DE102013207345B4

DE102013207345B4 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenpumpe

Info

Publication number: DE102013207345B4
Application number: DE102013207345.3A
Authority: DE
Inventors: Damian Dyrbusch; Jens Reinhold; Horst KLEINKNECHT; Andreas FELDGES
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2021-04-29
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: DE102013207345A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenpumpe (22), umfassend- Ermitteln eines Spulenstroms ISpuleeiner Magnetspule (2231) der Hubkolbenpumpe (22),- Bestimmen des Zeitpunkts tMSPdes mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe (22), und- Ändern eines Gradienten eines Anstiegs des Spulenstroms ISpulemittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung,- wobei durch ein variables Tastverhältnis T eine konstante Effektivspannung Ueff an der Magnetspule (2231) eingestellt wird,- wobei das Tastverhältnis T dem Quotienten aus konstanter Effektivspannung Ueff und einer Bordnetzspannung UNetzentspricht,- wobei die Hubkolbenpumpe (22) elektrisch mit einem Bordnetz (5) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenpumpe, insbesondere einer Hubkolbenmembranpumpe im Dosiermodul 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.
Stand der Technik
Verfahren zur Steuerung von Pumpen sind bereits aus der DE 10 2010 030 860 A1 , der DE 10 2007 061 478 A1 , der DE 10 2005 024 858 A1 und der DE 101 27 996 A1 bekannt.
Beim SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction) wird im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine das Reduktionsmittel Ad blue^® 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 für einen SCR-Katalysator gemäß dem Stand der Technik. Dieses 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 eine 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 222 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.
Der Hubmagnet 223 der Hubkolbenmembranpumpe steuert über den Hubkolben 222 die Pumpenmembran 221 an. Jeder Pumpenhub fördert eine gewisse Menge Harnstofflösung. Wenn von der Verbrennungskraftmaschine die Anforderung kommt, kurzfristig oder auch langfristig eine größere Fördermenge bereitzustellen, ist dies durch eine Erhöhung der Ansteuerfrequenz der Hubkolbenmembranpumpe 22 möglich. Das heißt, es müssen mehr Pumphübe pro Zeiteinheit erfolgen.
Die Hubkolbenmembranpumpe 22 kann nicht immer mit maximaler Frequenz angesteuert werden. Faktoren, die es erschweren, die Frequenz der Ansteuerung zu erhöhen, sind die Spulentemperatur des Hubmagneten 223, die Versorgungsspannung und der Gegendruck. Eine höhere Spulentemperatur erhöht den Innenwiderstand des Metalls in der Magnetspule des Hubmagneten 223. Dies verlängert den Zeitraum, der zum elektrischen Aufladen und Entladen der Spule benötigt wird. Eine höhere Versorgungsspannung lässt mehr Energie in die Spule des Hubmagneten 223 fließen. Zwar erfolgt das Laden der Spule in diesem Fall schneller als normal, jedoch dauert dafür das Entladen länger. Ein erhöhter Gegendruck gegen die Membran 221 sorgt dafür, dass der Hubkolben 222 später in Bewegung gesetzt wird, kann aber gegebenenfalls auch dafür sorgen, dass der Hubkolben 222 beim Ende der Bestromens schneller wieder in seinen Sitz zurückgedrückt wird, obwohl die Spulenenergie noch hoch genug wäre, um ihn in Betätigungsposition zu halten. Zur Optimierung dieser Parameter ist es bekannt, aus dem Stromverlauf an der Hubkolbenmembranpumpe 22 den „Loslaufzeitpunkt“ MMP oder den Anschlag des Magnetankers MSP der Hubkolbenmembranpumpe 22 zu ermitteln. Über diesen Zeitpunkt kann der Systemdruck modelliert werden.
Der Strom zum Zeitpunkt des MMP und des MSP muss aufgrund von Hardwareanforderungen des Steuergeräts 4 begrenzt werden (in der Regel auf einen Wert von 2,2 A, wobei die Spannung des Bordnetzes 5 in der Regel 10 V beträgt). Dies muss über die gesamte Ansteuerung der Hubkolbenmembranpumpe 22 sichergestellt sein. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass sich der Magnetanker der Hubkolbenmembranpumpe 22 bei der Betriebsspannung sicher bewegt. Diese Anforderung muss bei der Auslegung des Magnetkreises der Hubkolbenmembranpumpe 22 und bei der Wahl der Härte der Membran 221 berücksichtigt werden. Je härter die Membran 221 ist, desto höher ist der Strombedarf der Hubkolbenmembranpumpe 22. Eine weiche Membran 221 stellt allerdings hohe Anforderungen an das Druckmodell, da eine Verformung der Membran 221 erheblichen Einfluss auf das Stromprofil der Hubkolbenmembranpumpe 22 hat.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenpumpe, insbesondere einer Hubkolbenmembranpumpe, umfasst das Ermitteln eines Spulenstroms einer Magnetspule der Hubkolbenpumpe, das Bestimmen des Zeitpunkts des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe, und das Ändern eines Gradienten eines Anstiegs des Spulenstroms mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung (PWM). Ein großes PWM resultiert in einer hohen Effektivspannung und einem steilen Anstieg des Spulenstroms. Ein kleines PWM resultiert in einer kleinen Effektivspannung und einem flachen Anstieg des Spulenstroms. Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert Umladeverluste in der Magnetspule, so dass deren Verlustleistung sinkt. Außerdem wird die magnetische Sättigung der Magnetspule unterbunden und durch einen langsameren Kolbenhub der Hubkolbenpumpe werden deren Geräuschemissionen reduziert.
Insbesondere wird durch ein variables Tastverhältnis T eine konstante Effektivspannung Ueff an der Magnetspule eingestellt. Das Tastverhältnis T entspricht vorzugsweise gemäß Formel 1 dem Quotienten aus konstanter Effektivspannung Ueff und einer Bordnetzspannung U_Netz, wobei die Hubkolbenpumpe elektrisch mit einem Bordnetz verbunden ist: $T = U_{eff} / U_{Netz}$
Ein Sollzeitpunkt t_MSP_Soll des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe kann insbesondere mittels eines Regelkreises eingestellt werden. Dieser ermöglicht einen definierten Betrieb der Hubkolbenpumpe über deren Lebenszeit.
Es ist bevorzugt, dass der Zeitpunkt t_MSP des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe mittels eines lokalen Minimums im Verlauf des Spulenstroms I_Spule bestimmt wird. Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei der Bestimmung des Zeitpunkts t_Msp des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe ein Zeitpunkt t_MMP berücksichtigt wird, zu dem sich ein Magnetanker der Hubkolbenpumpe in Bewegung setzt. Dabei wird dieser Zeitpunkt t_MMP mittels eines lokalen Maximums im Verlauf des Spulenstroms I_Spule bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, dass der Spulenstrom I_Spule zum Zeitpunkt t_MSP des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe und zu einem Zeitpunkt t_MMP, zu dem sich ein Magnetanker der Hubkolbenpumpe in Bewegung setzt, auf einen Maximalwert I_max begrenzt wird, der mindestens 2,5 A, bevorzugt mindestens 3,0 A beträgt. Dadurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung einer härteren Membran in der Hubkolbenpumpe, als diese bei einem herkömmlichen Verfahren zum Betrieb der Hubkolbenpumpe möglich wäre. Dies resultiert in einer genaueren Modellierbarkeit des Systemdrucks eines Dosiermoduls eines SCR-Katalysatorsystems, in dem die Hubkolbenpumpe verbaut ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann von einem Computerprogramm ausgeführt werden, wenn dieses auf einem Rechengerät des Steuergeräts abläuft.
Dies ermöglicht es beispielsweise das Verfahren in das Steuergerät eines Kraftfahrzeugs zu implementieren, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Erfindungsgemäß ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode vorgesehen, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung dieses Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät des Steuergeräts ausgeführt wird.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darstellt 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 Pumpenstromverlauf in einem SCR-Katalysatorsystem, welches gemäß einem Verfahren des Standes der Technik betrieben wird, für einen Pumpvorgang.
4 zeigt ein Isobarenkennfeld zur Bestimmung eines Systemdrucks aus einem Spulenstromverlauf einer Hubkolbenmembranpumpe.
5 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

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 Systemdruck 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 der Hubkolbenmembranpumpe 22 durch den charakteristischen Stromverlauf in 3 zwischen dem Zeitpunkt, zu dem sich die Hubkolbenmembranpumpe 22 in einem stromlosen Zustand befindet, und dem Zeitpunkt des Ankeranschlags zu erkennen. Die Zeitdauer bis zum Ankeranschlag wird als t_Msp bezeichnet und ist der Zeitraum, bis der Spulenstrom I_Spule sein lokales Minimum erreicht. Die Zeitdauer t_Msp sowie die Stromstärke I_Spule(MSP) beim Ankeranschlag ändern sich in Abhängigkeit der Gegenkraft F, die dem Magnetanker 2233 entgegengesetzt wird. Der Strom erreicht sein lokales Maximum I_Spule(MMP) zu einem Zeitpunkt t_MMP, zu dem sich ein Magnetanker 2233 der Hubkolbenmembranpumpe 22 in Bewegung setzt. Aus dem Stromverlauf im Messfenster 6 kann der Systemdruck p bestimmt werden.
Zur Bestimmung des Systemdruckes p wird ein Isobarenkennfeld genutzt, wie es in 4 dargestellt ist. Hierin wir empirisch der Spulenstroms I_Spule(MSP) am MSP in Abhängigkeit von der Zeit t_MSP bis zum Erreichen des MSP für unterschiedliche Drücke p und unterschiedliche Spannungen U aufgetragen. Die Drücke p des Isobarenkennfeldes gemäß 4 sind in Tabelle 1 tabelliert und Spannungen U sind in Tabelle 2 tabelliert: Tabelle 1

p₁ p₂ p₃ p₄ p₅ p₆ p₇ p₈ p₉ p₁₀ p₁₁

p [10⁵Pa] 0 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tabelle 2

U₁ U₂ U₃ U₄ U₅ U₆ U₇

U[V] 10 11 12 13 14 15 16
Wenn der Zeitpunkt t_MSP durch das erfindungsgemäße Verfahren auf einen Sollwert t_MSP_Soll eingestellt wird, kann das Isobarenmodell auf den in 4 gestrichelt dargestellten Bereich um t_Msp eingegrenzt werden.
Hierzu wird, wie es in 5 dargestellt ist, der Sollwert t_MSP_Soll in einen Regler 71 eingegeben. In einem Stellglied 72 wird der Gradient des Anstiegs des Spulenstroms I_Spule mittels eines pulsweitenmodulierten Signals geändert, indem der Hubmagnet 223 getaktet angesteuert wird. Hierzu wird gemäß Formel 1 ein variables Tastverhältnis T genutzt, um eine konstante Effektivspannung Ueff an der Magnetspule 2231 einzustellen. Ein Störverhalten 73, welches beispielsweise aus der Netzspannung U_Netz des Bordnetzes 5 oder aus mechanischen Kräften stammen kann, die auf die Hubkolbenmembranpumpe 22 einwirken, kann So mittels eines Stellverhaltens 74 kompensiert werden, indem die Bewegung des Hubmagneten 223 geändert wird. Wenn eine effektive Spannung von 10 V eingestellt wird, beträgt bei einer Bordnetzspannung U_Netz = 13 V das Tastverhältnis T gemäß Formel 1 T = 10V/13V = 77% und bei einer Bordnetzspannung U_Netz = 16 V beträgt das Tastverhältnis T = 10V/16V = 63%. Da der maximale Spulenstrom I_max am MMP und am MSP gemäß dem Ohmschen Gesetz bei gleichem Widerstand der Magnetspule 2231 konstant bleibt, kann der maximale Spulenstrom I_max bei einer üblichen Begrenzung des Spulenstroms auf 2,2 A bei einem Tastverhältnis von T = 63% auf I_max = 2,2 A/0,63 = 3,5 A ausgelegt werden. Dies ermöglicht die Verwendung einer wesentlich härteren Membran 221, als sie in herkömmlichen Hubkolbenmembranpumpen 22 im Fördermodul 2 eines SCR-Katalysatorsystems verwendet wird. In dem in 5 dargestellten Regelkreis wird aus dem Spulenstrom I_Spule in einem Messglied 75 im Steuergerät 4 über einen Messshunt mittels eines Softwarealgorithmus die tatsächliche Zeit t_MSP ermittelt und dem Regler 71 zusammen mit dem Sollwert t_MSP_Soll zugeführt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenpumpe (22), umfassend - Ermitteln eines Spulenstroms I_Spule einer Magnetspule (2231) der Hubkolbenpumpe (22), - Bestimmen des Zeitpunkts t_MSP des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe (22), und - Ändern eines Gradienten eines Anstiegs des Spulenstroms I_Spule mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung, - wobei durch ein variables Tastverhältnis T eine konstante Effektivspannung Ueff an der Magnetspule (2231) eingestellt wird, - wobei das Tastverhältnis T dem Quotienten aus konstanter Effektivspannung Ueff und einer Bordnetzspannung U_Netz entspricht, - wobei die Hubkolbenpumpe (22) elektrisch mit einem Bordnetz (5) verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollzeitpunkt t_MSP_Soll des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe (22) mittels eines Regelkreises eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t_MSP des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe (22) mittels eines lokalen Minimums im Verlauf des Spulenstroms I_Spule bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Zeitpunkts t_MSP des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe (22) ein Zeitpunkt t_MMP berücksichtigt wird, zu dem sich ein Magnetanker (2233) der Hubkolbenpumpe (22) in Bewegung setzt, wobei dieser Zeitpunkt t_MMP mittels eines lokalen Maximums im Verlauf des Spulenstroms I_Spule bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenstrom I_Spule zum Zeitpunkt t_MSP des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe (22) und zu einem Zeitpunkt t_MMP, zu dem sich ein Magnetanker (2233) der Hubkolbenpumpe (22) in Bewegung setzt, auf einen Maximalwert Imax begrenzt wird, wobei dieser Maximalwert I_max mindestens 2,5 A beträgt.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 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 5, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) ausgeführt wird.