DE102014211895A1

DE102014211895A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Hubkolbenpumpe

Info

Publication number: DE102014211895A1
Application number: DE102014211895.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Thorsten Allgeier; Sebastian Wedman; Walter Maeurer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2015-12-24
Also published as: KR20170020788A; WO2015193107A1; US20170114783A1; CN106460814A; JP2017519939A

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Kolbenpumpe vorgeschlagen, wobei die Kolbenpumpe mit einer Taktrate angesteuert wird, wobei die Pausenzeiten stochastisch variiert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Ansteuerung einer Hubkolbenpumpe. Üblicher Weise werden Hubkolbenpumpen mit einem elektrischen Ansteuersignal mit einer bestimmten Taktrate und/oder einem bestimmten Tastverhältnis angesteuert. Dabei können die Taktrate und/oder das Tastverhältnis fest vorgegeben sein oder abhängig vom Betriebspunkt vorgegeben werden. Solche Hubkolbenpumpen werden beispielsweise zur Forderung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen eingesetzt. In diesem Fall ist die Ansteuerung vorzugsweise abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Solche Verfahren zur Ansteuerung einer Hubkolbenpumpe mit einem festen Tastverhältnis bzw. mit einer festen Taktrate haben den Nachteil, dass die Pumpe ein Geräusch emittiert, das in sich einem bestimmten Verhältnis zur Ansteuerfrequenz der Hubkolbenpumpe befindet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass die Geräuschemissionen deutlich reduziert werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Pausenzeiten der Ansteuerung stochastisch variiert werden.
Dies bedeutet die Pausenzeit wird von Ansteuerung zu Ansteuerung verändert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Taktrate (TR) ausgehend von einer Pumpenfördermenge berechnet wird. Dadurch kann durch die Vorgabe der Taktrate die Pumpenfördermenge variiert und an den Bedarf angepasst werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die der Variationswert (V) in seinem Absolutwert begrenzt ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Pausenzeit nicht unter einen Mindestwert abfällt, unter dem die Funktion der Hubkolbenpumpe nicht mehr gewährleistet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mittelwert der Variationswerte (V) den Wert Null annimmt. Dadurch wird erreicht, dass die mittlere Taktrate konstant bleibt, bzw. sich wie gewünscht ändert.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Programmcode zusammen mit Verarbeitungsanweisungen zum Erstellen eines auf einem Steuergerät ablauffähigen Computerprogramms, insbesondere Sourcecode mit Compilier- und/oder Verlinkungsanweisungen, wobei der Programmcode das Computerprogramm zur Ausführung aller Schritte eines der beschriebenen Verfahren ergibt, wenn er gemäß der Verarbeitungsanweisungen in ein ablauffähiges Computerprogramm umgewandelt werden, also insbesondere kompiliert und/oder verlinkt werden. Dieser Programmcode kann insbesondere durch Quellcode gegeben sein, welche beispielsweise von einem Server im Internet herunterladbar sind.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung einer Hubkolbenpumpe und
2 ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist eine Hubkolbenpumpe dargestellt. Eine solche elektromagnetisch betriebene Hubkolbenpumpe funktioniert wie folgt:
Eine Magnetspule 1 wird bestromt und zieht einen Kolben/Magnetanker 2 an. Der Kolben bzw. der Magnetanker 2 läuft in einem Zylinder 3. Während dieses Vorgangs wird in den Verdichtungsraum 4 Kraftstoff angesaugt. Wird das Magnetfeld abgeschaltet, schiebt eine Feder 5 den Kolben/Magnetanker 2 nach vorne und komprimiert den Kraftstoff und schiebt Diesen wieder aus.
Bei einem anderen Typ der Pumpe kann das Prinzip auch umgekehrt werden, d. h. dass der Kraftstoff beim Ausschalten des Magnetventils angesaugt und beim Einschalten verdichtend ausgestoßen wird.
Durch das Kolbenprinzip bewegt sich der Kolben hin und her und erzeugt ein Betriebsgeräusch, das durch die Arbeitsfrequenz sowie der Eigenfrequenz und harmonische Oberwellen der mechanischen Komponenten, insbesondere beim Auftreten an den mechanischen Anschlägen charakterisiert ist. Bekannt ist es, diese Geräuschemissionen durch mechanische und/oder hydraulische Dämpfungsmechanismen zu minimieren. Diese Vorgehensweise liefert nicht immer ausreichend befriedende Ergebnisse oder ist in der Regel mit höheren Kosten bei der Pumpe verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ergibt sich die Möglichkeit, dass die subjektiv wahrgenommene Betriebsgeräusche solcher Hubkolbenpumpen effektiv zu reduzieren sind. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen andere Betriebsgeräusche vorhanden, z. B. beim Einsatz einer Kraftstoffpumpe in Verbrennungsmotoren, kann durch die beschriebene Ansteuerstrategie die Charakteristik des Pumpenbetriebsgeräusches günstig verändert werden. Dabei wird das Pumpengeräusch maskiert, d. h. in den Hintergrund gerückt und wird nicht mehr als störend wahrgenommen.
Erfindungsgemäß erfolgt die elektrische Ansteuerung für den jeweiligen Betriebspunkt für eine mittlere Fördermenge oder Frequenz der Pumpe nicht mit einer regelmäßigen Taktrate sondern mit einer unregelmäßigen Folge von Ansteuerimpulsen, bei denen die Pausenzeiten im Tastverhältnis variiert werden. Nach jedem Pumpenhub wird die Pausenzeit bis zur nächsten Bestromung verändert. Die Zuweisung der neuen Pausenzeit erfolgt in einer stochastischen Abfolge mit der Besonderheit, dass die mittlere Taktrate und damit die mittlere Pumpenfördermenge für den jeweiligen Betriebspunkt konstant bleiben.
Als Folge dieser Ansteuerstrategie ändert sich die Geräuschcharakteristik der Pumpe. Der dominierende tonale Anteil des Geräusches verändert sich in Richtung eines Rauschens. Die einzelnen Spektrallinien verlieren an Amplitude und es entsteht ein breites Geräuschspektrum mit geringen Amplituden. Die Gesamtschallleistung wird durch dieses Verfahren nicht zwangsläufig reduziert. Subjektiv jedoch wird das Geräusch deutlich unauffälliger, insbesondere wenn bereits ein ähnliches Hintergrundgeräusch in der Anwendung vorhanden ist, beispielsweise beim Laufen eines Verbrennungsmotors.
In der 2 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise dargestellt. Diese Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Kraftstoffpumpe in einer Brennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Sie kann auch bei anderen Anwendungen entsprechender Hubschieberpumpen eingesetzt werden.
In einem ersten Schritt 200 wird eine mittlere Taktrate TR berechnet. Diese mittlere Taktrate TR wird ausgehend von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine berechnet. Dabei wird ausgehend von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine zu fördernde Kraftstoffmenge berechnet. Ausgehend von dieser zu fördernder Kraftstoffmenge wird dann die Taktrate errechnet.
Ausgehend von der Taktrate TR wird in einem Block 210 eine Pausenzeit Toff und in Block 220 eine Einschaltzeit Ton berechnet. Die Einschaltzeit Ton ist die Zeitdauer für die die Magnetspule pro Ansteuerung bestromt wird. Die Pausenzeit Toff ist die Zeitdauer in der die Magnetspule pro Ansteuerung nicht bestromt ist. Die Taktrate entspricht der Häufigkeit der Ansteuerung in einem bestimmten Zeitraum und ist daher ein Maß für die Frequenz der Ansteuerung. Die Taktrate TR legt die Gesamtzeit der Ansteuerung und damit die Summe der Einschaltzeit Ton und der Pausenzeit Toff fest.
Bei einer hohen Taktrate, das heißt einer häufigen Ansteuerung, wird viel Kraftstoff gefördert. Bei einer kleinen Taktrate, das heißt einer seltenen Ansteuerung wird wenig Kraftstoff gefördert.
Um den die Kraftstoffförderung an den Bedarf der Brennkraftmaschine ist es besonders vorteilhaft, wenn die Taktrate TR im Block 200 abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Vorzugsweise wird hierzu die Taktrate TR aus einem Kennfeld ausgelesen.
Ein Block 230 gibt einen Variationswert V vor, mit dem die Pausenzeit Toff im Additionspunkt 235 variiert wird. Dadurch wird die Pausenzeit Toff zwischen zwei Ansteuerpulsen für jeden Ansteuerzyklus stochastisch variiert. Die Variation kann dabei in diskreten Schritten oder kontinuierlich erfolgen. Für eine Realisierung auf einem Steuergerät sind dabei diskrete Schrittanzahlen in 2er-Potenzschritten vorteilhaft (2, 4, 8, 16,...). Die Variation der Pausenzeit in der o.g. Auflösung erfolgt dabei innerhalb eines sinnvollen maximalen Verstellintervalls. Als vorteilhaft hat sich dafür eine maximale Abweichung von etwa +/–20% bezogen auf die mittlere Periodendauer gezeigt, je nach Einsatzbereich und den akustischen Eigenschaften der Anwendung. Die Ermittlung der Schrittweiten muss dabei so erfolgen, dass der Mittelwert der Pausenzeitvariationen null ist, da sich sonst die mittlere Fördermenge verändert. Für die Umsetzung in einem Steuergerät ist die Umsetzung mit diskreten Schritten vorteilhaft. Das maximale Verstellintervall wird dann durch die Anzahl der ermittelten diskreten Schritte geteilt und einem binären Zahlencode zugeordnet. Über eine digital oder analog erzeugte Zufallsfolge wird nun zwischen den Codes, also den quantifizierten Schrittweiten, nach jedem Pumpzyklus umgeschaltet.
Die so variierte Pausenzeit ToffV gelangt zu der Endstufe 240, die die Magnetspule 1 entsprechend bestromt.
Die stochastische binäre Abfolge kann z.B. aus einer Pseudozufallsfolge gewonnen werden, die auf elektronische Weise einfach mit rückgekoppelten Schieberegistern oder softwareseitig auf einem Rechner bzw. Microcontroller generiert werden kann. Pseudozufallsfolge bedeutet, dass die Verteilung zwar stochastisch ist, sich aber nach einer bestimmten Länge der Folge wiederholt. Je länger die Folge, desto höher ist die Qualität der Zufallsfolge. Die Erzeugung von Zufallsfolgen ist an sich bekannt.
Durch eine solche Vorgabe des Variationswerts kann erreicht werden, dass der Mittelwert der Variationswerte den Wert null annimmt. Werden die Variationswerte mittels einer anderer Vorgehensweise vorgegeben, so ist vorgesehen, dass diese Vorgabe derart erfolgt, dass der Mittelwert der Variationswerte den Wert Null annimmt.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Kolbenpumpe, wobei die Kolbenpumpe mit einer bestimmten Taktrate (TR) und einer bestimmten Pausenzeit (Toff) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pausenzeiten (Toff) stochastisch variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktrate (TR) ausgehend von einer Pumpenfördermenge berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pausenzeit von Ansteuerung zu Ansteuerung um einen Variationswert (V) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Variationswert (V) diskrete Werte annimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Variationswert (V) in seinem Absolutwert begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert der Variationswerte (V) den Wert Null annimmt.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, alle Schritte eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.
Steuergerät, das ausgebildet ist, alle Schritte eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Programmcode zusammen mit Verarbeitungsanweisungen zum Erstellen eines auf einem Steuergerät ablauffähigen Computerprogramms, wobei der Programmcode das Computerprogramm nach Anspruch 7 ergibt, wenn sie gemäß der Verarbeitungsanweisungen in ein ablauffähiges Computerprogramm umgewandelt werden.