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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektronischen Schaltungsmoduls zur Steuerung einer Hubmagnetmembranpumpe, insbesondere für ein SCR-Katalysatorsystem und ein Verfahren zum Betreiben der Hubmagnetmembranpumpe. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät ausgeführt wird.
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Stand der Technik
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Um die immer strengeren Abgasgesetzgebungen zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffdioxide im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist es bekannt, im Abgasbereich von Verbrennungskraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxid im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue® kommerziell erhältlich.
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Um dem Abgas Harnstoffwasserlösung beizumischen, wird diese von einer Förderpumpe, welche von einem elektronischen Schaltungsmodul angesteuert wird, aus einem Reduktionsmitteltank zu einem Dosierventil im Abgasstrang transportiert. In modernen SCR-Katalysatorsystemen handelt es sich bei der Förderpumpe um eine Hubmagnetmembranpumpe, die über High-Side-Schalter (HSS) und Low-Side-Schalter (LSS) angesteuert wird. Die Pumpe wird über den HSS mit Batteriespannung versorgt. Dieser dient gleichzeitig zur Stromabschaltung für die Pumpe im Falle eines Kurzschlusses gegen Masse. Der LSS taktet die Pumpe mit bis zu 16 Hz in einer Pumpphase. Aufgrund der relativ großen elektrischen Zeitkonstante der Pumpe, welche im Falle einer herkömmlichen Hubmagnetmembranpumpe mit einer Spuleninduktivität von 80 mH und einem Widerstand von 3,6 Ohm, typischerweise 22 ms beträgt, beträgt die Zeit einer Freilaufphase der Pumpe ca. 40 ms, bevor der Pumpenstrom so weit abgeklungen ist, dass ein neuer Bestromungszyklus bzw. Pumpzyklus gestartet werden kann. Die Ansteuerfrequenz der Pumpe ist daher auf maximal 16 Hz begrenzt und das maximale Fördervolumen der Pumpe ist somit limitiert. Eine Ansteuerung der Pumpe mit einer höheren Frequenz bis zu 1,5 kHz ist allenfalls in einer Heizphase möglich. In der Heizphase soll die Pumpe allerdings keine mechanischen Bewegungen ausführen, sondern vielmehr aufgeheizt werden, um gegebenenfalls aufgrund einer niedrigen Umgebungstemperatur gefrorene Harnstoffwasserlösung zu schmelzen. Hierbei kann ein mittlerer Strom von ca. 2 A erreicht werden, welcher im Pumpbetrieb nicht akzeptabel wäre.
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DE 10 2011 075 726 A1 offenbart eine Funktionseinheit eines Vorratstanks einer Einspritzeinrichtung für ein flüssiges Reduktionsmittel in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion SCR. Die Funktionseinheit ist im Wesentlichen dazu eingerichtet, dass Reduktionsmittel gezielt aus dem Vorratstank zu fördern und ein Einfrieren des Reduktionsmittels zumindest im Bereich der Funktionseinheit bei größerer Kälte zu verhindern.
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DE 10 2010 030 860 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Reduktionsmitteldosiersystems für einen SCR-Katalysator mit einem Reduktionsmitteltank, einer Förderpumpe, einer Druckleitung und wenigstens einem elektrisch ansteuerbaren Dosierventil. Hierbei wird die Dosieransteuerung auf der Basis einer Massenstrombilanz ermittelt und eine Diagnose des Reduktionsmitteldosiersystems über eine Auswertung des Pumpenstromverlaufs vorgenommen.
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DE 10 2010 003 464 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Membranpumpe in einem Leitungssystem. Hierbei wird die Membranpumpe mit einer Frequenz angeregt, die deren Eigenfrequenz entspricht. Die von der Membranpumpe bewegte Masse wird stromabwärts um eine gespeicherte Flüssigkeitsmasse ergänzt, die durch ein Absperrelement stromabwärts gespeicherten Flüssigkeitsmasse von dem weiteren Leitungssystem abkoppelbar ist.
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DE 298 14 762 U1 offenbart ein Vorschaltgerät für die Ansteuerung von gleichstrombetriebenen Elektromagneten.
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DE 195 00 095 A1 offenbart einen elektromagnetischen Antrieb für Bewegungen entlang einer Linie, in einer Ebene oder rotierend, der die Vorschubkraft nach dem Prinzip eines Elektromagneten als Anziehungskraft zwischen zwei mit Stator und Läufer bezeichneten relativ zueinander beweglichen Weicheisenkeilen erzeugt.
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DE 21 42 956 B offenbar ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Durchsatzmenge eines volumetrischen Messgeräts.
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Offenbarung der Erfindung
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Das mittels des Verfahrens anzusteuernde elektronische Schaltungsmodul zur Steuerung einer Hubmagnetmembranpumpe, insbesondere für ein SCR-Katalysatorsystem, umfasst einen High-Side-Schalter, welcher zwischen einer Energiequelle, wie beispielsweise einer Batterie, und der Hubmagnetmembranpumpe angeordnet ist, einen Low-Side-Schalter, welcher zwischen der Förderpumpe und einer Masse angeordnet ist, und eine Diode, welche mit ihrer Kathode, d. h. in ihrer Durchlassrichtung, mit einer Stromleitung zwischen dem High-Side-Schalter und der Förderpumpe verbunden ist und mit ihrer Anode, d. h. in ihrer Sperrrichtung, mit der Masse verbunden ist. Weiterhin weist das elektronische Schaltungsmodul eine Diode auf, welche mit ihrer Kathode mit einer Stromleitung zwischen dem High-Side-Schalter und der Energiequelle verbunden ist und mit ihrer Anode mit einer Stromleitung zwischen dem Low-Side-Schalter und der Förderpumpe verbunden ist.
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Es ist bevorzugt, dass das elektronische Schaltungsmodul einen Messwiderstand bzw. Shunt aufweist, welcher in einer Stromleitung zwischen der Förderpumpe und dem Low-Side-Schalter angeordnet ist, um die Messung eines elektrischen Pumpenstromes zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Förderpumpe mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsmodul umfasst das Einschalten des High-Side-Schalters, eine getaktete Ansteuerung des Low-Side-Schalters und das Ausschalten des High-Side-Schalters für jeweils einen Zeitraum, welcher nach Abschalten des Low-Side-Schalters beginnt und vor einem erneuten Einschalten des Low-Side-Schalters endet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen schnellen Abbau des Pumpenstromes, wenn der Low-Side-Schalter abgeschaltet ist. Außerdem ist eine Reduzierung der in einem Steuergerät erzeugten Verlustleistung durch Rückspeisung von Energie in ein Bordnetz möglich. Damit kann die thermische Belastung eines Steuergeräts gegenüber einer herkömmlichen Pumpenansteuerung ebenso wie gegenüber einer Schnelllöschung durch Klammerung über den High-Side-Schalter verringert werden.
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Es ist erfindungsgemäß möglich, dass der Beginn oder das Ende des Zeitraums, in dem der High-Side-Schalter ausgeschaltet ist, zeitlich variiert werden kann. Wenn das erfindungsgemäße elektronische Schaltungsmodul allerdings einen Messwiderstand bzw. Shunt aufweist, ist es bevorzugt, dass ein elektrischer Strom gemessen wird, der durch den Messwiderstand bzw. Shunt fließt und der Beginn und das Ende des Zeitraums, in dem der High-Side-Schalter ausgeschaltet ist, in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom bestimmt wird. Es ist besonders bevorzugt, dass der HSS wieder eingeschaltet wird, wenn der gemessene Strom weniger als 100 mA beträgt. In diesem Fall ist ein Magnetanker der Pumpe in seinen Sitz zurückgekehrt, sodass ein weiterer Pumpvorgang eingeleitet werden kann.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass der Zeitraum zwischen dem Abschalten des Low-Side-Schalters und dem erneuten Einschalten des Low-Side-Schalters weniger als 10 ms beträgt. Besonders bevorzugt liegt der Zeitraum im Bereich von 4 ms bis 9 ms. Hierdurch ist eine hohe Pumpfrequenz realisierbar. Insbesondere kann die Förderpumpe im erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Frequenz von mehr als 16 Hz angesteuert werden, wobei die Frequenz vorzugsweise nicht mehr als 30 Hz beträgt.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, ermöglicht es, unterschiedliche Ausführungsformen des Verfahrens im erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsmodul zu implementieren.
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Hierzu dient das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines elektronischen Schaltungsmoduls mit Pumpe für ein SCR-Katalysatorsystem gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm für ein elektronisches Schaltungsmodul mit Pumpe für ein SCR-Katalysatorsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt die Ansteuerung des HSS und des LSS in einem elektronischen Schaltungsmodul gemäß 1 und gemäß 2.
- 4 zeigt den Stromverlauf an einer durch ein elektronisches Schaltungsmodul angesteuerten Förderpumpe gemäß 1 und gemäß 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines elektronischen Schaltungsmoduls und der Hubmagnetmembranpumpe, insbesondere für ein SCR-Katalysatorsystem gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Ein elektronisches Schaltungsmodul zur Steuerung einer Hubmagnetmembranpumpe 1 verfügt über einen HSS 2, beispielsweise das Bauteil VNQ5E050AK-E der der Firma ST Microelectronics, welcher zwischen einer Energiequelle 3 und der Hubmagnetmembranpumpe 1 angeordnet ist. Der HSS 2 wird von einem Steuergerät (nicht gezeigt) mit Ansteuersignalen 21a versorgt. Bei der Energiequelle 3 kann es sich um eine Autobatterie in einem Kraftfahrzeug handeln, welche eine Bordnetzspannung von 13,5 V bereitstellt und in einem Ersatzschaltbild als Zenerdiode 31 dargestellt werden kann. Ein LSS 4, beispielsweise das Bauteil TLE 6232 der Infineon Technologies AG, Deutschland, ist zwischen der Hubmagnetmembranpumpe 1 und einer Masse 5 angeordnet. Es wird von dem Steuergerät mit Ansteuerungssignalen 41 versorgt. Eine Diode 6 ist so angeordnet, dass sie mit ihrer Kathode mit einer Stromleitung zwischen dem HSS 2 und der Energiequelle 3 verbunden ist und mit ihrer Anode mit einer Stromleitung zwischen dem LSS 4 und der Hubmagnetmembranpumpe 1 verbunden ist. In einer Stromleitung zwischen der Hubmagnetmembranpumpe 1 und dem LSS 4 ist ein Messwiderstand (Shunt) 7 angeordnet. Dieser ist mit einem Operationsverstärker 71 verbunden und dient zur Messung des elektrischen Pumpenstroms. Der Strom, der durch den Messwiderstand (Shunt) 7 fließt, verursacht einen zu ihm proportionalen Spannungsabfall, der gemessen wird, sodass die Weitergabe eines Stromsignals 72 an das Steuergerät möglich ist. In der Stromleitung zwischen dem HSS 2 und der Energiequelle 3 ist eine Verbindung zu einem Kondensator 8 angeordnet, welcher weiterhin mit der Masse 5 verbunden ist.
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2 zeigt ein Schaltbild eines elektronischen Schaltungsmoduls und der Hubmagnetmembranpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dieses unterscheidet sich von dem Schaltbild des elektronischen Schaltungsmoduls gemäß dem Stand der Technik darin, dass eine Diode 9 mit ihrer Kathode mit einer Stromleitung zwischen dem HSS 2 und der Hubmagnetmembranpumpe 1 verbunden ist und mit ihrer Anode mit der Masse 5 verbunden ist.
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Die Ansteuerung A des HSS 2 und des LSS 4 in beiden elektronischen Schaltungsmodulen ist in 3 dargestellt (A = 0: keine Ansteuerung; A = 1: volle Ansteuerung). Die Ansteuerung 41 des LSS 4 ist in beiden elektronischen Schaltungsmodulen zeitlich getaktet. Bei eingeschaltetem LSS 4 erfolgt ein Pumpvorgang und bei ausgeschaltetem LSS 4 liegt eine Freilaufphase der Hubmagnetmembranpumpe 1 vor. Im herkömmlichen elektronischen Schaltungsmodul ist der HSS 2 permanent durch eine Ansteuerung 21a eingeschaltet. Der Stromverlauf in der Freilaufphase ist in 1 mit Pfeilen dargestellt. Ein Pumpenstrom fließt von der Hubmagnetmembranpumpe 1 durch den Messwiderstand (Shunt) 7, die Diode 6, den HSS 2 und zurück in die Hubmagnetmembranpumpe 1. Im elektronischen Schaltungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der HSS 2 jeweils für einen Zeitraum, welcher nach Abschalten des LSS 4 beginnt und vor einem erneuten Einschalten des LSS 4 endet, ausgeschaltet. Dies entspricht der Ansteuerung 21b. Dies führt dazu, dass der Pumpenstrom aus der Hubmagnetmembranpumpe 1 durch den Messwiderstand (Shunt) 7, die Diode 6, die Energiequelle 3 über die Masse 5 in die Diode 9 und von dort zurück in die Hubmagnetmembranpumpe 1 fließt. Dies ermöglicht einen schnellen Abbau des Pumpenstromes bei abgeschaltetem LSS 4. Das Einschalten und Ausschalten des HSS 2 über die Ansteuerung 21 erfolgt im Steuergerät in Abhängigkeit vom Pumpenstromsignal 72, wobei ein Einschalten des HSS 2 jeweils bei einem Pumpenstrom von weniger als 100 mA erfolgt.
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In 4 ist der zeitliche Verlauf des Pumpenstroms I1 im herkömmlichen elektronischen Schaltungsmodul und des Pumpenstroms I2 im elektronischen Schaltungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Förderpumpe 1 im erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsmodul mit einer höheren Frequenz angesteuert werden kann als in dem elektronischen Schaltungsmodul gemäß dem Stand der Technik.
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Im erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsmodul ist es möglich, die Zeit für den Stromabbau in der Abschaltphase des LSS 4 variabel durch ein Computerprogramm über ein Timing der gestuften Abschaltung von HSS 2 und LSS 4 einzustellen. Auch eine Heizphase der Pumpe 1, in der nur ein langsamer Diodenfreilauf erforderlich ist, kann einfach per Software eingestellt werden. Damit bietet das erfindungsgemäße elektronische Schaltungsmodul eine kostenoptimierte Lösung durch minimalen Hardwareaufwand bei gleichzeitiger Reduzierung der im Steuergerät erzeugten Verlustleistung.
