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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes tMSP einer Ankerbewegung einer Hubkolbenmembranpumpe 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.
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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.
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1 zeigt das Dosiersystem für einen SCR-Katalysator gemäß dem Stand der Technik. Dies umfasst eine Reduktionsmitteltankeinheit 1 mit Füllstandssensor, Filter und Heizer, ein Fördermodul 2, beispielsweise das DNOx5.1-System der Firma Bosch, ein Dosiermodul 3 und ein Steuergerät 4. Die Reduktionsmittellösung wird aus der Tankeinheit 1 in das Fördermodul 2 transportiert. Hierbei passiert sie ein Ansaugventil 21 und wird in den Pumpraum 220 einer Hubkolbenmembranpumpe 22 gesaugt. Diese umfasst eine Membran 221 zum volumetrischen Fördern der Reduktionsmittelösung, einen Hubkolben 222, dessen oszillierende Bewegung auf die Membran 221 übertragen wird, einen Hubmagneten 223 mit einem Magnetanker (nicht gezeigt), welcher ein Anheben des Hubkolbens 222 bewirkt, wenn er bestromt wird, und eine Druckfeder 224, welche den Hubkolben 222 wieder in seinen Sitz zurückpresst, wenn der Hubmagnet 223 nicht mehr bestromt wird. Bei einer Pumpbewegung des Hubkolbens 222 öffnet sich das Ansaugventil 21, so dass das Reduktionsmittel in die Hubkolbenmembranpumpe 22 strömen kann. Wenn der Hubkolben in seinen Sitz zurückkehrt schließt sich das Ansaugventil 21 und die Reduktionsmittellösung wird aus der Hubkolbenmembranpumpe 22 heraus durch ein Druckventil 23 gepresst, welches gleichzeitig als Flutungsschutz für die Hubkolbenmembranpumpe 22 dient. Dann wird die Lösung durch einen Pulsationsdämpfer 24 und aus dem Fördermodul 2 hinaus in das Dosiermodul 3 gefördert, aus welchem sie in den Abgasstrang eindosiert wird. Ein Rücksaugen der Reduktionsmittellösung ist durch ein Rücksaugmodul 25 im Fördermodul 2 möglich. Das Rücksaugmodul 25 umfasst ein Ansaugventil 251, eine Rücksaugpumpe 252 und ein Druckventil 253. Reduktionsmittellösung, welche das Rücksaugmodul verlässt, kann durch einen Eisdruckdämpfer 26 in die Tankeinheit 1 zurückgesaugt werden.
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Aufgrund von Bestimmungen zur On-Board-Diagnose (OBD) muss der Druck im SCR-Katalysatorsystem überwacht werden. Wenn hierzu auf die Verwendung eines Drucksensors verzichtet werden soll, wird hierbei der Strom durch die Magnetspule des Hubmagneten 223 überwacht und der Zeitpunkt der Ankerbewegung, insbesondere des Ankeranschlags bei der Magnetaktivierung, ausgemessen und zur weiteren Verarbeitung im Steuergerät 4 aufbereitet. Bei diesem Verfahren ist es allerdings von Nachteil, dass die Hubkolbenmembranpumpe 22 von etlichen Randfaktoren beeinflusst wird. Markante Größen sind hierbei die Bordnetzspannung, die im Steuergerät 4 gemessen wird und die Spulentemperatur des Hubmagneten 223. Die Spulentemperatur selber wird durch Nutzung einer Pulsweitenmodulationsansteuerung (PWM) und durch Messung des Spulenstroms, der sich dabei einstellt über Rechenmodelle in eine Temperatur umgewandelt. Alternativ kann die Temperatur auch eingelernt werden. 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 Ankers 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 221 entgegenwirkt. Über diese Berechnung wird das System vom Steuergerät 4 auf einen konstanten Druck geregelt. Dieser Druck wird benötigt, um eine gute Spraybildung im Dosiermodul 3 zu ermöglichen und auch um die On-Board-Diagnoserichtlinien einzuhalten (Dosiermengenableitung, Verbrauchsmodell etc.). Bei der Modulierung der Parameter ergibt sich allerdings das Problem, dass die Mechanik der Hubkolbenmembranpumpe 22 als unbekannte Größe in das Modell mit eingeht. Die Mechanik der Hubkolbenmembranpumpe 22 unterliegt großen Streuungen. Diese beruhen beispielsweise auf der Größe des Restluftspalts zwischen der Pumpenmembran 221, dem Hubweg des Hubkolbens 222, der Federkonstante der Druckfeder 224 und der Steifheit der Pumpenmembran 221, die durch Alterungszustand, Temperatur und Mediensättigung bedingt ist.
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Die Bewegung des Magnetankers, welcher die Pumpmembran 221 in Druckrichtung bewegt, verursacht einen Verlauf des Pumpenstroms I, welcher in 2 dargestellt ist. Ein Anstieg des Stroms I mit der Zeit t beginnt zum Zeitpunkt t0 mit der Ansteuerung des Pumpenmagneten (Es sind nur die Ansteuerungszustände „Ansteuerung an“ (niedriger Wert A) und „Ansteuerung aus“ (hoher Wert A) dargestellt). Zum Zeitpunkt tMSP ist die Ankerbewegung beendet, das Volumen im Pumpraum 220 der Hubkolbenmembranpumpe 22 wurde komprimiert und anschließend aus dem Pumpraum 220 ausgetrieben. Dieser Punkt tMSP ist als lokales Minimum im Stromverlauf erkennbar. Je später dieser Punkt tMSP eintritt, umso höher ist der Gegendruck im System bzw. der dadurch anliegende Druck am Dosiermodul 3. Der Zeitpunkt tMSP beschreibt somit die gesuchte Größe, nämlich den momentan anstehenden Druck im System. Dieser Zeitpunkt tMSP ist aber abhängig von der Spulentemperatur, der angelegten Ansteuerspannung und von der Pumpenmechanik der Hubkolbenmembranpumpe 22.
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Die
DE 10 2009 033 736 A1 betrifft eine Förder- oder Dosierpumpe. Die Pumpe weist einen translatorisch verschieblichen Antriebskolben und einen Magnetantrieb mit einer auf den Antriebskolben wirkenden Magnetspule auf. Um mit einfachen Mitteln einen konstanten Versorgungsdruck an einen Pumpenauslass in Richtung eines Verbrauchers sicherzustellen, wird die Magnetspule zum Antrieb des Antriebskolbens in Abhängigkeit zumindest eines Prozessparameters geregelt bestromt.
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In der
DE 10 2008 010 073 B4 wird ein System zum Dosieren eines Fluids offenbart. Seine Dosierpumpe ist in Form einer magnetisch betätigbaren Hubkolbenpumpe mit einem Kolben ausgeführt. Der Kolben ist zwischen einer Ausgangsstellung, in der eine Fluidverbindung zwischen Dosierpumpe und Vorratstank geschlossen ist, und einer Endstellung, in der ein Förderhub in Richtung der Dosiereinheit ausgeführt ist, verschiebbar. Außerdem ist er in einer vorbestimmten Betriebsstellung der Dosierpumpe in einer Zwischenstellung zwischen der Ausgangsstellung und der Endstellung angeordnet.
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Die
DE 10 2007 004 687 A1 bezieht sich auf eine Dosiereinheit einer Harnstoffwasserlösung, die in einer Abgasnachbehandlungseinheit verwendbar ist, mit einem elektrischen Drucksensor. Die Volumensmengenabgabe der Dosiereinheit folgt einem elektrischen Signal. Außerdem ist die Dosiereinheit kalibriert. Es ist zumindest ein Mittel zum Verändern eines Druckwertes vorgesehen, das den Druckwert so verändert, dass der Druckwert, der dem Druck in der Dosiereinheit entsprechen soll, ein Eingangssignal für eine abzugebende Volumenmenge ist.
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Die
DE 10 2005 003 583 A1 betrifft ein Verfahren zur Beheizung Reduktionsmittel führender Teile einer Abgasreinigungsanlage. Bei Temperaturen unter ihrem Gefrierpunkt geht eine wässrige Harnstofflösung in den festen Aggregatzustand über. Ihre Förderung mittels einer Pumpe von einem Vorratsbehälter zu einer Düse ist dann nicht mehr möglich, weshalb eine Beheizung der Anlagenteile nötig ist. Um im Bereich der Pumpe auf eine separate Heizung verzichten zu können, wird vorgeschlagen, die Spule der eingefrorenen Pumpe mit Dauerstrom oder mit einem pulsierenden Stromhoher Frequenz zu beaufschlagen.
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Gemäß der
DE 101 61 132 A1 wird ein Drucksensor im Gehäuse einer Membranpumpe angeordnet und die Membranpumpe als Ausdehnungsgefäß zum Schutz des Drucksensors verwendet. Die Drucksensormembran wird deshalb zur Vermeidung von Überdruck am Drucksensor direkt im Pumpenkopf, d. h. oberhalb der Pumpenmembran der Membranpumpe, angeordnet, so dass die beim Einfrieren des Reduktionsmittels innerhalb der Membranpumpe auftretende Volumenzunahme des Reduktionsmittels durch eine Auslenkung der Pumpenmembran entgegen der Kraft einer Feder aufgenommen wird und die Drucksensormembran vor Beschädigungen geschützt ist.
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In der
US 2006/0140777 A1 wird ein System zum Steuern der Bewegung eines Pumpenkolbens beschrieben. Der Kolben wird von einem Motor angetrieben, der zyklisch mit einer Spannung versorgt wird. In jedem Pumpzyklus wird ein Kondensator geladen und bei der Bestromung des Motors zumindest teilweise wieder entladen, sobald der Kolben einen vorgegebenen Punkt passiert.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes tMSP einer Ankerbewegung eines Magnetankers einer Hubkolbenmembranpumpe im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems wird im drucklosen Zustand der Hubkolbenmembranpumpe der Endpunkt tMSP der Ankerbewegung aus dem Pumpenstromverlauf bestimmt. Durch Modellierung des Drucks im SCR-Katalysatorsystem wird ein Korrekturwert ermittelt. Im druckbeaufschlagten Zustand der Hubkolbenmembranpumpe wird der Endpunkt tMSP der Ankerbewegung aus dem Pumpenstromverlauf und dem Korrekturwert ermittelt. Da in dem SCR-Katalysatorsystem kein Drucksensor eingesetzt wird, sondern der Druck vielmehr über den Zeitpunkt tMSP moduliert werden soll, gibt es keine reellen Bezugspunkte, die man zur Referenzierung benutzen könnte, um Einflüsse der Pumpenmechanik auf den Zeitpunkt tMSP zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß wird nur der drucklose Zustand des SCR-Katalysatorsystems zur Referenzierung genutzt. Indem der Zeitpunkt tMSP im drucklosen Zustand bestimmt wird, kann ein Korrekturwert ermittelt und in das Druckmodell miteinbezogen werden.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, das die Bestimmung des Endpunktes tMSP der Ankerbewegung der Hubkolbenmembranpumpe in einem drucklosen Zustand der Hubkolbenmembranpumpe aus dem Pumpenstromverlauf im Erstbefüllungszustand des SCR-Katalysatorsystems erfolgt. Bei der Erstbefüllung ist sehr viel Luft im SCR-Katalysatorsystem enthalten, die erstmalig herausgepumpt werden muss. Der Hubmagnet arbeitet in diesem Fall ohne Gegendruck, da sich das Betriebsmedium des SCR-Katalysatorsystems, d. h. die Reduktionsmittellösung, noch nicht im Pumpraum befindet. Diese Messung beschreibt dann den Neuzustand des SCR-Katalysatorsystems. Es kann damit der Einfluss der Druckfeder, der Masse des Magnetankers und des allgemeinen Magnetfeldes der Hubkolbenmembranpumpe in einem Steuergerät des SCR-Katalysatorsystems hinterlegt werden. Diese Bewertung ist allerdings nur einmalig bei Inbetriebnahme des SCR-Katalysatorsystems möglich.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Bestimmung des Endpunktes tMSP der Ankerbewegung der Hubkolbenmembranpumpe in dem drucklosen Zustand der Hubkolbenmembranpumpe aus dem Pumpenstromverlauf beim ersten Pumpenhub eines Betriebszyklus des SCR-Katalysatorsystems erfolgt, vor dessen Beginn das Betriebsmedium des SCR-Katalysatorsystems aus einem Dosiermodul des SCR-Katalysatorsystems entfernt wurde. Hierbei kann die Ermittlung eines Korrekturwerts einmal pro Betriebszyklus einer mit dem SCR-Katalysatorsystem ausgerüsteten Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Nach jedem Betriebszyklus wird das Betriebsmedium aus dem Dosiermodul zurückgesaugt, weil es gefrieren und so das Dosiermodul schädigen könnte. Das Zurücksaugen erfolgt hierbei über eine zweite Hubkolbenmembranpumpe. Zu Beginn des nächsten Betriebszyklus ist die Pumpenmechanik deshalb komplett gefüllt und drucklos. Dadurch, dass der Pumpenraum der Hubkolbenmembranpumpe geflutet ist und im kompletten System kein Druck mehr herrscht, kann zumindest der erste Pumpenhub genutzt werden, um einen Abgleich beim Umgebungsdruck durchzuführen. Mit dem dabei erhaltenen Korrekturwert kann im druckbeaufschlagten Zustand der Zeitpunkt tMSP und damit das Druckmodell korrigiert werden. Die Aussagekraft der Druckmodellierung wird dadurch gesteigert.
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Der Korrekturwert kann erfindungsgemäß eine Konstante sein, die im druckbeaufschlagten Zustand der Hubkolbenmembranpumpe zu einem Rohendpunkt tMSP-Roh der Ankerbewegung addiert wird, um den Endpunkt tMSP der Ankerbewegung zu bestimmen. In diesem Fall stellt der Korrekturwert einen Offset-Wert dar, welcher die Druckfeder und den Restluftspalt in der Hubkolbenmembranpumpe beschreibt. Weiterhin beschreibt dieser Korrekturwert den Pumpraum (bestimmt durch den Membrandurchmesser), den komprimierbaren Raum, die Membrandicke und die Membransteifigkeit, welche sich altersbedingt ändern kann.
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Außerdem ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass der Korrekturwert ein dynamischer Wert ist, der in einem druckbeaufschlagten Zustand der Hubkolbenmembranpumpe zu einem Rohendpunkt tMSP-Roh der Ankerbewegung addiert wird oder mit diesem multipliziert wird, um den Endpunkt tMSP der Ankerbewegung zu bestimmen. Der dynamische Wert wird bevorzugt für jeden Systemdruck des SCR-Katalysatorsystems im Steuergerät oder Rechengerät hinterlegt (beispielsweise als Kennlinie).
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In den Korrekturwert können auch Einflüsse außerhalb der Hubkolbenmembranpumpe mit einfließen, wie beispielsweise Unzulänglichkeiten eines Pulsationsdämpfers oder die Geometrie bzw. Flexibilität von Verbindungsschläuchen. Auf diese Weise kann auch die systembedingte Alterung mit einbezogen werden.
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Ein Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Auf diese Weise ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren nachträglich in einem vorhandenen SCR-Katalysatorsystem zu implementieren. Hierzu ist weiterhin vorzugsweise ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der vom maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, wenn das Programm vom Steuergerät oder Rechengerät ausgeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, durch Anlernen eines Druckmodells die Auswertung bei der Druckerkennung zu verbessern. Streuungen in der Magnetmechanik oder im System können auf diese Weise ausgeglichen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt den Pumpenstromverlauf eines Pumpvorgangs in einem SCR-Katalysatorsystem, welches gemäß einem Verfahren des Standes der Technik betrieben wird.
- 3 stellt die Abhängigkeit der Druckbestimmung aus dem Endpunkt tMSP einer Ankerbewegung einer Hubkolbenmembranpumpe von der Spannung und der Temperatur dar.
- 4 stellt die Streuung des Endpunktes tMSP einer Ankerbewegung einer Hubkolbenmembranpumpe über mehrere bekannte Pumpmagneten dar.
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3 zeigt die Beziehung zwischen dem Endpunkt tMSP einer Ankerbewegung einer Hubkolbenmembranpumpe 22 in einem SCR-Katalysatorsystem gemäß 1 und dem Druck p im SCR-Katalysatorsystem für drei verschiedene Ansteuerspannungen (10 V, 13,5 V und 16 V) am Hubmagneten 223 in einem Temperaturbereich von 0°C bis 60°C. Es ist ersichtlich, dass die Messung des Endpunktes tMSP einer Ankerbewegung des Hubkolbens 222 der Hubkolbenmembranpumpe 22 noch eine Korrektur durch eine Spannungsmessung und durch eine Temperaturbestimmung (z.B. durch Modellierung) benötigt. Eine kleine Änderung im gemessenen Endpunkt tMSP ergibt allerdings selbst bei bekannter Ansteuerspannung und modellierter Spulentemperatur eine große Änderung im Wert des modellierten Drucks p, was durch die hohe Steilheit der abgebildeten Kurven bedingt ist. Schon im Normalfall werden also sichere Bezugspunkte benötigt, um korrekt modellierte Druckwerte zu erhalten. Jede weitere Streuung kann das Ergebnis einer Druckinterpretation verfälschen. Variationen in der Mechanik der Hubkolbenmembranpumpe 22 sind also zu vermeiden oder so zu erkennen, dass das Druckmodell dennoch Druckwerte p mit ausreichender Genauigkeit erbringt.
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4 zeigt beispielhaft die Verteilung modellierter Drücke p über gemessene Endpunkte tMSP für eine Pumpenschar A, die bei einem Druck p von 0 hPa betrieben wird, eine Pumpenschar B, die bei einem Druck p von 200 hPa betrieben wird, eine Pumpenschar C, die bei einem Druck p von 400 hPa betrieben wird, eine Pumpenschar D, die bei einem Druck p von 600 hPa betrieben wird und eine Pumpenschar E, die bei einem Druck p von 800 hPa betrieben wird. Daraus wird ersichtlich, dass nicht nur die Ansteuerspannung und der Innenwiderstand der Magnetspule des Hubmagneten 223 (und damit die Spulentemperatur), sondern auch Produktionsstreuungen verschiedener Hubkolbenmembranpumpen 22 stark in den Wert tMSP eingehen. So wird es schwierig, ein Druckmodell aufzubauen, da es nicht nur eine gesuchte Unbekannte, nämlich den Druck p gibt, sondern noch eine weitere Unbekannte, nämlich Parameter der Hubkolbenmembranpumpe 22. Schon über die Streuung der Hubkolbenmembranpumpe 22 ist es nicht mehr möglich, ein korrektes Druckmodell abzuliefern, da es in 4 Überlappungen zwischen den Verteilungen unterschiedlicher Hubkolbenmembranpumpen 22 gibt.
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Eine zuverlässige Druckerkennung wird erfindungsgemäß durch Anlernen des Druckmodells erreicht. Hierzu wird beispielsweise in einem OEM-Werk vor der Inbetriebnahme eines SCR-Katalysatorsystems der Erstbefüllungszustand des SCR-Katalysatorsystems ausgemessen und ein darauf ermittelter Korrekturwert im Steuergerät 4 abgelegt. Weiterhin werden zu Beginn jedes Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs, das mit dem SCR-Katalysatorsystem ausgestattet ist, die ersten Pumpenhübe genutzt, um einen weiteren Korrekturwert zu ermitteln. Mit diesen Korrekturwerten wird dann der Endpunkt tMSP der Ankerbewegung des Hubkolbens 222 der Hubkolbenmembranpumpe 22, und damit das Druckmodell, korrigiert, um die Aussagekraft der Druckmodellierung zu steigern.
