DE102011088707A1

DE102011088707A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Drucks zwischen einer Hubkolbenpumpe und einem Dosierventil in einem SCR-Katalysatorsystem

Info

Publication number: DE102011088707A1
Application number: DE102011088707A
Authority: DE
Inventors: Sascha Rademann; Frank Buhles
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-20
Also published as: FR2984499A1; CN103162895A; FR2984499B1; CN103162895B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Drucks zwischen einer Hubkolbenpumpe und einem Dosierventil in einem SCR-Katalysatorsystem. Hierbei wird der Druck aus dem Verlauf des Pumpenstroms I bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Drucks zwischen einer Hubkolbenpumpe und einem Dosierventil in einem SCR-Katalysatorsystem. 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.
Stand der Technik
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.
1 zeigt das Dosiersystem eines SCR-Katalysators gemäß dem Stand der Technik. Dies umfasst eine Reduktionsmitteltankeinheit 1 mit Füllstandssensor, Filter und Heizer, ein Fördermodul 2, 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 eine Hubkolbenmembranpumpe 22 gesaugt. Diese umfasst eine Membran 221 zum volumetrischen Fördern der Reduktionsmittelösung, einen Hubkolben 222, dessen lineare oszillierende Bewegung auf die Membran 221 übertragen wird, einen Hubmagneten 223 mit einem Magnetanker (nicht gezeigt), welcher ein Anheben des Hubkolbens bewirkt, wenn er bestromt wird, und eine Druckfeder 224, welche den Hubkolben wieder in seinen Sitz zurückpresst, wenn der Hubmagnet nicht mehr bestromt wird. Bei einer Pumpbewegung des Hubkolbens 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 eine Dosiermittel-Druckleitung in Richtung des Dosiermoduls 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.
Um eine hinreichende Vernebelungswirkung der Harnstoffwasserlösung im SCR-Katalysator zu erreichen und eine möglichst genaue Dosiermenge bereitzustellen, ist es notwendig, den hydraulischen Druck der Harnstoffwasserlösung in einem Druckbereich zu überwachen. Dies geschieht durch die Verwendung einer Steuerung, welche die Ansteuerung der Hubkolbenmembranpumpe 22 und des Dosiermoduls 3 bestimmt. Die Steuerung arbeitet unabhängig von einem physikalischen Druckwert und arbeitet rein gesteuert. Nur für den Fehlerfall ist es notwendig bei Über- oder Unterschreitung des Druckbereiches auf den Defekt einer Komponente zu reagieren.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Bestimmung eines Druckes zwischen einer Hubkolbenpumpe und einem Dosierventil in einem SCR-Katalysatorsystem, d.h. des hydraulischen Druckes einer Harnstoffwasserlösung, wobei der Druck aus dem Verlauf des Pumpenstroms der Hubkolbenpumpe bestimmt wird. Dies ermöglicht eine Überwachung der Arbeitsdruckbereiches indem sich der hydraulische Druck einstellen kann, ohne dass hierzu ein Drucksensor benötigt wird.
Die Ermittlung des Drucks aus dem Verlauf des Pumpenstroms erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise dadurch, dass der Druck während eines Zeitraums t_MSP bestimmt wird, der zwischen einem Zeitpunkt t₀ und einem Zeitpunkt t₁ liegt, wobei zum Zeitpunkt t₀ die Hubkolbenpumpe von einem stromlosen Zustand in einen bestromten Zustand wechselt und der Pumpenstrom zum Zeitpunkt t₁ ein lokales Minimum aufweist. Das lokale Minimum im Pumpenstromverlauf gibt den Zeitpunkt an, zu dem eine Ankerbewegung der Hubkolbenpumpe beendet ist (MSP = Mechanical Stop of solenoid Pump).
Der Druck kann erfindungsgemäß insbesondere berechnet werden, indem der Zeitraum t_MSP mit einem Steigungsfaktor multipliziert wird, der von einer Versorgungsspannung der Hubkolbenpumpe abhängig ist und zu dem erhaltenen Produkt ein Offset addiert wird, der ebenfalls von der Versorgungsspannung der Hubkolbenpumpe abhängig ist. Um äußere Einflüsse auf den Zeitraum t_MSP zu berücksichtigen, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass vor Multiplizieren des Zeitraums t_MSP mit dem spannungsabhängigen Steigungsfaktor wenigstens ein Korrekturwert zu dem Zeitraum t_MSP addiert wird. Solche Korrekturwerte können beispielsweise den Einfluss der Temperatur, den Einfluss der Membransteifigkeit einer Hubkolbenmembranpumpe sowie eine spannungsunabhängige Stromkorrektur umfassen.
Alternativ kann der Druck erfindungsgemäß auch nur aus dem Zeitraum t_MSP und dem Pumpenstrom I_MSP zum Zeitpunkt t₁ bestimmt werden. Damit ist keine kontinuierliche Beobachtung und Kompensation von Störeinflüssen bei jeder Ansteuerung der Hubkolbenpumpe durch Korrekturwerte notwendig. Insbesondere wird der Druck dabei aus einem Isobarenkennfeld ermittelt, welches Kombinationen aus Zeiträumen t_MSP und Pumpenströmen I_MSP umfasst, die für unterschiedliche Versorgungsspannungen der Hubkolbenpumpe in dem Isobarekennfeld hinterlegt sind. Auf diese Weise stellt das Isobarenkennfeld den Systemdruck über mögliche Kombinationen aus t_MSP und I_MSP für Variationen der Versorgungsspannung dar. Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass in dem Isobarenkennfeld der Gesamtwiderstand des Hubmagneten und damit auch der Widerstand der Magnetspule der Hubkolbenpumpe berücksichtigt wird. Dieser hat wie die Versorgungsspannung auch einen direkten Einfluss auf den sich maximal einstellenden gemessenen Strom durch die Hubkolbenpumpe und damit auch auf den Beginn eines Förderhubes der Hubkolbenpumpe. Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass eine Korrektur des dem Isobarenmodell entnommenen Drucks erfolgt, wenn die Differenz zwischen dem Pumpenstrom I_MSP zum Zeitpunkt t₁ zu dem eine Kolbenbewegung eines Hubkolbens der Hubkolbenpumpe beendet ist und einem maximalen Pumpenstrom I_Maxzu einem Zeitpunkt t₂, während der Kolbenbewegung eines Hubkolbens der Hubkolbenpumpe, von einem erwarteten Wert abweicht. Entspricht diese Differenz jedoch der Erwartung, so bleibt der aus dem Isobarenkennfeld ermittelte Systemdruck ohne Korrektur.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. So ist es möglich, unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem SCR-Katalysatorsystem zu implementieren, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ermöglicht das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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 Hubmagneten einer Hubkolbenmembranpumpe im SCR-Katalysatorsystem gemäß 1.
3 zeigt den Verlauf des Pumpenstroms am Hubmagneten gemäß 2.
4 zeigt ein Isobarenkennfeld einer Hubkolbenpumpe, welches in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Verwendung findet.
5 zeigt ein Ersatzschaltbild des Stromkreises der Magnetspule einer Hubkolbenpumpe in dem SCR-Katalysatorsystem gemäß 1.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt den Aufbau der Hubmagneten 223 einer Hubkolbenmembranpumpe 22 des SCR-Katalysatorsystems gemäß 1. Dieser umfasst eine Magnetspule 2231, ein Gehäuse 2232 und einen Magnetanker 2233. Der Magnetanker 2233 kann sich zwischen den Positionen S0 und S1 bewegen. Durch einen Druck p, der zwischen der Hubkolbenmembranpumpe 22 und dem Dosierventil 3 im SCR-Katalysatorsystem herrscht, wirkt eine Gegenkraft F aus dem Magnetanker 2233 der Hubkolbenmembranpumpe 22. Die Wirkung der Gegenkraft F verlängert mechanisch die Zeitdauer, bis der Anker die vordere Endlage des Hubmagneten erreicht hat. Diese mechanische Bewegungsdauer lässt sich im Stromsignal der Hubkolbenmembranpumpe wiedererkennen. Nach Anlegen einer Spannung U an die Magnetspule 2231 des Hubmagneten 223 fließt ein charakteristischer Strom I, der bei ausreichendem Niveau ein Magnetfeld induziert, welches den Magnetanker 2233 in Bewegung setzt. Die Bewegung ist bei einer Ansteuerung A der Hubkolbenmembranpumpe (hoher Wert A = keine Ansteuerung; niedriger Wert A = Ansteuerung) durch den charakteristischen Stromverlauf in 3 zwischen dem Zeitpunkt t₀, zu dem sich die Hubkolbenpumpe in einem stromlosen Zustand befindet, und dem Zeitpunkt t₁ des Ankeranschlags zu erkennen. Die Zeitdauer bis zum Ankeranschlag wird als t_MSPbezeichnet und ist der Zeitraum, bis der Strom sein lokales Minimum erreicht. Die Zeitdauer t_MSP sowie die Stromstärke I_MSP zum Zeitpunkt t₁ ändern sich in Abhängigkeit der Gegenkraft F, die dem Magnetanker 2233 entgegengesetzt wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mit Formel 1 der Druck p im hydraulischen System des SCR-Katalysatorsystems berechnet werden: p = a₁·(t_MSP + k₁ + k₂ + k₃) + a₀ (Formel 1)
Hierin bezeichnet p den HWL-Druck im Harnstoffdosiersystem, a₁ einen Steigungsfaktor, welcher von der Versorgungsspannung U der Hubkolbenpumpe abhängig ist, a₁ einen Offset, welcher von der Versorgungsspannung U der Hubkolbenpumpe abhängig ist, k₁ einen Korrekturwert der Temperatur, k₂ einen Korrekturwert der Membransteifigkeit der Membran 221 und k₃ einen spannungsunabhängigen Stromkorrekturwert. Die Formel 1 liefert eine kompensierte Berechnung des Drucks p im Hydrauliksystem. Die Berechnung des Druckes p erfolgt im Steuergerät 4 des SCR-Katalysatorsystems in einem Modul für ein Druckmodell. In diesem Druckmodell ist Formel 1 als Berechnungsvorschrift zugrunde abgelegt. Das Modell benötigt als Eingangsgrößen die Stromstärke I_MSP zum Zeitpunkt t₁, welche zur Bestimmung der spannungsunabhängigen Stromkorrektur k₃ benötigt wird sowie die Zeitdauer t_MSP und die angelegte Spannung U.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden die Hauptstöreinflüsse auf den Zeitpunkt des Hubendes, nämlich eine Änderung des elektrischen Widerstands der Magnetspule 2231 und eine Änderung der Vorsorgungsspannung U direkt ohne eine weitere Kompensation in einer Software berücksichtigt. Dies kann erfolgen, wenn sowohl der Zeitraum t_MSP als auch die Stromstärke I_MSP gleichzeitig ermittelt werden. Damit entfällt eine kontinuierliche Beobachtung und Kompensation dieser Hauptstöreinflüsse bei jeder Ansteuerung der Hubkolbenmembranpumpe 22. Beide physikalischen Werte bilden damit die Grundlage für diese Ausführungsform des erfindunsgemäßen Verfahrens. In einem Druckmodell wird über ein Isobarenkennfeld das charakteristische Verhalten und damit eine in einer Software hinterlegte Erwartung für das Verhalten der Hubkolbenmembranpumpe 22 abgebildet. Ein derartiges Isobarenkennfeld ist in 4 gezeigt. Das Isobarenkennfeld stellt den Druck p über alle möglichen Kombinationen aus t_MSP und I_MSP bei Variation der Versorgungsspannung U dar, wobei 4 das Isobarenkennfeld für eine Versorgungsspannung von 5 V zeigt. Eine Berücksichtigung des Spulenwiderstandes R_Sp erfolgt im Isobarenkennfeld indirekt über den elektrischen Zusammenhang zwischen dem Strom I und dem Spulenwiderstand R_Sp gemäß Formel 2:
Hierin bezeichnet L die Spuleninduktivität und R_Ges den Gesamtwiderstand im Hubmagneten 223. Der Gesamtwiderstand R_Ges setzt sich im Wesentlichen aus der Summe des Endstufenwiderstands R_DS(on), des Messshunt-Widerstands R_Shunt, des Leitungswiderstand R_Ltg und des Spulenwiderstands R_Sp zusammen. Ein Ersatzschaltbild, welches die relevanten elektrischen Widerstände bei der Ansteuerung der Hubkolbenpumpe 22 zeigt, ist in 5 dargestellt. Der Gesamtwiderstand R_Ges und die Versorgungsspannung U haben gemäß Formel 2 einen direkten Einfluss auf den sich maximal einstellenden Strom I und damit auch auf den Beginn des Förderhubes der Hubkolbenpumpe 22. Hierbei wird der Sachverhalt zugrunde gelegt, dass die Magnetkraft der Hubkolbenmembranpumpe 22 proportional zum Spulenstrom ist. Dies gilt für den bei der Hubkolbenmembranpumpe 22 zum Zeitpunkt t₁ auftretenden Strom I_MSP. Der Pumpenstrom befindet sich dabei nicht im Bereich der magnetischen Sättigung.
Der aus dem Isobarenkennfeld gemäß 4 ermittelte Druck p wird gegebenenfalls noch korrigiert. Wenn eine Stromdifferenzhöhe aus der Stromstärke I_MSP zum Zeitpunkt t₁ bei Ende der Bewegung des Hubkolbens 222 und einem Strom I_Max während der Bewegungsphase des Hubkolbens einem in einer Software hinterlegten Erwartungswert entspricht, bleibt der aus dem Isobarenkennfeld ermittelte Druck p ohne Korrektur. Weicht die Stromdifferenzhöhe jedoch von der Erwartung ab, ist also beispielsweise kleiner als erwartet, so wird der Druck p, welcher aus dem Isobarenkennfeld entnommen wurde, reduziert. Damit wird einem Temperatureinfluss auf den Werkstoff der Membran 221 Rechnung getragen, der in fehlerhafter Weise zu einer Erhöhung des modellierten Drucks p führen kann.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Drucks p zwischen einer Hubkolbenpumpe (22) und einem Dosierventil (3) in einem SCR-Katalysatorsystem, wobei der Druck p aus dem Verlauf eines Pumpenstroms I bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p aus einem Zeitraum t_MSP bestimmt wird, der zwischen einem Zeitpunkt t₀ und einem Zeitpunkt t₁ liegt, wobei zum Zeitpunkt t₀ die Hubkolbenpumpe (22) von einem stromlosen Zustand in einen bestromten Zustand wechselt und der Pumpenstrom I zum Zeitpunkt t₁ ein lokales Minimum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p berechnet wird, indem der Zeitraum t_MSP mit einem Steigungsfaktor a₁ multipliziert wird, der von der Versorgungsspannung U der Hubkolbenpumpe (22) abhängig ist, und zu dem erhaltenen Produkt ein Offset a₁ addiert wird, der von der Versorgungsspannung U der Hubkolbenpumpe abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor Multiplikation des Zeitraums t_MSP mit dem spannungsabhängigen Steigungsfaktor a₁ mindestens ein Korrekturwert (k₁, k₂, k₃) zu dem Zeitraum t_MSP addiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p aus dem Zeitraum t_MSP und dem Pumpenstrom I_MSP zum Zeitpunkt t₁ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p aus einem Isobarenkennfeld ermittelt wird, welches Kombinationen aus Zeiträumen t_MSP und Pumpenströmen I_MSP umfasst, die für unterschiedliche Versorgungsspannungen U der Hubkolbenpumpe (22) in dem Isobarenkennfeld hinterlegt sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Isobarenkennfeld der Gesamtwiderstand eines Hubmagneten der Hubkolbenpumpe (22) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur des dem Isobarenmodell entnommenen Drucks p erfolgt, wenn die Differenz zwischen dem Pumpenstrom I_MSP zum Zeitpunkt t₁ und einem maximalen Pumpenstrom I_Max zu einem Zeitpunkt t₂ während einer Bewegung eines Hubkolbens (222) der Hubkolbenpumpe (22), von einem erwarteten Wert abweicht.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät (4) ausgeführt wird.