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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Förderpumpe zum Druckaufbau in einem hydraulischen System einer Dosiereinheit eines Dosiersystems, mit dem mittels eines elektromagnetischen oder piezoelektrischen Dosierventils ein Medium dosiert werden kann, wobei erforderliche Pumpvorgänge zeitlich derart verschoben werden, dass diese nicht mit der Dosierung zusammen fallen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Um die heutigen Abgasgesetzgebungen zu erfüllen, wird im Kleindieselbereich vorwiegend ein Stickoxid-Speicherkatalysator (NSC) eingesetzt. Mit ihm lassen sich Stickoxide (NO, NO2) im Abgastrakt reduzieren. Dazu werden die Stickoxide zunächst im Katalysator eingespeichert. Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, wird seitens einer Motorsteuerung ein fettes Abgasgemisch eingestellt. Dabei werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert. Dieses Verfahren funktioniert gut im niederen und mittleren Last- wie Temperaturbereich. Zur Einhaltung zukünftiger Abgasgesetzgebungen muss zusätzlich der Hochlastbereich auf Grenzwerte überwacht werden.
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Damit der Stickoxid-Speicherkatalysator (NSC) auch im Hochlastbetrieb und bei hohen Temperaturen Stickoxide reduziert, muss er in dem sogenannten DiAir-Mode betrieben werden. DiAir steht für „Diesel NOx Aftertreatment by Adsorbed Intermediate Reductants“. Hierbei werden Kohlenwasserstoffe (Hydro Carbons) vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator eindosiert, was auch als HCI (Hydro Carbons Injection) bezeichnet wird. In der Regel wird dazu zusätzlicher Dieselkraftstoff in den Abgastrakt eindosiert.
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Dazu ist ein spezielles DiAir-Dosiersystem erforderlich, was aus den Baugruppen Einspritzeinheit, im Wesentlichen bestehend aus einem Dosierventil und einem Kühlkörper, Dosiereinheit, im Wesentlichen bestehend aus einer Druckstufe (z. B. einer Förderpumpe) und einem Drucksensor, und Steuereinheit, z.B. als Hard- und/ oder Software in der Motorsteuerung implementiert, besteht.
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In derart hydraulischen Systemen mit einem Druckspeicher werden häufig elektrisch betriebene Kolbenpumpen als Förderpumpe zum Druckaufbau und ein Magnet- oder Piezoventil zur Dosierung des Mediums eingesetzt. Ist das System nicht leckagefrei muss auch ohne Dosierereignis periodisch gepumpt werden, um ein quasi-konstantes Druck-niveau aufrecht zu erhalten. Da die Dosiervorgänge von außen gesteuert und unabhängig zur Druckregelung erfolgen, können diese sich zeitlich mit einem Pumpvorgang überlappen. Dies führt zum einen zu ungewollten Druckschwankungen während das Dosierventil geöffnet ist und zum anderen zu einem erhöhten Strombedarf der Ansteuerelektronik durch gleichzeitiges Bestromen beider Magnetkreise des Dosierventils und der Pumpe. Eine zeitliche Entkopplung des Dosiervorganges und des Pumpvorganges kann dieses Problem lösen.
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In der
DE 10 2011 110 056 A1 wird z.B. dazu ausgeführt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Öffnungszeitpunkt und der Schließzeitpunkt so festgelegt werden, dass während einer Öffnungszeit zwischen dem Öffnungszeitpunkt und dem Schließzeitpunkt keine von der Pumpe ausgelöste Druckschwankung den Injektor erreicht. Vorzugsweise erreichen von der Pumpe ausgelöste Druckschwankungen den Injektor nur außerhalb der Öffnungszeit zwischen einem Schließzeitpunkt und dem darauf folgenden Öffnungszeitpunkt eines nächsten Öffnungsvorganges (siehe Abschnitt [0023]). Im Abschnitt [0037] wird weiterhin ausgeführt, dass modellhaft für den Injektordruck u.a. Ungenauigkeiten der Pumpe und/ oder des Injektors, welche sich beispielsweise als Leckage und Drift auswirken, berücksichtigt werden, ohne jedoch näher auf ein derartiges Verfahren einzugehen.
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Die
DE 10 2008 047 860 B3 beschreibt ein Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines Reduktionsmittelinjektors eines SCR-Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Reduktionsmitteltank, eine Reduktionsmittelpumpe, einen Reduktionsmittelinjektor und einen dem SCR-Katalysator nachgeschalteten NO
x-Sensor, wobei das Verfahren die Schritte Generieren und/ oder Erkennen eines Freigabe-Zustands des SCR-Systems, bei dem kein Reduktionsmittel im SCR-Katalysator gespeichert ist, Bestimmung eines Soll-NO
x-Werts im Abgas, Starten der Dichtheitsprüfung bei geschlossenem Reduktionsmittelinjektor durch Erhöhung des Reduktionsmitteldrucks, Erfassen des NO
x-Signals am NO
x-Sensor und Auswertung des NO
x-Signals umfasst. In Abschnitt [0021] wird beschrieben, dass bei gewähltem höherem Druck während der Dichtheitsprüfung die Beanspruchung des Systems heraufgesetzt wird, so dass eine Injektor-Leckage früher und/ oder deutlicher detektiert werden kann. Die Erhöhung des Drucks kann durch ein Ansteuersignal aus einer Steuerung, beispielsweise der Motorsteuerung, einer Reduktionsmittelpumpensteuerung, Abgassystemsteuerung oder einer separaten Steuerung für das Dichtheitsprüfungsverfahren initiiert werden.
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Ist der Dosierzeitpunkt der nächsten Einspritzung zeitlich vorhersagbar und für das Systemverhalten entscheidend, dann kann durch intelligente Auslegung der Druckregelung eine Überlappung der Pump- und Dosiervorgänge vermieden werden, ohne die Anforderung an den Dosierzeitpunkt zu missachten. Ein konkreter Lösungsansatz für eine entsprechende Druckregelung wird in keiner der o.g. Schriften offenbart.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine intelligente Druckregelung bereit zu stellen, mit der o.g. Konflikte zwischen Pump- und Dosiervorgängen vermieden werden können.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Verfahren für eine Druckvorhersage eine Ermittlung einer Leckagerate und eine modellhafte Vorhersage des Dosiervorganges umfasst und ein Druckniveau zum Ende eines applizierbaren Prognosezeitraumes vor einer erwarteten nächsten Einspritzung bestimmt wird. Gegenüber dem Stand der Technik hat das Verfahren den Vorteil, dass eine gleichzeitige Aktivierung der Pumpe und des Dosierventils verhindert werden kann. Druckstörungen im System durch Pumphübe, während das Dosierventil geöffnet ist, können vermieden werden. Zudem kann der Strombedarf der Ansteuerelektronik durch Vermeidung einer gleichzeitigen Bestromung beider Magnetkreise gesenkt werden.
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Dabei ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, dass das aus der Leckagerate berechnete Druckniveau zum Ende des Prognosezeitraumes mit einem applizierbaren Druckschwellwert verglichen und direkt ein Pumpenhub ausgeführt wird, wenn das prognostizierte Druckniveau unterhalb des Druckschwellwertes liegt, obwohl der Druckschwellwert für eine Pumpenregelung noch nicht erreicht ist, und alternativ dazu ein Pumpenhub verzögert ausgeführt oder ganz auf diesen verzichtet wird, wenn das prognostizierte Druckniveau über dem Druckschwellwert liegt. Zum einen kann damit ein erforderlicher Systemdruck aufrechterhalten werden, wie er für die Dosierung erforderlich ist. Anderseits kann damit verhindert werden, dass ein Pumpenhub während eines Dosiervorganges erfolgt, so dass die eingangs erwähnten Druckschwankungen, die eine exakte Dosierung stören würden, vermieden werden.
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Um eine störungsfreie Ermittlung der Leckagerate zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass die Leckagerate in Lernphasen während Betriebsphasen ohne Störung infolge einer Dosierung oder infolge eines Pumpenhubs ermittelt wird. Die Leckagerate kann über eine lineare Beziehung aus dem Prognosezeitraum und einem Druckverlust ∆p, z.B. messbar mittels eines Drucksensors, in dieser Zeit bestimmt werden. Die Leckagerate ist von Betriebsparametern, wie z.B. von der Kraftstofftemperatur, abhängig.
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Dabei kann in einer vorteilhaften Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass die Leckagerate über eine längere Zeit gemittelt wird und/ oder während dieser Lernphasen der Systemdruck sich in spezifizierten Bereichen befindet. Hiermit können einerseits kurzfristig auftretende Unregelmäßigkeiten beim Systemdruck ausgemittelt werden und andererseits undefinierte Druckzustände, die das Ergebnis der Leckratenbestimmung verfälschen würden, ausgeschlossen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass der Druckschwellwert abhängig vom aktuellen Druck und/ oder von der Dosiermenge vorgegeben wird. Dies ermöglicht beispielsweise eine dynamische Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände. Andererseits kann das Berechnungsverfahren an unterschiedliche Dosiersysteme angepasst werden.
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Eine bevorzugte Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens mit seinen Varianten sieht den Einsatz in einem Dosiersystem vor, mit dem im Hochlastbetrieb einer als Dieselmotor ausgeführten Brennkraftmaschine zur Stickoxidreduktion in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Stickoxid-Speicherkatalysator Kohlenwasserstoffe in Form von Dieselkraftstoff in den Abgaskanal eindosiert werden, wobei das Dosiersystem die Baugruppen Einspritzeinheit, im Wesentlichen bestehend aus einem Dosierventil und einem Kühlkörper, Dosiereinheit, im Wesentlichen bestehend aus einer Förderpumpe, welche als Hubkolbenpumpe ausgeführt ist, und einem Drucksensor, und eine Steuereinheit umfassen kann. Dieses Dosiersystem ist als DiAir-System bekannt und dient, wie bereits eingangs erwähnt, insbesondere zur Stickoxidreduktion bei Kleindieselbrennkraftmaschinen, wie sie z.B. in PKW eingesetzt werden. Im DiAir-Mode wird insbesondere im Hochlastbetrieb der Brennkraftmaschine zusätzlich Dieselkraftstoff eingespritzt. Zusätzlich kann diese Kraftstoffinjektion auch zur Temperaturerhöhung des Abgases während einer Regeneration eines Dieselpartikelfilters (DPF) genutzt werden. Grundsätzlich kann das Verfahren auch bei Abgasnachbehandlungssystemen eingesetzt werden, bei denen zur Stickoxidreduktion eine Ammoniak-abspaltende Flüssigkeit, z.B. eine wässrige Harnstoff-Lösung, in den Abgaskanal vor einem SCR-Katalysator eindosiert wird. Auch in solchen Systemen kann das zuvor beschriebene Verfahren zur Vermeidung von Störungen bei der Dosierung vorteilhaft angewendet werden.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit Einrichtungen zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, insbesondere Komparatoreinheiten sowie Berechnungseinheiten zur Druckniveauprognose, aufweist. Die Implementierung kann dabei zumindest teilweise Software-basiert vorgesehen sein, wobei die Steuereinheit als separate Einheit oder als integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung ausgebildet sein kann. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines Dosiersystems,
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2 in einem Verlaufsdiagramm schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunktes eines Pumpenhubs und
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3 in einem weiteren Verlaufsdiagramm exemplarisch verschiedene Signalverläufe.
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1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Dosiersystem 1, wie es eingangs beispielhaft erwähnt wurde. Dabei beschränkt sich die Darstellung auf die für die Erklärung der Erfindung notwendigen Komponenten.
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Das Dosiersystem 1 weist eine Dosiereinheit 10 auf, welche über einen Einlass 20 vom Rücklauf einer hier nicht dargestellten Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Dieselkraftstoff gespeist wird, wobei das erfindungsgemäße Verfahren nicht zwingend auf Diesel-Brennkraftmaschinen beschränkt ist. Über einen Auslass 30 kann überschüssiger Kraftstoff in einen Tank zurückfließen. In der Dosiereinheit 10 wird der Druck des Dieselkraftstoffes vom Einlass 20 über einen Förderstrang mittels einer als Hubkolbenpumpe ausgebildeten Förderpumpe 40 auf einen Einspritzdruck, typischerweise 10 bar, erhöht. Bei einer Mengenanforderung an das Dosiersystem 1 wird ein Dosierventil 60 geöffnet. Die hydraulische Diagnose sowie die Steuerung und Überwachung des Dosiersystems 1 erfolgt über einen Drucksensor 50. Ein Druckspeicher 70, z.B. ausgeführt als Kolbenspeicher, hält den Druck im System auch während einer Dosierung aufrecht. Durch eine bauartbedingte Leckage 80 wird Kraftstoff über den Auslass 30 in den Tank befördert werden. Die Förderpumpe 40, der Drucksensor 50 und das Dosierventil 60 werden von der Steuereinheit 90 angesteuert bzw. erhalten von diesen Komponenten Rückmeldungen. Die Funktionalität der Steuereinheit 90 kann soft- und/ oder hardware-basiert in einer übergeordneten Motorsteuerung, beispielsweise in einer ECU (Electronic Control Unit), wie sie bei Dieselmotoren üblich ist, implementiert sein oder ist Bestandteil einer separaten Steuereinheit.
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Eine aktuelle Leckrate infolge der Leckagen 80 kann erfindungsgemäß modellhaft in Betriebsphasen ohne Störungen infolge einer Dosierung, d.h. einer Ansteuerung des Dosierventils 60, oder einer Betätigung der Förderpumpe 40 aus einem Druckverlust ∆p 110 und einem Prognosezeitraum 109 (siehe 2) in sogenannten Lernphasen 118 (siehe 3) ermittelt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese Leckrate über eine längere Zeit gemittelt wird. In diesen Lernphasen 118 befindet sich der Systemdruck in spezifizierten Bereichen, d.h. es liegt keine abnormale Betriebsbedingung vor, wobei der Systemdruck keine oder nur eine geringfügige Druckpulsierung aufweist.
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Durch die Einführung eines Druckmodels kann das Druckniveau zum Zeitpunkt der geforderten zukünftigen Dosierung berechnet werden. Das ermöglicht, erforderliche Pumpvorgänge zeitlich derart zu verschieben, dass diese nicht mit der Dosierung zusammenfallen, aber trotzdem das geforderte Druckniveau gehalten werden kann. Dieses Druckmodell berechnet, unter Berücksichtigung des zeitlichen Abstandes zur nächsten Dosierung und der Leckagerate im System, das zu erwartende Druckniveau zum Zeitpunkt der nächsten Einspritzung. Liegt dies unterhalb einer Schwelle wird rechtzeitig vor dem eigentlichen Dosiervorgang ein Pumpenhub ausgeführt. Alternativ kann ein Pumpenhub verzögert werden, um eine Überlappung mit der Dosierung zu verhindern.
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2 zeigt schematisch in einem Verlaufsdiagramm 100 das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunktes zur Betätigung der Förderpumpe 40. Im oberen Teil der 2 ist der Verlauf von Dosierventilbetätigungen 101 in Abhängigkeit von der Zeit 103 dargestellt. Nach einer letzten Einspritzung 105 wird in einem gewissen zeitlichen Einspritzabstand 104 eine nächste Einspritzung 106 erwartet. Dieser zeitliche Einspritzabstand 104 kann modellhaft aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abgeleitet werden. Vor dieser erwarteten nächsten Einspritzung 106 sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass innerhalb des Prognosezeitraums 109 eine Analyse des Drucks 102 durchgeführt wird, was im unteren Teil der 2 detaillierter dargestellt ist.
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Der untere Teil der 2 zeigt in einem weiteren, zeitlich gedehnten Verlaufsdiagramm 100 einen Druckverlauf 113 des Drucks 102 in Abhängigkeit der Zeit 103 innerhalb des Prognosezeitraumes 109 für einen Fall A 107 und einen Fall B 108. Liegt der vorhergesagte Druck 102 zum Ende des Prognosezeitraumes 109 über einem Druckschwellwert 111, der sich aus einem Druckverlust ∆p 110, abhängig von der Leckage 80 innerhalb der Dosiereinheit 10 und des Prognosezeitraums 109 ableitet, wie dies für den Fall A 107 gezeigt ist, wird auf einen Pumpenhub 117 vor der erwarteten nächsten Einspritzung 106 verzichtet (siehe 3). Liegt der vorhergesagte Druck 102 zum Ende des Prognosezeitraumes 109 unterhalb des Druckschwelwertes 111, wie dies für den Fall B 108 gezeigt ist, wird sofort ein Pumpenhub 117 ausgeführt, obwohl ein Druckschwellwert für die Pumpenregelung 112 noch nicht erreicht ist.
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In 3 sind in einem weiteren Verlaufsdiagramm 100 exemplarisch verschiedene Signalverläufe für den Druck 102, den Druckverlauf 113 (oberer Abschnitt), für einen Dosierverlauf 114 (mittlerer Abschnitt), bei dem die Dosierventilbetätigungen 116 über die Zeit 103 dargestellt sind, wobei die Dosiervorgänge unterschiedliche zeitliche Einspritzabstände 104.0 ... 104.3 aufweisen können, und für einen Pumpverlauf 115 (unterer Abschnitt), bei dem die Pumpenhübe 117 in Abhängigkeit der Zeit 103 aufgezeigt sind, dargestellt.
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Der Druckverlauf 113 im oberen Abschnitt der 3 zeigt die typischen Schwankungen bei einem leckagebehafteten hydraulischen System mit einem Druckspeicher, wie es für das zuvor beschriebene Dosiersystem 1 der Fall ist. Infolge der Leckagen 80 kommt es zu Druckabfällen, die durch einzelne Pumpenhübe 117 der Förderpumpe 40 wieder ausgeglichen werden. Durch die Leckagen 80 bedingt schwankt der Druck 102 üblicherweise in einem Druckregelbereich 119, der durch einen Druckschwellwert für die Pumpenregelung 112 nach unten begrenzt ist. Nach einer Dosierventilbetätigung 116 sinkt der Druck 102 unter dem Druckregelbereich 119 ab und muss durch i.d.R. mehrere Pumpenhübe 117 wieder aufgebaut werden. Innerhalb der Lernphasen 118 kann, wie bereits zuvor beschrieben, die Leckagerate bestimmt werden.
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Eine Prognose des Druckniveaus erfolgt, wie bereits in 2 beschrieben, innerhalb von Prognosezeiträumen 109 direkt vor den nächsten Dosiervorgängen. Für den Fall A 107 liegt das prognostizierte Druckniveau zum Ende des Prognosezeitraums 109 oberhalb des Druckschwellwertes 111, so dass ein verzögerter Pumpenhub 120 erfolgt. Für den Fall B 108 liegt das prognostizierte Druckniveau zum Ende des Prognosezeitraums 109 unterhalb des Druckschwellwertes 111, so dass ein vorzeitiger Pumpenhub 121 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011110056 A1 [0007]
- DE 102008047860 B3 [0008]
