im Betrieb eines SCR-Systems jedoch vorgesehen sein, dass Tastverhältnisse von kleiner 10% und größer 90% auftreten können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem Lecks und Blockagen von Teilabschnitten eines Drucksystems auch bei kleinen Tastverhältnissen von beispielhaft kleiner 10% und bei großen Tastverhältnissen von beispielhaft größer 90% erkannt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass mit einem nach der Pumpe und vor dem Teilabschnitt angeordneten Drucksensor ein Druckverlauf zumindest während einer Ventilansteuerperiode erfasst wird, dass über eine Fourier-Transformation Frequenzanteile im Frequenzspektrum des Druckverlaufs so bestimmt werden, dass bei Übereinstimmung des so bestimmten Frequenzspektrums mit dem Frequenzspektrum eines intakten Teilabschnitts auf einen intakten Teilabschnitt geschlossen wird und dass bei Abweichungen des so bestimmten Frequenzspektrums von dem Frequenzspektrum eines intakten Teilabschnitts auf einen Defekt in dem Teilabschnitt geschlossen wird. Dadurch, dass der Drucksensor vor dem zu überwachenden Teilabschnitt und damit außerhalb des zu überwachenden Systems liegt, kann über die Analyse des Frequenzspektrums des Drucksignals auf ein Leck oder eine Blockade in dem Drucksystem geschlossen werden. Dies gilt, wenn das Ventil angesteuert wird und weder über den Prüfzeitraum völlig geöffnet noch völlig geschlossen ist. Wird das Tastverhältnis von 0% (geschlossenes Ventil) aus erhöht, kann mit dem Verfahren ein defektes Drucksystem von einem intakten Drucksystem unterschieden werden. Beispielhaft kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Erhöhung des Tastverhältnisses von 0% auf 0,5% bereits ausreichen, um das Verfahren erfolgreich anzuwenden. Gleiches gilt auch, wenn das Tastverhältnis von 100% (Ventil offen) verringert wird. Die Fourier-Transformation des Drucksignals kann dabei auch nach der Methode der schnellen Fourier-Transformation (FFT Fast Fourier Transformation) erfolgen, wenn die Anzahl der Messpunkte für das Drucksignal in dem betrachteten Zeitraum einer Zweierpotenz entspricht. Werden nur einzelne Perioden der Ventilansteuerung betrachtet, kann das Verfahren sowohl für ein periodisch mit fester Frequenz angesteuertes Ventil als auch für ein mit variabler Frequenz angesteuertes Ventil verwendet werden.
Eine besonders einfach zu verwirklichende Umsetzung der Erfindung sieht vor, dass auf einen intakten Teilabschnitt geschlossen wird, wenn in dem bestimmten Frequenzspektrum im Bereich der Ventilansteuerfrequenz ein Frequenzanteil mit einer um einen vorgegebenen Wert oder Faktor höheren Amplitude im Vergleich zu den benachbarten Frequenzanteilen vorliegt und dass auf einen Defekt in dem Teilabschnitt geschlossen wird, wenn im Bereich der Ventilansteuerfrequenz kein Frequenzanteil mit einer um den vorgegebenen Wert oder Faktor höheren Amplitude im Vergleich zu den benachbarten Frequenzanteilen vorliegt. Die Druckstöße des sich öffnenden Ventils am einen Ende des betrachteten Teilabschnitts führen zu Druckschwankungen bis hin zum Drucksensor am entgegengesetzten Ende des Teilabschnitts des Drucksystems. Bei einer Blockade des Drucksystems können die Druckschwankungen bei der Ventilansteuerfrequenz den Drucksensor nicht erreichen. Liegt ein Leck im Drucksystem vor, werden die Druckschwankungen bei der Ventilansteuerfrequenz vermindert und der in der Fourieranalyse ermittelte Frequenzanteil ist, im Vergleich zu den Beiträgen bei anderen Frequenzen, geringer als bei einem intakten Drucksystem. Neben einer Blockade einer Druckleitung oder eines Druckleitungs-Konnektors kann auch eine Blockade des Ventils selber eine Ursache ausbleibender Druckschwankungen sein.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass in einem vorgegebenen ersten Frequenzbereich um die Ventilansteuerfrequenz eine vorgegebene Anzahl von Frequenzen mit den höchsten Frequenzanteilen bestimmt werden, dass auf einen intakten Teilabschnitt geschlossen wird, wenn eine der Frequenzen in einem vorgegebenen zweiten Frequenzbereich um die Ventilansteuerfrequenz liegt und dass auf einen Defekt in dem Teilabschnitt geschlossen wird, wenn keine der Frequenzen in dem vorgegebenen zweiten Frequenzbereich um die Ventilansteuerfrequenz liegt. Werden beispielhaft die Frequenzen für die fünf höchsten Frequenzanteile bestimmt und liegt keine der Frequenzen nahe an der Ventilansteuerfrequenz, so kann von einem Defekt ausgegangen werden. Die Bewertung kann hierbei für eine einzelne Periode der Ventilansteuerung erfolgen oder bei konstanter Ansteuerfrequenz und konstantem Tastverhältnis auch über mehrere Perioden.
Eine erweiterte Form der Überwachung sieht vor, dass das Tastverhältnis des sich öffnenden Ventils von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert geändert wird oder dass ein Zeitraum betrachtet wird, in dem sich das Tastverhältnis ändert, dass lokale Maxima der Frequenzanteile im Frequenzspektrum bestimmt werden und dass auf einen Defekt in dem Teilabschnitt geschlossen wird, wenn die Höhe der lokalen Maxima quasi-monoton mit steigender Frequenz abfällt. Bei einem intakten Drucksystem treten im Frequenzspektrum nach der Fourier-Transformation des Drucksignals Maxima in den Frequenzanteilen bei höheren Frequenzen auf, die höher sind als einzelne Maxima bei niedrigeren Frequenzen.
Die Unterscheidung eines intakten von einem defekten Teilabschnitt eines Drucksystems gelingt zuverlässiger, indem eine Anzahl an Perioden der Ventilansteuerfrequenz, in denen ein Defekt des Teilabschnitts erkannt wird, bestimmt wird und indem auf einen Defekt in dem Teilabschnitt geschlossen wird, wenn die so bestimmte Anzahl der Perioden einen vorgegebenen Wert erreicht. Wird nacheinander in beispielhaft fünf Perioden der Ventilansteuerung ein Defekt erkannt, kann mit hoher Sicherheit von einem defekten System ausgegangen werden. Wird das Drucksystem zwischenzeitlich als intakt erkannt, wird die Zählung für die Erkennung erneut gestartet.
Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders zur Überwachung eines Teilabschnitts zwischen einem Fördermodul und einem in einem Dosiermodul enthaltenen Ventil in einem hydraulischen Drucksystem zur Zuführung eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Es werden keine zusätzlichen Bauteile verwendet und lediglich das Drucksignal eines in dem Fördermodul vorhandenen Drucksensors ausgewertet.
Das Verfahren eignet sich generell vorteilhaft zur Überwachung eines Teilabschnitts eines hydraulischen Drucksystems mit zumindest einer Druckleitung und zumindest einem mit einem vorgebbaren Tastverhältnis ansteuerbaren Ventil sowie zumindest einem Drucksensor. In einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das System mit einem Drucksensor vorgesehen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein hydraulisches Drucksystem zur Dosierung von Reduktionsmittel in schematischer Darstellung,
2 ein erstes Frequenzspektrum eines Druckverlaufs in einem intakten hydraulischen Drucksystem,
3 ein zweites Frequenzspektrum des Druckverlaufs in einem defekten hydraulischen Drucksystem,
4 ein drittes Frequenzspektrum des Druckverlaufs in einem intakten hydraulischen Drucksystem bei Änderung des Tastverhältnisses.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine vorgesehenes hydraulisches Drucksystem 10, mit einem Tank 11 und einem über eine Förderleitung 13 und eine Rücklaufleitung 12 mittels einem ersten Niederdruck-Konnektor 14 und einem zweiten Niederdruck-Konnektor 15 verbundenen Fördermodul 16. Das Fördermodul 16 ist über einen ersten Druckleitungs-Konnektor 21, eine Druckleitung 22 und einen zweiten Druckleitungs-Konnektor 23 mit einem Dosiermodul 24 verbunden, das ein Ventil 25 und einen Auslass 26 enthält. Diese auf der Hochdruckseite mit dem Fördermodul 16 verbundenen Komponenten werden in einem Teilabschnitt 20 des hydraulischen Drucksystems 10 zusammengefasst, der erfindungsgemäß auf Lecks und Blockagen überwacht werden soll. Zur Bestimmung des Systemdrucks ist in dem Fördermodul 16 ein Drucksensor 17 vorgesehen, der vor dem zu dem überwachenden Teilabschnitt 20 angeordnet ist.
Im Betrieb fördert eine Pumpe in dem Fördermodul 16 über die Saugleitung 13 das Reduktionsmittel und führt es über die Druckleitung 22 dem Ventil 25 zu, nach welchem es über den Auslass 26 in den Abgaskanal eindosiert wird. Je nach Mengenbedarf an Reduktionsmittel im Abgas wird das Ventil mit einem geeigneten Tastverhältnis geöffnet. Dabei kann beispielhaft in einem System das Tastverhältnis zwischen 0,5% und 99,5% gewählt sein. Die Öffnungsfrequenz des Ventils 25 ist an die Systemkomponenten angepasst und kann beispielhaft im Bereich von 1 Hertz liegen. Nicht benötigtes Reduktionsmittel kann über die Rücklaufleitung 12 in den Tank 11 zurückgeführt werden. Zur Überwachung der korrekten Funktion des Teilabschnitts 20 wird eine Fourier-Transformation eines Ausgangssignals des Drucksensors 17 durchgeführt und so dessen Frequenzspektrum bestimmt.
2 zeigt ein erstes Frequenzspektrum 30 des Ausgangssignals des Drucksensors 17 bei einem intakten Teilabschnitt 20 des Drucksystems 10. Über einer Frequenzachse 33 sind in der Fourier-Transformation bestimmte Frequenzanteile, wie die Beträge oder die Werte der Fourier-Transformierten, entlang einer Frequenzanteilachse 31 aufgetragen. Da hier ein intakter Teilabschnitt 20 vorliegt, ist der Wert des Frequenzanteils bei der Ventilansteuerfrequenz 32 wesentlich höher als der Wert umliegender Frequenzanteile. Dies ist Folge der durch die mit der Ventilöffnung synchronen Druckschwankungen am Drucksensor 17. Voraussetzung für die Durchführung des Verfahrens ist, dass das Ventil 17 nicht dauerhaft geschlossen (Tastverhältnis 0%) oder dauerhaft geöffnet (Tastverhältnis 100%) ist.
3 zeigt ein zweites Frequenzspektrum 40 des Ausgangssignals des Drucksensors 17 bei einem defekten Teilabschnitt 20 des Drucksystems 10. Es werden die gleichen Bezeichner wie in 2 verwendet. Zusätzlich ist ein Beispiel-Frequenzanteil 41 neben der Ventilansteuerfrequenz 32 eingetragen, der einen höheren Wert als der Frequenzanteil bei der Ventilansteuerfrequenz 32 aufweist. Hieraus kann geschlossen werden, dass der Teilabschnitt 20 einen Defekt aufweist.
4 zeigt ein drittes Frequenzspektrum 42 des Ausgangssignals des Drucksensors 17 bei einem intakten Teilabschnitt 20 des Drucksystems 10, wie es bei der Fourier-Transformation auftritt, wenn das Tastverhältnis des Ventils 25 von 0% auf 0,5% erhöht wird. Markiert sind ein erstes, ein zweites und ein drittes Maximum 43, 44, 45 in der Darstellung der Frequenzanteile über der Frequenzachse 34. Charakteristisch für einen intakten Teilabschnitt 20 des Drucksystems 10 ist, das bei einer höheren Frequenz ein höheres, beispielhaft drittes Maximum 45, als das zweite Maximum 44 auftritt. Charakteristisch für einen defekten Teilabschnitt 20 ist demgegenüber, dass die Höhe der lokalen Maxima 43, 44, 45 und gegebenenfalls weiterer auftretender Maxima mit steigender Frequenz quasi-monoton abnimmt.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Teilabschnitts (20) eines hydraulischen Drucksystems (10), wobei in dem Teilabschnitt (20) durch eine vorgeschaltete Pumpe ein Druck einer Flüssigkeit aufgebaut wird und wobei die Flüssigkeit über ein sich mit einer Ventilansteuerfrequenz und einem Tastverhältnis öffnendes Ventil (25) aus dem Teilabschnitt (20) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem nach der Pumpe und vor dem Teilabschnitt (20) angeordneten Drucksensor (17) ein Druckverlauf zumindest während einer Periode der Ventilansteuerfrequenz erfasst wird, dass über eine Fourier-Transformation Frequenzanteile im Frequenzspektrum des Druckverlaufs bestimmt werden, dass bei Übereinstimmung des so bestimmten Frequenzspektrums mit dem Frequenzspektrum eines intakten Teilabschnitts (20) auf einen intakten Teilabschnitt (20) geschlossen wird und dass bei Abweichungen des so bestimmten Frequenzspektrums von dem Frequenzspektrum eines intakten Teilabschnitts (20) auf einen Defekt in dem Teilabschnitt (20) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen intakten Teilabschnitt (20) geschlossen wird, wenn in dem bestimmten Frequenzspektrum im Bereich der Ventilansteuerfrequenz ein Frequenzanteil mit einer um einen vorgegebenen Wert oder Faktor höheren Amplitude im Vergleich zu den benachbarten Frequenzanteilen vorliegt und dass auf einen Defekt in dem Teilabschnitt (20) geschlossen wird, wenn im Bereich der Ventilansteuerfrequenz kein Frequenzanteil mit einer um den vorgegebenen Wert oder Faktor höheren Amplitude im Vergleich zu den benachbarten Frequenzanteilen vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgegebenen ersten Frequenzbereich um die Ventilansteuerfrequenz eine vorgegebene Anzahl von Frequenzen mit den höchsten Frequenzanteilen bestimmt werden, dass auf einen intakten Teilabschnitt (20) geschlossen wird, wenn eine der Frequenzen in einem vorgegebenen zweiten Frequenzbereich um die Ventilansteuerfrequenz liegt und dass auf einen Defekt in dem Teilabschnitt (20) geschlossen wird, wenn keine der Frequenzen in dem vorgegebenen zweiten Frequenzbereich um die Ventilansteuerfrequenz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des sich öffnenden Ventils (25) von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert geändert wird oder dass ein Zeitraum betrachtet wird, in dem sich das Tastverhältnis ändert, dass lokale Maxima der Frequenzanteile im Frequenzspektrum bestimmt werden und dass auf einen Defekt in dem Teilabschnitt (20) geschlossen wird, wenn die Höhe der lokalen Maxima quasi-monoton mit steigender Frequenz abfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl an Perioden der Ventilansteuerfrequenz, in denen ein Defekt des Teilabschnitts (20) erkannt wird, bestimmt wird und dass auf einen Defekt in dem Teilabschnitt (20) geschlossen wird, wenn die so bestimmte Anzahl der Perioden einen vorgegebenen Wert erreicht.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Überwachung eines Teilabschnitts (20) zwischen einem Fördermodul (16) und einem in einem Dosiermodul (24) enthaltenen Ventil (25) in einem hydraulischen Drucksystem (10) zur Zuführung eines Reduktionsmittels in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Überwachung eines Teilabschnitts eines hydraulischen Drucksystems mit zumindest einer Druckleitung und zumindest einem mit einem vorgebbaren Tastverhältnis ansteuerbaren Ventil sowie zumindest einem Drucksensor.