DE102017209272A1

DE102017209272A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Förderpumpe

Info

Publication number: DE102017209272A1
Application number: DE102017209272.6A
Authority: DE
Inventors: Rohit Joshi; Christian Bayer; Jens Marquetand
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-12-06
Also published as: CN108980020B; CN108980020A; KR20180131973A; KR102601562B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zum Betreiben einer als Hubmembranpumpe oder Hubkolbenpumpe ausgebildeten elektrischen Förderpumpe, bei dem zum Ausführen eines Förderhubs innerhalb einer Gesamtperiodendauer durch Teil-Ansteuerung während einer Ansteuerphase eine Magnetspule der Förderpumpe über eine solange Impulsdauer mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt wird, dass ein Ankeranschlag der Förderpumpe in einem Zeitabstand (Δt) nach der Ansteuerphase erreicht wird und der Zeitpunkt des Ankeranschlags über eine Auswertung des Stromverlaufs eines Spulenstroms, der über die Magnetspule fließt, festgestellt wird, wobei die Dauer des Zeitabstands (Δt) vorgegeben wird und das Ende der Impulsdauer so gewählt wird, dass ein vorgegebener Zeitabstand (Δt) eingehalten wird. Damit können Ansteuerkonzepte für die Förderpumpe, welche zur Vermeidung von Geräuschen, Vibrationen und rauem Lauf eingesetzt werden, hinsichtlich der Förderleistung und/ oder der Geräuschentwicklung optimiert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer als Hubmembranpumpe oder Hubkolbenpumpe ausgebildeten elektrischen Förderpumpe, bei dem zum Ausführen eines Förderhubs innerhalb einer Gesamtperiodendauer durch Teil-Ansteuerung während einer Ansteuerphase eine Magnetspule der Förderpumpe über eine solange Impulsdauer mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt wird, dass ein Ankeranschlag der Förderpumpe in einem Zeitabstand (Δt) nach der Ansteuerphase erreicht wird und der Zeitpunkt des Ankeranschlags über eine Auswertung des Stromverlaufs eines Spulenstroms, der über die Magnetspule fließt, festgestellt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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 NO_x-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.
In aktuellen SCR-Dosiersystemen, welche beispielsweise von der Anmelderin für PKW unter Denoxtronic 5.x bekannt sind, wird für die Förderung der Harnstoff-Wasserlösung (auch als AdBlue® bekannt) in den Abgastrakt und zum SCR-Katalysator eine Hubmembranpumpe verwendet. Der Anker dieser Pumpe wird durch die über eine Spule induzierte Magnetkraft bewegt. Diese beschleunigt den Anker, der dadurch einen Förderhub ausführt. Der anschließende Saughub wird über eine Feder realisiert, die den Anker zurück in seine Ausgangsposition bewegt. Für den Aufbau der Magnetkraft wird die Spule für eine vorgegebene Zeit bestromt. In der aktuellen Serie richtet sich diese Dauer nach der Bewegung des Ankers. Erreicht dieser Anker seine mechanische Endposition am Anschlag wird dies im ausgelesenen Stromsignal der Magnetspule sichtbar. Wenige Millisekunden nach diesem Ereignis wird die Bestromung der Magnetspule beendet, das Magnetfeld baut sich ab und durch die Federkraft bewegt sich der Anker zurück in die Ausgangsposition. Da während der gesamten Bewegung des Ankers eine Beschleunigung durch die Magnetkraft stattfindet, erreicht dieser eine gewisse Geschwindigkeit und schlägt mit entsprechendem Impuls am Anschlag an. Durch dieses plötzliche Abbremsen des Ankers entsteht ein ungewolltes Geräusch.
Das Anschlaggeräusch lässt sich durch zwei Maßnahmen reduzieren: Dämpfen des Anschlages, was den Nachteil hat, das Stromsignal und dadurch die Beobachtbarkeit der Ankerbewegung zu verfälschen, oder die Reduktion der Ankergeschwindigkeit. Anstatt wie bisher die Bestromung der Magnetspule während der gesamten Bewegung des Ankers zu aktivieren wird im 2. Lösungsansatz der Strom für die Spule kurz vor der Anschlagposition des Ankers abgeschaltet. Dadurch wird der Anker nicht weiter beschleunigt und durch das verbleibende Magnetfeld und die Federkraft wird er sogar verlangsamt. Dies führt zu einer geringeren Geschwindigkeit des Ankers mit einem geringeren Impuls im Anschlag und somit einem leiseren Geräusch.
Die DE 10 2014 225200 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung einer Hubkolbenpumpe, wobei die Hubkolbenpumpe eine Flüssigkeit in einen Druckbereich mit einem Druckspeicher fördert, wobei ein Druck in dem Druckbereich gemessen und durch die Hubkolbenpumpe in einem vorgegebenen Druckbereich gehalten wird, wobei die Hubkolbenpumpe durch eine periodisch ein- und ausgeschaltete Versorgungsspannung angesteuert wird und wobei die Versorgungsspannung der Hubkolbenpumpe bestimmt wird. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest aus der vor einem Hub an der Hubkolbenpumpe anliegenden Versorgungsspannung und dem vor dem Hub in dem Druckbereich vorliegenden Druck eine Ansteuerdauer für den nächsten Hub der Hubkolbenpumpe bestimmt und vorgegeben wird. Gemäß der DE 10 2014 225200 A1 kann die Ansteuerung der Hubkolbenpumpe derart erfolgen, dass die Ansteuerdauer des nächsten Hubes so gewählt wird, dass ein Anker der Hubkolbenpumpe seinen Anschlagspunkt gerade erreicht oder dass der Anker seinen Anschlagspunkt gerade nicht erreicht. Wird die Ansteuerdauer so gewählt, dass der Anker gerade seinen Anschlagspunkt erreicht, so werden der volle Hub und damit die maximale Fördermenge der Hubkolbenpumpe je Hub erreicht. Gleichzeitig wird die Ansteuerung der Hubkolbenpumpe unmittelbar nach Erreichen des Anschlages beendet, so dass der Anker schnellstmöglich wieder in seine Ruheposition zurückfällt und der nächste Hub gestartet werden kann. Somit wird eine für die gegebenen Betriebsbedingungen maximale Förderleistung bei gleichzeitig minimaler Verlustleistung der Hubkolbenpumpe erreicht. Wird die Ansteuerdauer derart begrenzt, dass der Anker seinen Anschlagspunkt gerade nicht erreicht, kann die Geräuschentwicklung der Hubkolbenpumpe gegenüber einem anschlagenden Anker deutlich reduziert werden. Zusätzliche kostenintensive Maßnahmen zur Geräuschdämmung können so eingespart werden. Da die Ansteuerung so gewählt ist, dass der Flug des Ankers kurz vor seinem Anschlagspunkt beendet wird, wird fast der vollständige Hubweg durchlaufen, so dass die Fördermenge gegenüber einem anschlagenden Anker nur geringfügig reduziert ist. Weiterhin beschreibt die DE 10 2014 225200 A1 , dass zur Optimierung des Druckaufbauverhaltens und zur Berechnung der Ansteuerdauer der Hubkolbenpumpe eine modellbasierte Regelstrecke als Software in der Steuereinheit hinterlegt ist.
Problematisch ist bei derartigen Ansteuerkonzepten, welche auch als Akustikfunktion oder NVH-Betriebsmodus (Noise-Vibration-Harshness, also die Vermeidung von Geräuschen, Vibrationen und rauem Lauf) bezeichnet wird, dass sich das bei dieser Ansteuerung resultierende Stromsignal nur schwer hinsichtlich einer Ankerbewegung und weiterer Informationen für den Pumpenbetrieb sowie für die Steuerung der Pumpe auswerten lässt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Ansteuerkonzept für derartige Hubmembranpumpen sowie einen Algorithmus zur Auswertung eines solchen Stromsignals insbesondere bei einer NVH-Ansteuerung bereit zu stellen.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 10 gelöst.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Dauer des Zeitabstands (Δt) vorgegeben wird und das Ende der Impulsdauer so gewählt wird, dass ein vorgegebener Zeitabstand (Δt) eingehalten wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass der Zeitabstand (Δt) geräuschoptiert und/ oder optimiert hinsichtlich der Förderleistung der Förderpumpe vorgegeben werden kann, ohne andere Parameter im Einzelnen berücksichtigen zu müssen.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass ein Ist-Wert des Zeitabstandes (Δt_ist) erfasst oder ermittelt wird und durch Wählen des Endes der Impulsdauer auf den vorgegebenen Zeitabstand (Δt) eingeregelt wird, der als Sollwert zugeführt wird. Das Ende der Impulsdauer zur Einhaltung von Δt kann auf Basis voran gegangener Anschlagzeitpunkte bzw. nur eines voran gegangenen Anschlagzeitpunktes bestimmt werden und die Einregelung des Ist-Wertes von Δt auf einen Sollwert von Δt kann dann für den nächsten Zyklus erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante kann der vorgegebene Zeitabstand (Δt) nach Maßgabe einer Optimierung zwischen möglichst geringer Geräuschemission und möglichst effizienter Förderleistung bestimmt werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn, je nach Einsatzort der Förderpumpe, unterschiedliche Betriebsphasen vorliegen, bei denen es einerseits auf hohe Förderleistung ankommt oder im anderen Fall eher die Geräuschminimierung im Vordergrund steht.
Die Ansteuerspannung kann in allen zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten als im Wesentlichen konstante Gleichspannung oder als pulsweitenmodulierte Spannung zugeführt werden, was jeweils von der Betriebsphase der Förderpumpe abhängig sein kann.
Eine Verfahrensvariante sieht vor, dass dann, wenn der Zeitpunkt des Ankeranschlags aus dem Stromverlauf nicht erkannt wird, der Zeitpunkt des Ankeranschlags bei der Teil-Ansteuerung auf Basis des Zeitpunktes für einen Beginn der Ankerbewegung und auf Basis eines zeitbasierten Systemdruckes und einem Sättigungsstrom modellhaft kalkuliert wird. Im Unterschied zur DE 10 2014 225200 A1 wird im normalen Betriebsablauf die Druckermittlung für die Ankeransteuerung nicht genutzt, sondern die Feststellung des Anschlagzeitpunktes aus der Stromkurve, wobei dieser Zeitpunkt im Normalfall auch in der Stromkurve bei Teil-Ansteuerung feststellbar ist. Nur zu Beginn des Betriebs oder wenn der Anschlagzeitpunkt aus der Stromkurve nicht erkennbar ist, kann zum Bestimmen des Zeitpunktes z.B. auch der Druck bzw. Druckverlauf genutzt werden. Das Druckmodell basiert auf Zeitpunkten für den MSP (Zeitpunkt des Ankeranschlages) und den BMP (Zeitpunkt Beginn der Ankerbewegung). Der Unterschied zwischen MSP-basierten Druck (p_MSP) und BMP-basierten Druck (p_BMP) wird verwendet, um einen Druckkorrekturwert (p_corr) abzuleiten. Der Druck auf Basis von BMP (p_BMP) wird mit dem Druckkorrekturwert (p_corr) korrigiert und ein Enddruck-Modellwert (p_MDL) abgeleitet.
Dabei kann ein Delta-Druck (Δp) als Differenz zwischen einem Druck während des Ankeranschlags und einem Druck bei Beginn der Ankerbewegung bestimmt und daraus der Zeitpunkt des Ankeranschlags bei Teil-Ansteuerung bestimmt werden, und darauf basierend der Betriebsmodus mit der Teil-Ansteuerung geregelt werden.
Es kann auch, während der Betriebsmodus mit Teil-Ansteuerung aktiv ist und die Förderpumpe mit einer Teil-Ansteuerung beaufschlagt wird, eine in bestimmten Druckintervallen initiierte Voll-Ansteuerung mit einer bestimmten Impulszeit basierend auf einem bei der letzten Ankerbewegung ermittelten gültigen Hub erfolgen, wobei geprüft wird, ob der Delta-Druck (Δp) kleiner ist als ein applizierbarer Schwellwert, und falls dies der Fall ist, der Betriebsmodus mit Teil-Ansteuerung fortgesetzt wird. Dies ist nicht erforderlich, wenn der Delta-Druck (Δp) größer ist als der Schwellwert, während die Ankerbewegung langsam genug ist, eine Schallemission zu reduzieren.
In einer weiteren Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass für den Betriebsmodus mit Teil-Ansteuerung während der Kalkulation und einer Berechnung der Impulsdauer für die Teil-Ansteuerung unterschieden wird, ob der Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung aus dem Stromverlauf nachweisbar oder nicht nachweisbar ist, wonach dann unterschiedliche Berechnungsstrategien angewendet werden, um die Impulsdauer einzustellen.
Für den Fall, dass der Zeitpunkt Ankeranschlag aus dem Stromverlauf nicht nachweisbar ist, kann in vorteilhafter Weise zur Erkennung eines Ankeranschlags bei Teil-Ansteuerung ein mehrstufiger numerischer Erkennungs-Algorithmus zur Bestimmung des Zeitpunktes des Ankeranschlags bei Teil-Ansteuerung angewendet werden, der zumindest teilweise die Schritte

i.) Aufnahme des aktuellen Spulenstromverlaufs während eines Pumpenhubs,
ii.) Extrahieren des Spulenstromverlaufs vom Zeitpunkt des Ansteuerstopps bis zum Zeitpunkt, bei dem der Spulenstrom kleiner ist als ein applizierbarer Schwellwert, Filtern des Signals nach schritt ii.),
iv.) Spiegeln des gefilterten Signals,
v.) Bildung der zweiten Ableitung des Signals,
vi.) Bildung eines induktiven Durchschnitts des Ausgangssignals nach Schritt iv.), vii.). Filtern des Ausgangssignals nach Schritt v.),
viii.) Maximalwertbestimmung im Ausgangssignal von Schritt vi.) auf der linken Seite und anschließender Durchführung einer Minimalwertbestimmung auf der rechten Seite des Ausgangssignals nach Schritt vi.),
ix.). Berechnung eines Differenzwertes zwischen Maximalwert und Minimalwert aus Schritt viii.) und speichern des Differenzwertes und Suche nach dem ersten Maximalwert auf der rechten Seite des Ausgangssignals nach Schritt vi.),
x.) Überprüfung, ob dieser nächste Maximalpunkt größer ist als der letzte Maximalpunkt, und, wenn diese Bedingung erfüllt ist, anschließende Suche nach einem Minimalpunkt auf der rechten Seite des neuen Maximalpunktes
xi.) Berechnung eines Differenzwertes zwischen dem neuen Maximalwert und dem neuen Minimalwert,
xii.) Überprüfung des neuen Differenzwertes aus Schritt xi.), ob dieser größer ist als der alte Differenzwert aus Schritt ix.) und, wenn diese Bedingung erfüllt ist, Überschreiben des alten Maximalwertes mit dem neuen Maximalwert und Überschreiben des alten Differenzwertes aus Schritt ix.) mit dem neuen Differenzwert aus Schritt xi.) xiii.) Fortfahren nach der Suche für die vollständige Kurve von der linken zur rechten Seite und Bestimmung von Maximalwerten in der Kurve mit maximalem Differenzwert,
xiv.) Überprüfung, ob dieser Maximalwert größer ist als ein vorgebbarer Schwellenwert und ob der Differenzwert größer als dieser Schwellwert ist, und, wenn diese Bedingungen erfüllt sind, Identifikation als Anschlagszeitpunkt für eine partielle Ansteuerung und
xv.) Indizierung des Anschlagzeitpunktes

Eine bevorzugte Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens mit seinen Varianten sieht den Einsatz in einem Dosiersystem zur Ansteuerung einer Förderpumpe, insbesondere einer Hubmembranpumpe vor, welches üblicherweise aus einer Dosiereinheit mit der Förderpumpe 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 stickoxidreduzierende 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, 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 Schaltströme, minimiert werden kann.
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 und Einrichtungen zur Stromverlaufsanalyse des Spulenstroms, z.B. ADC-Einheiten und Filterfunktionen. Die Implementierung kann dabei zumindest teilweise Softwarebasiert 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.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

1 beispielhaft ein technisches Umfeld für die Erfindung,
2 in einem ersten Verlaufsdiagramm einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstroms einer Förderpumpe und
3 in einem zweiten Verlaufsdiagramm einen Ansteuerverlauf für die Förderpumpe.

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.
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 (Electronic Control Unit), wie sie bei Dieselmotoren üblich ist, implementiert sein. Die Dosiereinheit 80 weist als wesentliche Komponente eine Förderpumpe 81 auf, welche als Hubkolbenpumpe bzw. Hubmembranpumpe 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.
2 zeigt in einem Verlaufsdiagramm 100 einen Stromverlauf 103 für einen Spulenstrom 101 der Förderpumpe 81 in Abhängigkeit von der Zeit 102 für eine Ansteuerung eines Hubs der Förderpumpe 81 als Teil der Gesamtperiodendauer bis zur nächsten Ansteuerung. Dargestellt sind ein Stromverlauf bei einer Voll-Ansteuerung 103 und ein Stromverlauf für eine Teil-Ansteuerung 104 für einen NVH-Betriebsmodus zur Geräuschreduzierung.
Der Stromverlauf bei einer Voll-Ansteuerung 103 zeigt nach einem Zeitpunkt für den Beginn der Ankerbewegung 107 (BMP) nach Durchlaufen eines Maximums einen charakteristischen Signaleinbruch, wobei das dabei auftretende Minimum als Zeitpunkt für den Ankeranschlag bei Voll-Ansteuerung 106 (MSP-FA) gewertet wird. Im weiteren Verlauf ergibt sich ein durch die Rückstellfeder bedingter Saughub bei Voll-Ansteuerung 108, welcher als charakteristisches lokales Maximum beim Spulenstrom 101 erkennbar und das Saughubende bei Voll-Ansteuerung 110 im Allgemeinen gut detektierbar ist.
Der Stromverlauf im NVH-Betriebsmodus 104 zeigt nach dem Zeitpunkt für den Beginn der Ankerbewegung 107 (BMP) nach Durchlaufen eines Maximums keinen charakteristischen Signaleinbruch. Der Zeitpunkt für den Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 105 (MSP-PA) tritt im Verlauf später auf und lässt sich durch bestimmte Suchalgorithmen, wie es die Erfindung offenbart, ermitteln. Im weiteren Verlauf ergibt sich ebenfalls ein Saughub bei Teil-Ansteuerung 109 mit seinem Saughubende 111, dessen Auftretungszeitpunkt zu einem früheren Zeitpunkt gegenüber dem Saughubende bei Voll-Ansteuerung 110 verschoben ist (Zeitverschiebung 112).
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Dauer eines Zeitabstandes 114 (Δt) vorgegeben wird und das Ende der Impulsdauer, d.h. der Zeitpunkt Ansteuerende 113 bei Teilansteuerung 105 derart gewählt wird, dass der vorgegebene Zeitabstand 114 (Δt) eingehalten wird. In einem konkreten Ausführungsbeispiel kann ein Ist-Wert des Zeitabstandes (Δt_ist) erfasst oder ermittelt werden und durch Wählen des Endes der Impulsdauer auf den vorgegebenen Zeitabstand 114 (Δt) eingeregelt werden, der als Sollwert zugeführt wird. Der vorgegebene Zeitabstand 114 (Δt) wird nach Maßgabe einer Optimierung zwischen möglichst geringer Geräuschemission und möglichst effizienter Förderleistung bestimmt. Die Ansteuerspannung kann im Wesentlichen als konstante Gleichspannung oder als pulsweitenmodulierte Spannung zugeführt werden.
Dieser NVH-Betriebsmodus zum Druckaufbau im System wird nur in einer Motor-Stopp-Phase oder, wenn die Motordrehzahl niedriger ist als ein Schwellenwert und das Fahrzeug sich im Stillstand befindet, aktiviert.
In diesem Betriebsmodus werden die Energie der Ankerbewegung und damit die Geschwindigkeit des Ankers vor Erreichen des Ankeranschlages (MSP) reduziert, um die gewünschte Schallreduzierung erzielen zu können. Im normalen Pumpen-Betriebsmodus, wenn der Anker den Ankeranschlag MSP erreicht, trifft der Anker mit maximaler Energie auf, was zu einer hohen Schallemission führt.
Während der NVH-Betriebsmodus aktiv ist, wird die Ansteuerung der Magnetspule derart angewandt, dass die Energiezufuhr an der Magnetspule ausgeschaltet wird, bevor der Anker den Ankeranschlag MSP erreicht. Auf diese Weise kann die Beschleunigung der Ankerbewegung verringert werden. Durch die Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers am mechanischen Anschlag ergibt sich eine reduzierte Schallemission. Wird hingegen die Energiebeaufschlagung der Magnetspule der Förderpumpe 81 zu früh abgeschaltet bzw. verringert, kommt es zu einem unvollständigen Förderhub, der sich negativ auf den Volumenstrom des zu fördernden Mediums auswirkt. Es kommt also im NVH-Betriebsmodus darauf an, die Energiezufuhr bzw. die Ansteuerung der Magnetspule zum richtigen Zeitpunkt zu tätigen, um einerseits einen vollen Hub zu gewährleisten und andererseits dabei die Aufprallgeschwindigkeit derart zu reduzieren, dass es zu einer deutlich reduzierten Schallemission kommt.
Im normalen Pumpenbetätigungsmodus erfolgt die Bestimmung der Impulszeit für den nächsten Takt auf Basis der Bestimmung des Zeitpunktes für den letzten Ankeranschlag bei einer Voll-Ansteuerung (MSP-FA = Zeitpunkt Ankeranschlag bei Voll-Ansteuerung 105). Im NVH-Betriebsmodus wird die Ansteuerung vor dem Auftreten des MSP-FA gestoppt, so dass der Stromverlauf im NVH-Betriebsmodus 104 von einem Stromverlauf bei Voll-Ansteuerung 103 für den Spulenstrom 101 der Förderpumpe 81 unterschiedlich sein kann.
Zur Erkennung eines Zeitpunktes für einen Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung (MSP-PA = Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106) wird ein neuer Algorithmus benötigt, um den Ankeranschlag bei geringer Aufprallenergie detektieren zu können. Um einen vollen Hub mit weniger Aufprallgeschwindigkeit zu gewährleisten, sollte der Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 (MSP-PA) innerhalb einer definierten Zeit nach der Teilbetätigung angezeigt werden, was durch ein Erfassen des MSP-PA in dieser Zeit erreicht werden kann. Wird der MSP-PA nicht erkannt, wird gemäß der Erfindung die Teil-Ansteuerung basierend auf einer Zeit für den Beginn der Ankerbewegung 107 (BMP) und einem zusätzlichen zeitbasierten Systemdruck sowie aus einem Sättigungsstrom berechnet.
Das Druckmodell basiert auf Zeitpunkten für den MSP und den BMP. Der Unterschied zwischen MSP-basierten Druck (p_MSP) und BMP-basierten Druck (p_BMP) wird verwendet, um einen Druckkorrekturwert (p_corr) abzuleiten. Der Druck auf Basis von BMP (p_BMP) wird mit dem Druckkorrekturwert (p_corr) korrigiert und ein Enddruck-Modellwert (p_MDL) abgeleitet.
Wenn ein Delta-Druck (Δp) als Differenz zwischen MSP-Druck und Druck-BMP (Δp = p_MSP - p_BMP) weniger ist als eine vorgebbare Schwelle, dann wird nur der NVH-Betriebsmodus aktiviert werden. Der NVH-Betriebsmodus ist nicht erforderlich, wenn der Delta-Druck (Δp) größer ist als der Schwellwert, während die Ankerbewegung langsam genug ist, die Schallemission zu reduzieren.
3 zeigt in einem weiteren Verlaufsdiagramm 200 den Ansteuerverlauf 203, bei dem ein Ansteuer-Mode 201 in Abhängigkeit des Drucks 202 dargestellt ist. Während der NVH-Betriebsmodus aktiv ist und das System die Pumpe mit einer Teil-Ansteuerung 204 beaufschlagt, erfolgt z.B. in 1 bar-Schritten (basierend auf BMP) eine Voll-Ansteuerung 205 mit einer Impulszeit basierend auf einem beim letzten BMP gültigen Hub, wobei geprüft wird, ob der Delta-Druck (Δp) geringer ist als der Schwellwert. Ist dies der Fall, wird der NVH-Betriebsmodus aktiviert oder fortgesetzt. In dieser Phase erfolgt eine Teil-Ansteuerung 204.
Wenn eine Voll-Ansteuerung 205 nach einer Teil-Ansteuerung 204 erfolgt, wird die Impulsdauer basierend auf einer beim letzten BMP gültigen Hub ermittelten Impulsdauer sowie aus einem Vertrauenszeitraum bestimmt. Dieser Vertrauenszeitraum berechnet sich aus dem Systemdruck und dem Sättigungsstrom. Dabei gilt: $t_{Impuls, FA} = {ti}_{BMP, n-1} + {ti}_{confi}$
mit ${ti}_{confi} = f (p {, I}_{sat})$
wobei t_Impuls, _FA die Impulsdauer bei Voll-Ansteuerung, ti_BMP, _n-1 die Impulsdauer beim letzten BMP gültigen Hub, ti_confi der Vertrauenszeitraum, p der Systemdruck und I_sat der Sättigungsstrom ist.
Wenn das System den vollen Hub ausführt, wird per Software der Druckkorrekturwert (p_corr) für die Druckmodellrechnung bis zum nächsten vollen Hub eingefroren.
Der nächste Hub nach dem vollen Hub wird ein Teil-Hub sein, wobei dieser Hub auf der letzten Teil-Hub-Dauer basiert und die Druckmodellberechnung aus einem Druck zur Loslaufzeit BMP des Teil-Hubs und dem Korrekturdruck (p_corr) basierend auf dem letzten vollen Hub bestimmt werden. Es gilt: $p_{MDL} = p_{BMP} - p_{corr}$
Korrekturdruck ist eine Funktion des BMP-Drucks und des MSP-Drucks, während die Pumpe den vollen Hub durchgeführt: $p_{corr} = f (p_{MSP}, p_{BMP})$
Für den NVH-Betriebsmodus benutzt die Software zwei Strategien zur Ansteuerung der Förderpumpe 81:

- Eine Berechnung der Impulsdauer für eine Teil-Ansteuerung t_Impuls, _PA, wenn der Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA nachweisbar ist, was mit Schritt 3 und 4 der nachfolgenden Berechnungsschritte erfolgt, und
- Eine Berechnung der Impulsdauer für eine Teil-Ansteuerung t_Impuls, _PA, wenn der Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA nicht nachweisbar ist, was mit Schritt 5 der nachfolgenden Berechnungsschritte erfolgt.

Das Auswerteverfahren umfasst die folgenden Schritte:

1. Der erste Hub sollte ein voller Hub sein, die Impulsdauerberechnung basiert auf dem Druckmodell und Sättigungsstrom $t_{Impuls, FA, n=1} = f (p {, I}_{sat})$
2. Berechnung des Delta-Drucks (Δp) aus dem ersten Takt und Einfrieren des Korrekturdruckes p_corr für weitere Hübe, das Druckmodell wird mit diesem Korrekturdruck p_corr für die weiteren Hübe bis zum nächsten Voll-Hub berechnet: $p_{MDL} = p_{BMP} - p_{corr}$
3. Durchführung eines Teil-Hubs wenn Δp kleiner als der Schwellenwert ist.
4. Berechnung der Impulsdauer für eine Teil-Ansteuerung t_Impuls, _PA, basierend auf den nachfolgenden Funktionen, wenn der Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA erkannt wird: $t_{Impuls, n} = f (Δ t_{error, n-1}, {ti}_{Impuls, n-1})$
$Δ t_{PA, meas, n} = {ti}_{MSP-PA, n-1} - {ti}_{Impuls, PA, n-1}$
wobei Δt_error, _n-1 eine Fehler-Differenzzeit und Δt_PA, _meas, _n eine gemessene Zeitdifferenz ist
5. Bestimmung eines Sollwertes für eine Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA und dem End-Zeitpunkt der 205 abgeleitet nach folgender Formel $Δ t_{PA, setpoint} = f (p_{BMP, n-1}, I_{sat,n-1})$
6. Wenn der Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA nicht detektiert wird, aber immer noch Δp kleiner als eine definierte Schwelle ist, wird eine alternative Teil-Ansteuerung 205 aktiviert, welche folgenden Bedingungen unterliegt: $t_{Impuls, n} = {ti}_{BMP-PA, n-1} + {ti}_{confi, n}$
${ti}_{confi, n} = f (p_{BMP, n-1}, I_{sat, n-1}) * f_{1} * f_{2}$
mit $f_{1} = f (Δ p_{BMP, n}) und$
$f_{2} = f (Δ I_{sat, n})$
wobei f₁ und f₂ Faktoren sind, die sich aus Differenzdrücken bei Beginn der Ankerbewegung (BMP) einerseits und aus Differenzwerten für den Sättigungsstrom andererseits ergeben, welche modellhaft hinterlegt sind.
7. Falls im gleichen Druckaufbau-Zyklus der Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA einmal erkannt wird und später nicht mehr, ist vorgesehen, den Suchalgorithmus neu zu implementieren. Dazu wird die Impulszeit auf einen Standardwert basierend auf Schritt 6 zurückgesetzt und der Suchalgorithmus neu gestartet. Während der Suchalgorithmus ausgeführt wird, ist sicherzustellen, dass die Impulszeit nicht der für eine Voll-Ansteuerung entspricht oder nur daraus ein unvollständiger Hub resultiert. Dies kann einerseits durch eine Begrenzung der Impulsdauer bis zu einer maximalen Zeit erreicht werden, welche vom letzten vollen Hub ableitbar ist, und andererseits durch eine Begrenzung der Impulszeit auf eine Minimum-Zeit, welche aus Schritt 6 ableitbar ist.

Ein numerischer Algorithmus für die Detektion des Zeitpunktes Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA umfasst zumindest teilweise die Schritte:

1. Aktueller Spulenstromverlauf im NVH-Betriebsmodus 104 während eines Pumpenhubs aufnehmen,
2. Extrahieren des Spulenstromverlaufs vom Zeitpunkt des Ansteuerstopps bis zu dem Zeitpunkt, bei dem der Spulenstrom kleiner ist als ein applizierbarer Schwellwert,
3. Filtern des Signals,
4. Spiegeln des gefilterten Signals,
5. Bildung der zweiten Ableitung des Signals,
6. Bildung eines induktiven Durchschnitts des Ausgangssignals nach Schritt 4,
7. Filtern des Ausgangssignals von Schritt 5,
8. Maximalwertbestimmung im Ausgangssignal von Schritt 6 auf der linken Seite. Nach Maximalwertbestimmung Durchführung einer Minimalwertbestimmung auf der rechten Seite des Ausgangssignals nach Schritt 6,
9. Berechnung eines Differenzwertes zwischen Maximalwert und Minimalwert aus Schritt 8 und speichern des Differenzwertes und Suche nach dem ersten Maximalwert auf der rechten Seite des Ausgangssignals nach Schritt 6,
10. Wenn dieser nächste Maximalpunkt größer ist als der letzte Maximalpunkt, Suche nach einem Minimalpunkt auf der rechten Seite des neuen Maximalpunktes,
11. Berechnung eines Differenzwertes zwischen neuem Maximalwert und neuem Minimalwert,
12. Wenn der neue Differenzwert aus Schritt 11 größer ist als der alte Differenzwert aus Schritt 9, Überschreiben des alten Maximalwertes mit neuem Maximalwert und Überschreiben des alten Differenzwertes aus Schritt 9 mit neuem Differenzwert aus Schritt 11,
13. Fortfahren nach der Suche für die vollständige Kurve von der linken zur rechten Seite und Bestimmung von Maximalwerten in der Kurve mit maximalem Differenzwert,
14. Wenn dieser Maximalwert größer ist als ein vorgebbarer Schwellenwert und der Differenzwert größer als dieser Schwellwert ist, wird ein Zeitpunkt Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA für einen partiellen Hub MSP-PA erkannt,
15. Indizierung des Zeitpunktes Ankeranschlag bei Teil-Ansteuerung 106 ti_MSP, _PA für den partiellen Hub MSP-PA.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014225200 A1 [0006, 0015]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer als Hubmembranpumpe oder Hubkolbenpumpe ausgebildeten elektrischen Förderpumpe (81), bei dem zum Ausführen eines Förderhubs innerhalb einer Gesamtperiodendauer durch Teil-Ansteuerung (106) während einer Ansteuerphase eine Magnetspule der Förderpumpe (81) über eine solange Impulsdauer mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt wird, dass ein Ankeranschlag der Förderpumpe (81) in einem Zeitabstand (Δt) nach der Ansteuerphase erreicht wird und der Zeitpunkt des Ankeranschlags über eine Auswertung des Stromverlaufs (103) eines Spulenstroms (101), der über die Magnetspule fließt, festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Zeitabstands (Δt) vorgegeben wird und das Ende der Impulsdauer so gewählt wird, dass ein vorgegebener Zeitabstand (Δt) eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ist-Wert des Zeitabstandes (Δt_ist) erfasst oder ermittelt wird und durch Wählen des Endes der Impulsdauer auf den vorgegebenen Zeitabstand (Δt) eingeregelt wird, der als Sollwert zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Zeitabstand (Δt) nach Maßgabe einer Optimierung zwischen möglichst geringer Geräuschemission und möglichst effizienter Förderleistung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerspannung als im Wesentlichen konstante Gleichspannung oder als pulsweitenmodulierte Spannung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Zeitpunkt des Ankeranschlags aus dem Stromverlauf (103) nicht erkannt wird, der Zeitpunkt des Ankeranschlags bei der Teil-Ansteuerung (106) auf Basis des Zeitpunktes für einen Beginn der Ankerbewegung (107) und auf Basis eines zeitbasierten Systemdruckes und einem Sättigungsstrom modellhaft kalkuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Delta-Druck (Δp) als Differenz zwischen einem Druck während des Ankeranschlags und einem Druck bei Beginn der Ankerbewegung bestimmt und daraus der Zeitpunkt des Ankeranschlags bei Teil-Ansteuerung (106) bestimmt wird, und darauf basierend der Betriebsmodus mit der Teil-Ansteuerung (204) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Betriebsmodus mit Teil-Ansteuerung (204) aktiv ist und die Förderpumpe (81) mit einer Teil-Ansteuerung (204) beaufschlagt wird, eine in bestimmten Druckintervallen initiierte Voll-Ansteuerung (205) mit einer bestimmten Impulszeit basierend auf einem bei der letzten Ankerbewegung ermittelten gültigen Hub erfolgt, wobei geprüft wird, ob der Delta-Druck (Δp) kleiner ist als ein applizierbarer Schwellwert, und falls dies der Fall ist, der Betriebsmodus mit Teil-Ansteuerung (204) fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betriebsmodus mit Teil-Ansteuerung (204) während der Kalkulation und einer Berechnung der Impulsdauer für die Teil-Ansteuerung (204) unterschieden wird, ob der Zeitpunkt Ankeranschlag (106) bei Teil-Ansteuerung aus dem Stromverlauf (103) nachweisbar oder nicht nachweisbar ist, wonach dann unterschiedliche Berechnungsstrategien angewendet werden, um die Impulsdauer einzustellen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung eines Ankeranschlags bei Teil-Ansteuerung (204) ein mehrstufiger nummerischer Erkennungs-Algorithmus zur Bestimmung des Zeitpunktes des Ankeranschlags bei Teil-Ansteuerung (204) angewendet wird, der zumindest teilweise die Schritte i.) Aufnahme des aktuellen Spulenstromverlaufs während eines Pumpenhubs, ii.) Extrahieren des Spulenstromverlaufs vom Zeitpunkt des Ansteuerstopps bis zum Zeitpunkt, bei dem der Spulenstrom kleiner ist als ein applizierbarer Schwellwert, iii.) Filtern des Signals nach schritt ii.), iv.) Spiegeln des gefilterten Signals, v.) Bildung der zweiten Ableitung des Signals, vi.) Bildung eines induktiven Durchschnitts des Ausgangssignals nach Schritt iv.), vii.). Filtern des Ausgangssignals nach Schritt v.), viii.) Maximalwertbestimmung im Ausgangssignal von Schritt vi.) auf der linken Seite und anschließender Durchführung einer Minimalwertbestimmung auf der rechten Seite des Ausgangssignals nach Schritt vi.), ix.). Berechnung eines Differenzwertes zwischen Maximalwert und Minimalwert aus Schritt viii.) und speichern des Differenzwertes und Suche nach dem ersten Maximalwert auf der rechten Seite des Ausgangssignals nach Schritt vi.), x.) Überprüfung, ob dieser nächste Maximalpunkt größer ist als der letzte Maximalpunkt, und, wenn diese Bedingung erfüllt ist, anschließende Suche nach einem Minimalpunkt auf der rechten Seite des neuen Maximalpunktes xi.) Berechnung eines Differenzwertes zwischen dem neuen Maximalwert und dem neuen Minimalwert xii.) Überprüfung des neuen Differenzwertes aus Schritt xi.), ob dieser größer ist als der alte Differenzwert aus Schritt ix.) und, wenn diese Bedingung erfüllt ist, Überschreiben des alten Maximalwertes mit dem neuen Maximalwert und Überschreiben des alten Differenzwertes aus Schritt ix.) mit dem neuen Differenzwert aus Schritt xi.) xiii.) Fortfahren nach der Suche für die vollständige Kurve von der linken zur rechten Seite und Bestimmung von Maximalwerten in der Kurve mit maximalem Differenzwert, xiv.) Überprüfung, ob dieser Maximalwert größer ist als ein vorgebbarer Schwellenwert und ob der Differenzwert größer als dieser Schwellwert ist, und, wenn diese Bedingungen erfüllt sind, Identifikation als Anschlagszeitpunkt für eine partielle Ansteuerung und xv.) Indizierung des Anschlagzeitpunktes umfasst.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ansteuerung einer Förderpumpe (81) in einem Dosiersystem (60), bestehend aus einer Dosiereinheit (80) mit der Förderpumpe (81) und einer Einspritzeinheit (70) mit einem Dosierventil (71), mit dem im Hochlastbetrieb einer als Dieselmotor ausgeführten Brennkraftmaschine (1) zur Sickoxidreduktion in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Stickoxid-Speicherkatalysator Kohlenwasserstoffe in Form von Dieselkraftstoff in einen Abgaskanal (30) eindosiert werden, oder mit dem eine stickoxidreduzierende Harnstoff-Wasserlösung in Strömungsrichtung des Abgases vor einem SCR-Katalysator (40) eindosiert wird.
Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit (91), zum Betreiben einer Förderpumpe (81), welche als Hubkolbenpumpe oder Hubmembranpumpe ausgeführt ist, wobei eine Magnetspule der Förderpumpe (81) in einer Ansteuerphase innerhalb einer Gesamtperiodendauer bis zur nächsten Ansteuerung mit einem Spannungssignal ansteuerbar ist und eine Ankerbewegung der Förderpumpe (81) über eine Auswertung eines Stromverlaufs (103) eines Spulenstroms (101), der über die Magnetspule fließt, auswertbar ist, und wobei zur Dämpfung von Geräuschen zumindest zeitweise während eines Hubs die Ansteuerung der Magnetspule vorzeitig unterbrechbar ist, um damit eine Reduktion der Geschwindigkeit des Ankers vor dem Anschlag in seine Endposition zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (91) Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, insbesondere Einrichtungen zur Stromverlaufsanalyse des Spulenstroms (101) umfasst.