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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Rückförderpumpe, welche als Hubkolbenpumpe ausgeführt ist, wobei eine Magnetspule der Rückförderpumpe in einer Ansteuerphase innerhalb einer Gesamtperiodendauer bis zur nächsten Ansteuerung mit einem pulsweitenmodulierten Spannungssignal beaufschlagt wird und eine Ankerbewegung der Rückförderpumpe über eine Auswertung eines Stromverlaufs eines Spulenstroms, der über die Magnetspule fließt, ausgewertet wird.
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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, werden beispielsweise stickoxidreduzierende Harnstoff-Wasserlösungen gezielt mittels Dosiersystemen in den Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem SCR-Katalysator eingespritzt, wobei sich dabei Ammoniak bildet, welches hilft, den NOx-Gehalt im Abgas zu reduzieren. SCR steht für „selective catalytic reduction“. Das SCR-System besteht aus einem Tank und einer Fördereinheit, welche ein Harnstoff-Wassergemisch aus einem Tank über eine Filtereinheit absaugt, einen Systemdruck aufbaut und über ein Dosierventil in den Abgasstrang eines Dieselfahrzeugs einspritzt.
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Zum Fördern und zum Rückfördern des Betriebsmediums werden Hubkolbenpumpen eingesetzt. Es sind hierbei zwei Pumpen verbaut, eine zum Förden des Betriebsmediums und eine zum Zurücksaugen des Betriebsmediums. Das System selber besitzt üblicherweise keinen Drucksensor, der den Betriebsdruck des Betriebsmediums erfasst.
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Es muss hierzu eine mathematische Ableitung der elektrischen Parameter der Förderpumpe vorgenommen werden. Auf Grund des Betriebsdrucks bewegt sich der Anker der Pumpe bei einem kleinen Betriebsdruck früher und schneller, bei höherem Druck bewegt sich der Anker später und bei einem höheren Stromniveau. Die Auswertung der Ankerbewegung der Rückförderpumpe wird über eine Stromerfassung des Pumpenstroms durchgeführt, wobei aus dem Stromverlauf die Ankerbewegung auswertbar ist. Diese Auswertung der Bewegung ist sehr kompliziert und setzt voraus, dass der Stromverlauf ohne störende Artefakte erfasst wird.
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Das Pumpprinzip der Hubkolbenpumpe erzeugt durch die Konstruktion der Pumpe als solches Anschlaggeräusche des Pumpenankers, wenn dieser in den Anschlag in Vorwärtsrichtung auftrifft, ebenso wenn er in den Anschlag in Rückwärtsrichtung auftrifft. Während des Pumpvorganges des Betriebsmediums in Richtung der Dosiereinrichtung sind diese Anschlaggeräusche weniger störend, denn die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs ist in Betrieb und überdeckt teilweise diese Geräusche. Dem gegenüber sind die Anschlaggeräusche während des Betriebs der Rückförderpumpe oder Rücksaugpumpe störender, da zu diesem Zeitpunkt die Brennkraftmaschine außer Betrieb ist. Derzeit erfolgt die Ansteuerung der Rückförderpumpe mit einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung in Form eines PWM-Spannungssignals. Die Stromsteuerung über die Pulsweitenmodulation wird bewerkstelligt, in dem die On-Zeit und die Off-Zeit der Endstufe gesteuert wird, bei gleichbleibender Ansteuerungsträgerfrequenz. Über die Induktivität der Spule ergibt sich dann ein gemittelter Strom.
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Diese Art der Ansteuerung verursacht allerdings Probleme: Die bestehende Funktion betrachtet nicht den Spulenstrom. Es wird vielmehr ein Spulenstrom eingestellt, bei dem (nach mathematischen Berechnungen) sich der Anker bewegen sollte. Die Ansteuerfrequenz ist hierbei typischerweise 1,5 kHz. Der Strom wird vorsichtshalber höher eingestellt als nötig, damit die Funktion sicher dargestellt wird. Der Ankeranschlag ist deutlich hörbar wegen des Energieüberschusses, wobei die Trägerfrequenz von 1,5 kHz auch deutlich als „Piepsen“ hörbar ist, da 1,5 kHz im sehr gut hörbaren Bereich des menschlichen Ohres liegt. Außerdem gibt es keinerlei Rückmeldung der Pumpe, dass sich diese bewegt hat. Die Diagnose ist also nur unzureichend.
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Daraufhin wurden etliche Überlegungen gestartet, die diese Rückförderpumpe während ihres mechanischen Anschlags leiser machen können. Alle diese Überlegungen zielen darauf hin, dass der Betriebsstrom dieser Pumpe im Anzugsmoment so limitiert wird, dass dem Anker gerade noch so viel Energie zugeführt wird, dass die Pumpe den Anker sicher bewegen kann, aber nicht mehr mit einer zu großen Energie, damit der Energieüberschuss den Anker zu sehr beschleunigt und damit einen zu lauten Anschlag verursacht. Hierzu wird die Rücksaugpumpe mit einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung beaufschlagt. Diese Pulsweitenmodulation mit einer Trägerfrequenz von z.B. 1,5 kHz wird so lange in ihrem mittleren Strom erhöht, bis sich im Stromverlauf die Ankerbewegung abzeichnet. Dies geschieht schrittweise von Ansteuerung zu Ansteuerung, z.B. erste Ansteuerung 1,0 A mittlerer Strom, zweite Ansteuerung mit 1,1 A mittlerer Strom, dritte Ansteuerung mit 1,2 A usw., so lange bis der Level erreicht ist, bis sich die Ankerbewegung im Stromverlauf abzeichnet. Das ist dann der Erkennungsmechanismus, dass sich der Anker bewegt hat. Die Stromerhöhung wird auch hier über die Pulsweitenmodulation bewerkstelligt, in dem die An-Zeit der Endstufe vergrößert und sich die Off-Zeit verringert, bei gleichbleibender Ansteuerungsträgerfrequenz. Über die Induktivität der Spule ergibt sich dann ein gemittelter Strom. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem, dass der zu messende Strom zur Auswertung, ob die Ankerbewegung erfolgt ist, gänzlich frei von Messartefakten sein muss, damit man die mathematischen Analysefunktionen anwenden kann. Ebenso wird bei dieser Maßnahme nur der Ankeranschlag akustisch reduziert, die Trägerfrequenz von 1,5 kHz ist aber immer noch deutlich zu hören.
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Die
DE 10 2013 207 345 A1 beschreibt beispielsweise ein derartiges Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenpumpe, umfassend die Schritte Ermitteln eines Spulenstroms I
Spule einer Magnetspule der Hubkolbenpumpe, Bestimmen des Zeitpunkts t
MSP des mechanischen Stopps der Hubkolbenpumpe und Ändern eines Gradienten eines Anstiegs des Spulenstroms I
Spule mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung (PWM). Ein großes PWM-Verhältnis resultiert in einer hohen Effektivspannung und einem steilen Anstieg des Spulenstroms. Ein kleines PWM-Verhältnis resultiert in einer kleinen Effektivspannung und einem flachen Anstieg des Spulenstroms. Dieses 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 ohne jedoch das „Piepsen“ der Trägerfrequenz zu unterdrücken.
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Die
DE 10 2004 002 454 B4 beschreibt ein Dosierpumpsystem, insbesondere zur dosierten Brennstoffzufuhr zu einem Fahrzeugheizgerät, umfassend eine Dosierpumpe mit wenigstens einem zwischen zwei Bewegungsendstellungen bewegbaren Dosierpumpenelementes und einen dem wenigstens einen Dosierpumpenelement zugeordneten Dosierpumpenelementenantrieb, wobei der Dosierpumpenelementenantrieb eine Spulenanordnung und eine Ansteuervorrichtung umfasst, welche zum Bewegen des wenigstens einen Dosierpumpenelements in wenigstens einer Bewegungsrichtung die Spulenanordnung zur Erzeugung einer Magnetkraftwechselwirkung ansteuert, wobei die Ansteuervorrichtung dazu ausgebildet ist, die Spulenanordnung während eines einem Dosierpumpenelementenbewegungsvorgang entsprechenden Ansteuerintervalls (I
ein) wenigstens phasenweise gepulst anzusteuern, wobei ein Tastverhältnis (I
ein'/Iaus') der gepulsten Ansteuerung während eines Ansteuerintervalls (I
ein) wenigstens phasenweise abnimmt. Die Frequenz der Dosierpumpenelementenbewegung liegt im Bereich von 1 bis 20 Hz. Die Frequenz der gepulsten Ansteuerung liegt im Bereich von 200 bis 2000 Hz. Auch hier ergeben sich immer noch Probleme mit der deutlich hörbaren PWM-Ansteuerfrequenz.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, eine alternative Ansteuerung insbesondere mit einer anderen PWM-Ansteuerfrequenz bereitzustellen, wobei auch Aspekte zur Vermeidung von EMV-Störungen und zur Reduzierung der Bauteilbelastung, insbesondere die von Schaltendstufen Berücksichtigung finden.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, 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 11 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass während der Ansteuerphase in unterschiedlichen Bestromungsabschnitten der Ansteuerphase das pulsweitenmodulierte Spannungssignal mit jeweils unterschiedlicher Frequenz erzeugt wird. Damit kann erreicht werden, dass je nach Bestromungsabschnitt während der Ansteuerphase die PWM-Signalfrequenz vorgegeben werden kann, die einerseits ein sicheres Betreiben der Förderpumpe ermöglicht, eine eindeutige Detektion der Ankerbewegung bzw. eines Ankeranschlags sicher stellt und insbesondere die eingangs beschriebene Geräuschemission reduzieren hilft, wobei auch EMV-Aspekte durch die Wahl der Ansteuerfrequenz und der Zeitdauer vorteilhaft umgesetzt werden können. Dabei ergeben sich zudem Vorteile hinsichtlich der Reduzierung der thermischen Belastung der dazu erforderlichen Schaltendstufe als auch hinsichtlich der Reduzierung einer Bauteilalterung, insbesondere die von Kondensatoren.
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Eine besonders vorteilhafte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass im ersten Bestromungsabschnitt nach Start der Ansteuerphase die Magnetspule zunächst mit einem pulsweitenmodulierten Spannungssignal mit sehr niedriger Frequenz oder mit lediglich einem Gleichspannungssignal beaufschlagt wird und in einem zweiten Bestromungsabschnitt, in dem die Ankerbewegung z.B. aufgrund mathematischer Auswertverfahren des Stromverlaufs bzw. aufgrund von hinterlegten Erfahrungswerten zu erwarten ist, auf ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal mit hoher Frequenz umgeschaltet wird. Insbesondere kann mit dieser hohen Frequenz in diesem zweiten Bestromungsabschnitt erreicht werden, dass störende Artefakte, wie sie eingangs erwähnt wurden, oder sogenannte „Ripples“, also wellenförmige Überlagerungen im Stromverlauf des Spulenstroms geglättet werden können, womit die Auswertequalität hinsichtlich Ankerbewegung bzw. Ankeranschlag erhöht werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn für das pulsweitenmodulierte Spannungssignal im zweiten Bestromungsabschnitt eine Frequenz gewählt wird, welche knapp oberhalb des menschlichen Hörspektrums oder im oberen Bereich des menschlichen Hörspektrums liegt. Damit kann das störende „Piepsen“ quasi unhörbar gemacht werden.
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Dabei hat sich eine Frequenz im zweiten Bestromungsabschnitt im Bereich von 12 kHz bis 20 kHz, typischerweise bei 15 kHz als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Andererseits ergeben sich bei derart hohen Frequenzen auch EMV-Störungen, die es ebenfalls zu vermeiden gilt. Hier gilt es, Grenzwerte bei der Abstrahlung einzuhalten. Die Grenzwerte sind einerseits individuell nach Anwendungsbereichen (Industrie, Heimbereich oder KFZ-Technik, ...) und individuell nach Kundenanforderung unterschiedlich. Die Grenzwerte sind auch frequenzabhängig und sind aufgeteilt in Frequenzbereiche. Diese Frequenzbereiche orientieren sich dabei nach technischen Frequenzen (Langwelle (LW), Mittelwelle (MW), Kurzwelle (KW), Ultrakurzwelle (UKW), ...). Zusätzlich unterscheiden sie sich dadurch, dass nach Breitbandstörer und nach Schmalbandstörer unterschieden wird. Die Unterscheidung Breitband/Schmalbandstörer wird durch die Messtechnik durchgeführt. Prinzipiell gibt es einen Spitzenwertdetektor zur Bestimmung der Peak-Werte (pk) und einen Mittelwertdetektor zur Bestimmung der Average-Werte (av). Schmalbandige Störer sind immer und zur jeder Zeit vorhanden, breitbandige Störer nur vereinzelt, also nicht immer. Dies wird z.B. dadurch unterschieden, wenn in der Messung bei einer bestimmten Messfrequenz der Peak- Wert und der Average-Wert den selben Wert haben. Dies bedeutet, dass im Mittel der Mittelwert genauso stark ist wie der Spitzenwert, was bedeutet, dass bei dieser Frequenz eine Störquelle ist, die dauerhaft auf dieser Frequenz „sendet“, bzw. abstrahlt. Die Messungen in der EMV-Abstrahlung beginnen in aller Regel bei 150 kHz, also beginnend mit dem Frequenzbereich der Langwelle (LW). Vereinzelt werden auch tiefere Frequenzen bewertet, wenn der Kunde in seinem Fahrzeug Sender hat, die eine tiefe Trägerfrequenz besitzen. Dies kann z.B. der Reifendrucksensor sein oder das „Keyless entry“-System. Wenn man die Rückförderpumpe mit beispielsweise 15 kHz ansteuert, also im oberen hörbaren Spektrum, um möglichst kleine Strommessartefakte zu bekommen, dann werden diese 15 kHz in der EMV-Emissionsmessung deutlich dargestellt, da die Oberwellen von diesen 15 kHz im Bereich der Langwelle (LW) und teilweise im nachfolgenden Bereich der Mittelwelle (MW) als Störquelle angezeigt werden. Bei der Spitzenwertmessung ist es unerheblich, ob diese 15 kHz nur sehr kurz oder dauerhaft vorhanden sind. Die Spitzenwertmessung erkennt, dass Strahlungsspitzen vorhanden sind und bewertet nicht die Häufigkeit. Die Häufigkeit als solches wird von der Mittelwertmessung aufgezeichnet. Sind die 15 kHz mit den dazugehörigen Oberwellen dauerhaft vorhanden, so zeigt die Mittelwertmessung das selbige Niveau an wie bei der Spitzenwertmessung. Sind diese 15 kHz aber nur kurz da, dann verringert sich der Mittelwert entsprechend anteilig zur Auftretensdauer. Hierbei kann man mit erster Näherung einen Dreisatz ansetzen. Wäre während einer Messung dauerhaft die 15 kHz als Trägerfrequenz vorhanden, ist der Mittelwert identisch mit dem Spitzenwert. Ist diese Frequenz aber anteilig nur ein Zehntel der Zeit da, dann liegt der Wert dieser Messung auch nur bei einem Zehntel des Spitzenwertes. Da der Grenzwert von der Mittelwertmessung aber immer tiefer liegt als der Grenzwert der Spitzenwertmessung kann man sich diesen Effekt zu Nutze machen. Die Aufgabe dabei ist es, die Dauer der 15 kHz-Frequenz möglichst kurz zu wählen. Daher ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, die Zeitdauer des zweiten Bestromungsabschnitts in Bezug zur Gesamtperiodendauer bis zur nächsten Ansteuerphase der Magnetspule mit maximal 30%, typisch zwischen 15% und 25% vorzugeben. Damit können die zuvor beschrieben EMV-Störungen auf Werte unterhalb der Grenzwerte limitiert werden.
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Um zu erreichen, dass die Bestromung mit hoher Frequenz im zweiten Bestromungsabschnitt nur auf die notwendige Dauer begrenzt wird, um die o.g. EMV-Störungen zu minimieren, kann vorgesehen sein, diese Phase zu beenden, sobald eine Ankerbewegung durch Auswerten des Stromverlaufs detektiert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass nach dem zweiten Bestromungsabschnitt mit hoher Frequenz für das pulsweitenmodulierte Spannungssignal in einem dritten Bestromungsabschnitt eine Nachbestromung mit gegenüber der Frequenz im zweiten Bestromungsabschnitt deutlich reduzierter Frequenz durchgeführt wird. Hierbei ergeben sich insbesondere Vorteile hinsichtlich der Vermeidung einer Kondensatoralterung.
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Eine Steuereinheit besitzt zum Filtern von Störungen, die durch Stromänderungen verursacht werden, Elektrolytkondensatoren in ihrer Filterbeschaltung. Diese Filter werden benötigt um Spannungsschwankungen, wie sie im Bordnetz vorkommen, abzuschwächen, da sie Energie speichern können. Genauso stellen sie auch einen „Strompuffer“ dar, um interne Schaltvorgänge in der Steuereinheit mit Energie zu versorgen, damit diese Stromschwankungen nicht aus der Steuereinheit in Richtung Bordnetz wirken. Von der Steuereinheit ausgehende Stromschwankungen in das Bordnetz können EMV- Abstrahlungen verursachen. Aus diesem Grund besitzt eine Steuereinheit solche Kondensatoren um die Grenzwertvorgaben der leitungsgebundenen Störabstrahlung abzufangen oder zumindest um diese abzuschwächen. Elektrolyt-Kondensatoren „altern“ im Allgemeinen. Dabei verlieren sie selber ihre Fähigkeit, einen Strom zu speichern und im Bedarfsfall schnell wieder abzugeben. Ihre Kapazität nimmt infolge der Alterung ab.
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Diese Bauteile altern unter anderem durch Temperatur, aber ebenso durch hohe Schaltströme. Wenn über die Lebensdauer sehr oft hohe Schaltströme den Elektrolytkondensator belasten, verändert das Dielektrikum im Kondensator seine chemischen Eigenschaften, die Funktion der Energiespeicherung lässt nach. Vereinfacht gesagt beschleunigt eine Stromentnahme mit einer hohen Frequenz und einem hohen Strom den Alterungsvorgang erheblich. Diesem kann entgegengewirkt werden, in dem der entnommene Strom verringert wird oder die Frequenz, mit der er entnommen wird, reduziert wird. Ebenso könnte man auch einen zweiten Elektrolytkondensator nehmen um die Speicherkapazität als solches zu erhöhen, damit man am Lebensende noch genügend Kapazität hat um eine ausreichende Pufferung der Spannung zu realisieren. Oder Kondensatoren einsetzen, die ein solches Verhalten gar nicht oder zumindest in abgeschwächter Form aufweisen. Dies alles vergrößert den Platzbedarf und auch die Kosten und ist daher nicht anzustreben. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Frequenz des pulsweitenmodulierten Spannungssignals während der Nachbestromung im dritten Bestromungsabschnitt auf einen Wert im Bereich von 200 bis 500 Hz, typischerweise auf 300 Hz zu reduzieren. Damit kann beispielsweise die Lebensdauer des Elektrolyt-Kondensators bei Reduktion der Ansteuerfrequenz von 15 kHz auf z.B. 300 Hz um rechnerisch den Faktor 50 reduziert werden.
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Ein anderer Aspekt betrifft die thermische Belastung insbesondere der Endstufen innerhalb der Steuereinheit, die zum Schalten von Lasten eingesetzt werden. Diese verursachen prinzipiell durch Ansteuerung der Last eine Eigenerwärmung. Diese Eigenerwärmung entsteht dadurch, dass durch die Endstufe ein Strom fließt, dieser wiederum über den internen Innenwiderstand der Endstufe diese erwärmt. Dieser ist aber nicht so stark von Belang. Störender sind die Schaltverluste, die entstehen, indem hohe Ströme an- bzw. abgeschaltet werden. Eine Endstufe ist ausgelegt, dass ein bestimmter Strom über die Endstufe fließt, nicht aber dass sie über Gebühr oft schaltet. Während des Schaltens entsteht eine hohe Verlustleistung, da für diesen kurzen Moment die Endstufe in einem „analogen Bereich“ betrieben wird. Hier gilt dann die Beziehung P = U × I, wobei U der Spannungsabfall, I der Schaltstrom und P die Verlustleistung ist. Da die Endstufe sich aus und einschaltet, fällt eine Spannung am als Leistungsschalter üblicherweise eingesetzten MOS-FET ab, wobei bereits schon ein gewisser Strom fließt. Im statischen „Aus-Zustand“ ist der Spannungsabfall zwar hoch am MOS-FET, es fließt aber kein Strom. Die resultierende Verlustleistung ist praktisch P = 0 W. Ist die Endstufe an, fällt an dieser Endstufe kaum eine Spannung ab (nur die, die über den Drain-Source-Widerstand RDS_on abfällt). Diese Spannung ist sehr gering, so dass die Verlustleistung in diesem Betriebspunkt eher gering ist. Je öfter der „nicht digitale Bereich“ durchschritten wird, umso öfter tritt diese, wenn auch kurze Erwärmung ein. Im Mittel erwärmt sich die Endstufe beim Einsatz einer hohen Schaltfrequenz aber über Gebühr. Dies ist auch das Problem basierend auf der Schaltfrequenz. Je höher diese Frequenz ist, umso öfter kommen diese „Erwärmungsimpulse“ und die Endstufe wird im schlimmsten Fall thermisch überlastet. Aus diesem Grund ist es auch wichtig den kompletten Ansteuerverlauf nicht mit den beispielsweise 15 kHz durchzuführen, sondern nur an den Stellen, die diese benötigen um den Stromverlauf auswertbar darzustellen. Nur an dieser Stelle sollte so hoch getaktet werden. An den anderen Stellen sollte die Ansteuerung entweder statisch als Gleichspannungsansteuerung oder mittels einer niedrigen Frequenz oder in einer Kombination aus beidem erfolgen. In einer Verfahrensvariante hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn für das pulsweitenmodulierte Spannungssignal eine moderate Schaltgeschwindigkeit vorgegeben wird, die einerseits hoch genug ist, um Erwärmungen einer Schaltendstufe zu vermeiden, und andererseits so niedrig gewählt ist, um intensive Oberwellen im Frequenzspektrum zu vermeiden. In diesem Zusammenhang kann ausgenutzt werden, dass es Endstufen gibt, mit denen man über Register im Endstufen-IC die Endstufenschaltgeschwindigkeit optimieren kann, um EMV-Ergebnisse zu verbessern. Mit einer reduzierten Endstufenschaltgeschwindigkeit (auch Slew-Rate genannt) kann man die Oberwellen, die aus der Ansteuerfrequenz heraus entstehen, minimieren. Die Ansteuerung erfolgt daher in Form von trapezförmigen Impulsen. Wenn man die Schaltgeschwindigkeit allerdings verringert (über die Slew-Rate), wird die Endstufe noch schneller in die thermische Überlast getrieben, da sie länger braucht den „analogen Bereich“ zu durchlaufen. Das gilt es, durch eine geeignete Wahl der Schaltgeschwindigkeitsvorwahl zu vermeiden. Beispielsweise lassen sich bei einer Endstufe vom Typ CJ960, wie sie die Anmelderin anbietet, unterschiedliche Slew-Rates auswählen. Beispiel: 4.5 V/µs bedeutet bei einem 12 V-System, dass der Schaltvorgang knapp 2,7 µs für die 12 V benötigt. 0,15 V/µs bedeutet bei einem 12 V-System, dass der Schaltvorgang 80 µs für die 12 V benötigt, und damit bereits ein nicht unerheblicher Wärmeimpuls für die Endstufe erzeugt wird. Andererseits werden hinsichtlich des EMV-Veraltens weniger „starke“ Oberwellen erzeugt. Hier gilt es, mit der Einstellmöglichkeit die richtige Balance zu wählen.
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Da die Ansteuerungen mit wechselnder Frequenz während einer Ansteuerphase mittels einer Software eher schwer abzubilden sind, da der Signalverlauf im zweiten Bestromungsabschnitt zur Stromverlaufsanalyse benötigt wird, kann vorgesehen sein, dass die Umschaltung der Frequenzen innerhalb der Bestromungsabschnitte mittels adaptierbarer Timer-Funktionen und/oder die Frequenzbereichsumschaltung stromabhängig durchgeführt wird. Wenn beispielsweise nach dem ersten Moment mittels einer Gleichstrom-Bestromung (Ansteuerung ohne Frequenz) ein gewisses Stromniveau erreicht wird, wird auf die beispielsweise 15 kHz umgeschaltet, bis die Ankerbewegung erkannt wird, und auf eine niedrige Trägerfrequenz umgeschaltet, die wiederum eine zeitgesteuerte Aktivierungsdauer besitzt.
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Eine bevorzugte Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens mit seinen Varianten sieht den Einsatz in einem Dosiersystem zur Ansteuerung einer Förderpumpe, insbesondere einer Rückförderpumpe vor, welches üblicherweise aus einer Dosiereinheit mit der Rückförderpumpe und einer Einspritzeinheit mit einem Dosierventil besteht, mit dem im Hochlastbetrieb einer als Dieselmotor ausgeführten Brennkraftmaschine zur Sickoxidreduktion in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Stickoxid-Speicherkatalysator Kohlenwasserstoffe in Form von Dieselkraftstoff in einen Abgaskanal eindosiert werden. Dieses Dosiersystem ist auch als DiAir-System bekannt und dient insbesondere zur Stickoxidreduktion bei Kleindieselbrennkraftmaschinen, wie sie z.B. in PKW eingesetzt werden. DiAir steht für „Diesel NOx Aftertreatment by Adsorbed Intermediate Reductants“. 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. Eine alternative Verwendung sieht den Einsatz in sogenannten SCR-Abgasreinigungsanlagen vor. Hier wird eine stickoxidre- duzierende Harnstoff-Wasserlösung (auch als AdBlue® bekannt) in Strömungsrichtung des Abgases vor einem SCR-Katalysator eindosiert. Derartige Systeme sind beispielsweise als DENOXTRONIC 5.x der Anmelderin bekannt. Hierbei werden insbesondere auch Hubkolbenpumpen zum Rückfördern des Betriebsmediums eingesetzt, bei deren Betrieb es gilt, während ihres Betriebs eine Geräuschreduzierung herbei zu führen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann einerseits das störende „Piepsen“, welches bei Ansteuerungen nach dem Stand der Technik zu hören ist, sowie andere Anschlaggeräusche weitgehend unterdrückt werden und zum anderen kann mit dem Verfahren erreicht werden, dass die thermische Belastung der dazu erforderlichen Schaltendstufe reduziert und auch Bauteilalterungen, insbesondere von Kondensatoren infolge hoher Schaltfrequenzen und/oder Schaltströmen, minimiert werden kann. Weiterhin ergeben sich die Vorteile hinsichtlich der Reduzierung der EMV-Emission.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit Einrichtungen zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens mit seinen Varianten aufweist. Dies sind insbesondere Einrichtungen zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals mit umschaltbarer Frequenz sowie Steuerbausteine zur zeitlichen Steuerung der Frequenzumschaltung in Form von adaptierbaren Timer-Bausteinen, Einrichtungen zur Stromverlaufsanalyse des Spulenstroms mit ADC-Einheiten und Filterfunktionen sowie vorzugsweise parametrierbare Schaltendstufen, bei denen z.B. die Schaltgeschwindigkeit, d.h. die Flankensteilheit des PWM-Signals vorgebbar ist. 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. Üblicherweise bedarf es dazu keiner Änderung in der Hardware, da diese Einrichtungen bereits Bestandteil von Steuereinheiten zur Ventilsteuerung sind, was die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 beispielhaft ein technisches Umfeld für die Erfindung,
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2 in einem ersten Verlaufsdiagramm einen Verlauf eines Spulenstroms einer Rückförderpumpe nach dem Stand der Technik und
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3 in einem zweiten Verlaufsdiagramm einen Verlauf des Spulenstroms der Rückförderpumpe bei einer Multifrequenz-Ansteuerung.
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1 zeigt beispielhaft ein technisches Umfeld, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Dabei beschränkt sich die Darstellung auf die für die Erklärung der Erfindung notwendigen Komponenten.
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In der 1 ist beispielhaft eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine 1, bestehend aus einem Motorblock 10 und einem Abgaskanal 30, in dem ein Abgasstrom 20 geführt ist, dargestellt. Der Abgaskanal 30 weist eine Abgasreinigungsanlage auf, welche im gezeigten Beispiel als katalytisch beschichtete Komponente in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet zunächst einen SCR-Katalysator 40 und einen Dieselpartikelfilter 50 (DPF) aufweist. Vor dem SCR-Katalysator 40 ist eine Einspritzeinheit 70 am Abgaskanal 30 angebracht, mit der eine Harnstoff-Wasserlösung eingespritzt werden kann. Die Einspritzeinheit 70 gehört zusammen mit einer Dosiereinheit 80 zu einem Dosiersystem 60, welches von einer Steuereinheit 91 angesteuert werden kann. Die Funktionalität der Steuereinheit 91 kann soft- und/oder hardwarebasiert in einer übergeordneten Motorsteuerung 90, z.B. einer ECU (Engine Control Unit), wie sie bei Dieselmotoren üblich ist, implementiert sein. Die Dosiereinheit 80 weist als wesentliche Komponente neben einer Förderpumpe eine Rückförderpumpe 81 auf, welche als Hubkolbenpumpe ausgebildet sein kann. Bei einer Mengenanforderung an das Dosiersystem 60 wird ein Dosierventil 71, welches Bestandteil der Einspritzeinheit 70 ist, geöffnet. Die hydraulische Diagnose sowie die Steuerung und Überwachung des Dosiersystems 60 erfolgt über die Steuereinheit 91.
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2 zeigt in einem Verlaufsdiagramm 100 einen Stromverlauf 103 für einen Spulenstrom 101 der Rückförderpumpe 81 in Abhängigkeit von der Zeit 102 für eine Ansteuerung eines Hubs der Rückförderpumpe 81 als Teil der Gesamtperiodendauer bis zur nächsten Ansteuerung. Nach dem Stand der Technik erfolgt die Ansteuerung mittels eines PWM-Signals mit einer typischen Frequenz von etwa 1,5 kHz über die gesamte Ansteuerphase, welche in vier Bestromungsabschnitte 104, 105, 106, 107 eingeteilt werden kann, in denen der Spulenstrom 101 über die Pulsweitenmodulation gesteuert wird. Dadurch ergibt sich ein „verrauschter“ Stromverlauf, der durch die Frequenz des PWM-Signals aber auch durch höherfrequente Oberwellen geprägt ist.
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Im ersten Bestromungsabschnitt 104 steigt zunächst der Spulenstrom mit zunehmender Pulsweite des PWM-Signals stetig an. Im zweiten Bestromungsabschnitt 105 erfolgt eine Auswertung der Ankerbewegung der Rückförderpumpe 81. Im dritten Bestromungsabschnitt 106 nähert sich der Spulenstrom einer Sättigung. Nach erfolgtem Hub der Rückförderpumpe 81 wird im vierten Bestromungsabschnitt 107 die Spannung abgeschaltet, so dass in dieser Freilauf-Phase lediglich ein abnehmender Strom fließt.
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3 zeigt in einem zweiten Verlaufsdiagramm 100 entsprechend dem ersten Verlaufsdiagramm 100 in 2 den Stromverlauf 103 nach dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren.
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Bei dieser Multifrequenz-Ansteuerung erfolgt im ersten Bestromungsabschnitt 104 zunächst eine Ansteuerung bei extrem niedriger Frequenz bzw. mit einer Dauerbestromung. Im zweiten Bestromungsabschnitt 105, innerhalb der die Ankerbewegung der Rückförderpumpe 81 zu erwarten ist, erfolgt die Ansteuerung mit einem PWM-Signal, welches eine nicht für das menschliche Gehör wahrnehmbare Frequenz aufweist. Bevorzugt liegt diese Frequenz innerhalb des zweiten Bestromungsabschnitts 105 bei größer 10 kHz, idealerweise bei 15 kHz. Dieses höherfrequente PWM-Signal liegt so lange an, bis der Ankeranschlag detektiert wird. Danach erfolgt für den dritten Bestromungsabschnitt 106 die Nachbestromung mit einem PWM-Signal, welches eine Frequenz von einigen hundert Hertz, bevorzugt etwa 300 Hz, aufweist, welche eine nur bedingt für das menschliche Gehör wahrnehmbare Frequenz darstellt. Danach folgt nach Beenden der Ansteuerung im vierten Bestromungsabschnitt 107 der Freilauf, in dem der Spulenstrom 101 abklingt und bis auf den Wert Null zurückgeht. Nach einer gewissen Pause (im Verlaufsdiagramm 100 nicht dargestellt) erfolgt eine erneute Ansteuerung der Magnetspule. Die Zeitdauer des zweiten Bestromungsabschnitts 105 beträgt etwa 20% der Gesamtperiodendauer eines Ansteuervorgangs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013207345 A1 [0009]
- DE 102004002454 B4 [0010]
