DE102017221577A1

DE102017221577A1 - Verfahren zur Regelung eines Drucks eines Dosiersystems

Info

Publication number: DE102017221577A1
Application number: DE102017221577.1A
Authority: DE
Inventors: Edna Boos; Roland Waschler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-06
Also published as: CN109854346B; KR102580091B1; CN109854346A; KR20190064470A

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung eines Drucks eines Dosiersystems, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eine Zweipunktregelung ist und eine Führungsgröße der Regelung eine Funktion einer Dosiermengenanforderung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Drucks eines Dosiersystems, ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium sowie ein elektronisches Steuergerät.
Stand der Technik
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass zur Aufrechterhaltung des Druckniveaus in Dosiersystemen, wie z.B. SCR-Systemen, die Ansteuerung der Pumpe druckabhängig angepasst wird. Bei Verwendung eines klassischen Zweipunktreglers wird die jeweilige Komponente bei Überschreiten eines Grenzwertes aktiviert. Besonders bei großen Mengendurchsätzen oder dynamischen Mengenanforderungen treten hierbei jedoch zeitweise ausgeprägte Änderungen des Systemdrucks auf, da die Regelung erst auf ein Abweichen des Drucks reagiert. Dieser Effekt wird verstärkt durch die Reaktionszeit der Regeleinrichtung und die Dämpfung des Systems, durch welche die Druckpulse den Systemdruck erst verzögert messbar verändern.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem Verfahren zur Regelung eines Drucks eines Dosiersystems ist die Regelung eine Zweipunktregelung und eine Führungsgröße der Regelung ist eine Funktion einer Dosiermengenanforderung.
Die Dosiermengenanforderung wird für jeden Zeitpunkt durch das Steuergerät des Dosiersystems berechnet und ist somit im Steuergerät verfügbar.
Gemäß der Regelungstechnik ist die Führungsgröße diejenige Größe, auf welche die Regelgröße geregelt werden soll. Sie ist wird von außerhalb vorgegeben. Die Regelung bildet eine Regeldifferenz zwischen Führungs- und Regelgröße und beeinflusst entsprechend über das Stellglied das zu regelnde System. Bei einer Heizung ist z.B. die Temperatur die Regelgröße und die am Thermostat eingestellte Temperatur ist die Führungsgröße. Die Regeldifferenz ist die Differenz zwischen der eingestellten und der tatsächlichen Temperatur, entsprechend der die Heizleistung erhöht oder verringert wird. Der augenblickliche Wert der Führungsgröße ist der Sollwert. Ändert sich die Führungsgröße zeitlich nicht, können beide Begriffe Führungsgröße und Sollwert synonym benutzt werden.
Ein Regelkreis funktioniert in der Regel wie folgt. Die Regelgröße y(t), welche auch Istwert genannt wird, ist eine messbare Größe eines gegebenen dynamischen Systems, welches auch Regelstrecke oder auch kurz Strecke genannt wird. Die Regelgröße y(t) hängt von einer Stellgröße u(t) und einer Störgröße d(t) ab. Die Regelgröße y(t) wird mit der Führungsgröße w(t) verglichen. Die Regelabweichung e(t) ist die Differenz zwischen Istwert und Sollwert. Es gilt somit: e(t) = w(t) - y(t). Diese Regeldifferenz wird dem Regler zugeführt, welcher daraus entsprechend dem gewünschten Zeitverhalten des Regelkreises eine Stellgröße u(t) bildet. Das Stellglied kann Bestandteil des Reglers sein, in den meisten Fällen stellt es jedoch ein separates Gerät dar.
Ein Zweipunktregler ist ein unstetig arbeitender Regler mit zwei Ausgangszuständen. Je nachdem, ob der Istwert über oder unter dem Sollwert liegt, wird der obere oder der untere Ausgangszustand eingenommen. Zweipunktregler kommen für gewöhnlich dann zum Einsatz, wenn die Stellgröße nicht stetig variabel ist, sondern nur zwei Zustände annehmen kann, z. B. ein oder aus. Ein Zweipunktregler erreicht zwar einen eingeschwungenen Zustand, kommt jedoch niemals zur Ruhe. Bei starken Änderungen der Führungsgröße kann er jedoch Regelabweichungen schneller ausregeln als es mit anderen Regelverfahren möglich ist. Ein bekanntes Beispiel für einen Zweipunktregler ist der Thermostat, der ein Heiz- oder Kühlgerät mit konstanter Leistung regelt.
Die Führungsgröße der Regelung ist eine Funktion der Dosiermengenanforderung. Dies entspricht einem Vorfilter. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine Beschleunigung des Ansprechverhaltens der Regeleinrichtung bei Änderung der Dosieranforderung erzielt werden. Ferner können Druckdrifts bei hohen Massenströmen abgefangen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform variiert eine Eingriffsgrenze der Zweipunktregelung, d.h. die Führungsgröße, zwischen $p_{n o m} - \frac{Δ p}{2}$
und p_nom. Hierbei ist p_nom ein durch die Regelung durchschnittlich zu erreichender Druck, sozusagen ein über den Verlauf des Verfahrens gemittelter Solldruck, und Δp ein Druckanstieg pro Pumpenhub. Bevorzugt ist der Druckanstieg pro Hub eine vorgegebene Druckdifferenz. Um im stationären Betrieb eine möglichst geringe absolute Abweichung vom Solldruck zu erreichen, wird der Anteil der Führungsgröße, welcher nicht von der Dosiermengenanforderung abhängt, auf p_nom - Δp/2 gesetzt. Falls somit die Zweipunktregelung bei dem Druck p_nom - Δp/2 eingreift und einen Pumpenhub von Δp erzeugt, so steigt der Druck auf p_nom + Δp/2. hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Druck um p_nom schwankt, was das ist, was erreicht werden sollte.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Führungsgröße der Regelung eine lineare Funktion der Dosiermengenanforderung. Hierbei weist die lineare Funktion bevorzugt eine positive Steigung auf. In diesem Fall wird vorteilhafterweise die Führungsgröße erhöht, falls der geforderte Massenstrom steigt, um bereits bei höheren Drücken, also geringerer Abweichung vom Solldruck, einen Pumpenhub zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil ist, dass einem Unterdruck, der aus der der Dosiermengenanforderung folgenden ebenfalls erhöhten Aktivität des Ventils resultiert, auf diese Weise vorgebeugt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Führungsgröße durch folgende Funktion gegeben: $w ({\dot{m}}_{s o l l}) = p_{n o m} - \frac{Δ p}{2} + \frac{Δ p}{2} \frac{{\dot{m}}_{s o l l}}{{\dot{m}}_{m a x}},$
wobei ṁ_soll die Dosiermengenanforderung und ṁ_max die maximale Dosiermengenanforderung ist. Diese Funktion erfüllt vorteilhafterweise die Eigenschaft, dass sowohl die Eingriffsgrenze, d.h. die Führungsgröße, zwischen $p_{n o m} - \frac{Δ p}{2}$
und p_nom variiert als auch dass die Führungsgröße der Regelung eine lineare Funktion der Dosiermengenanforderung mit positiver Steigung ist.
Die maximale Dosiermengenanforderung ist bevorzugt konstant. Das hat den Vorteil, dass auf eine bestimmte Mengenanforderung mit einer immer gleichen Eingriffsschwelle reagiert wird. Jedoch kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die maximale Dosiermengenanforderung sich zu jedem Zeitpunkt ändern. Dies hat den Vorteil, dass das System variabler
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zweipunktregelung eine Hysterese auf. Dies hat den Vorteil, dass ein Umschalten des Reglers von einem Ausgangszustand in den anderen Ausgangszustand eine vorgegebene Veränderung des Istwertes benötigt. Dies wiederum verhindert ein zu häufiges Schalten des Reglers.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Dosiersystem ein SCR-System. Hierdurch kann vorteilhafterweise der Druck eines SCR-Systems geregelt werden.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem elektronischen Steuergerät oder Rechengerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, einen Druck eines Dosiersystems zu regeln.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung von Komponenten des Dosiersystems mit einem Dosiermodul für die Reduktionsmittellösung eines SCR-Katalysators gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine dosiermengenabhängige Eingriffsgrenze eines Reglers zur Durchführung eines Verfahrens zur Regelung eines Drucks eines Dosiersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Ansteuerung einer Dosierpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche abhängig von sowohl Druck als auch Sollmassenstrom ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine 13 eines Kraftfahrzeugs. Der Abgasstrang 10 enthält eine SCR-Katalysatoreinrichtung 11, die von dem Abgas der Brennkraftmaschine 13 in Strömungsrichtung 12 durchströmt wird. Stromaufwärts der SCR-Katalysatoreinrichtung 11 befindet sich ein Dosiermodul 20, über das in bedarfsabhängiger Weise die für die SCR-Katalysatoreinrichtung 11 erforderliche Reduktionsmittellösung eingesprüht wird. Das Dosiermodul 20 wird mit einer Reduktionsmittellösung versorgt, die in einem Tank 21 bevorratet ist. Mittels einer Förderpumpe 22 wird die Reduktionsmittellösung über eine Saugleitung 23 aus dem Tank 21 entnommen und unter Druck über die Versorgungsleitung 24 zum Dosiermodul 20 gefördert. In der Versorgungsleitung 24 ist ein Druckmessgerät 25 angeschlossen, welches ebenso wie die Förderpumpe 22 mit einem Steuergerät 26 verbunden ist.
Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Druckregelung in der Versorgungsleitung 24 eine Zweipunktregelung zu verwenden.
Die Führungsgröße w ist in diesem Fall ein konstanter Sollwert, d.h. ein konstanter Druckwert. Die Regelabweichung ist die Differenz zwischen dem durch das Druckmessgerät 25 gemessenen Druck in der Versorgungsleitung 24 und dem konstanten Druckwert. Das Stellglied ist in diesem Fall ein Aktuator, welcher die Aktivität der Förderpumpe 22 verändert, d.h. entweder einen Hub oder keinen Hub der Förderpumpe 22 bewirkt. Die Regelstrecke ist das System bestehend aus Tank 21, Förderpumpe 22, Versorgungsleitung 24 und Dosiermodul 20. Die Regelgröße ist in diesem Fall der durch das Druckmessgerät 25 gemessene Druck in der Versorgungsleitung 24.
Die Zweipunktregelung funktioniert in diesem Fall wie folgt. Das Dosiermodul 20 des SCR-Systems wird von dem Steuergerät 26 so gesteuert, dass jeweils die benötigte Reduktionsmittellösung den Abgasstrang 10 eingesprüht wird. Gleichzeitig regelt jedoch die Zweipunktregelung den in der Versorgungsleitung 24 gemessenen Druck. Falls der in der Versorgungsleitung 24 gemessene Druck eine gewisse Schwelle unterschreitet, so wird der Aktuator aktiviert, welcher einen Pumpenhub bewirkt, welcher eine Erhöhung des Drucks um Δp erzielt. Falls der Druck in der Versorgungsleitung 24 den Sollwert des Drucks erreicht, so wird der Aktuator nicht weiter aktiviert wird, sodass der Druck nicht weiter erhöht wird.
2 zeigt die dosiermengenabhängige Eingriffsgrenze w des Reglers zur Pumpenansteuerung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Führungsgröße kann im vorliegenden Fall einer Zweipunktregelung auch Eingriffsgrenze genannt werden, da die Regelung bei dem dementsprechenden Wert eingreift. In 2 ist die Eingriffsgrenze des Reglers zur Pumpenansteuerung, welche in Einheiten eines Drucks gemessen wird, gegenüber einer normierten Dosiermengenanforderung aufgetragen. Die normierte Dosiermengenanforderung ist das Verhältnis der Dosiermengenanforderung ṁ_soll zur maximalen Dosiermengenanforderung m_̇̇̇max. Dieser Quotient variiert demnach zwischen dem Wert 0 und 1. Vorliegend ist die maximale Dosiermengenanforderung eine Konstante.
Die Eingriffsgrenze ist gegeben durch folgende Funktion: $w ({\dot{m}}_{s o l l}) = p_{n o m} - \frac{Δ p}{2} + \frac{Δ p}{2} \frac{{\dot{m}}_{s o l l}}{{\dot{m}}_{m a x}} .$
In 2 sieht man, dass die Eingriffsgrenze bei verschwindender Dosiermengenanforderung zwischen 6,0 und 6,1 bar, ungefähr gleich 6,03 bar, und bei maximaler Dosiermengenanforderung 6,5 bar ist. Demnach ist p_nom 6,5 bar und Δp ungefähr gleich 0,94 bar. Vorliegend ist für die maximale Dosiermengenanforderung 4 kg/h ein typischer Wert.
3 zeigt eine Ansteuerung der Pumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche abhängig von sowohl Druck als auch Sollmassenstrom ist.
In 3 ist in der oberen Teilabbildung der in der Versorgungsleitung 24 gemessene Druck p in bar gegenüber einer in Sekunden gemessenen Zeit aufgetragen. In der unteren Teilabbildung von 3 ist die normierte Dosiermengenanforderung gegenüber derselben Zeitachse aus der oberen Teilabbildung der 3 aufgetragen.
Die Regelung arbeitet wie folgt. Für jeden Wert der normierten Dosiermengenanforderung, welche auf der Zeitachse aufgetragen ist, ergibt sich anhand von 2 eine Eingriffsgrenze. Falls die Eingriffsgrenze zum jeweiligen Zeitpunkt durch den gemessenen Druck unterschritten wird, so greift die Zweipunktregelung und erzeugt einen Pumpenhub, welche den Druck im System um einen vorgegebenen Druckwert erhöht. In der oberen Teilabbildung der 3 ist dies jeweils ein Wert von 0,26 bar.
In der oberen Teilabbildung der 3 ist der Sollwert für den Druck in der Versorgungsleitung eingezeichnet, welcher p_nom, also 6,5 bar, entspricht. Ferner sind für die Zeitpunkte t₀ und t₁, zu denen die Zweipunktregelung eingreift, die entsprechenden Druckwerte eingezeichnet. Beim Zeitpunkt t₀ kann man in der unteren Teilabbildung der 3 ablesen, dass die normierte Dosiermengenanforderung 82 % beträgt. In 2 kann man ablesen, dass bei etwas mehr als 80 % für den Wert der normierten Dosiermengenanforderung die Eingriffsgrenze ca. 6,42 bar entspricht. Dies ist genau der Wert p₀, welcher in der oberen Teilabbildung von 3 eingezeichnet ist, und bei dem die Zweipunktregelung eingreift. Nach Erhöhung um 0,26 bar, weist der Systemdruck einen Wert von 6,68 bar auf, welcher auch in der oberen Teilabbildung von 3 abgelesen werden kann.
Im weiteren Verlauf nach t₀ erniedrigt sich der Systemdruck in mehreren Schritten, bis abermals die Zweipunktregelung eingreift. Zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ geschieht dies zwei weitere Male. Beim Zeitpunkt t₁ hat die normierte Dosiermengenanforderung einen Wert von 70 %. Aus 2 erhält man für diesen Wert eine Eingriffsgrenze von ca. 6,35 bar, welcher als p₁, welcher in der oberen Teilabbildung von 3 eingezeichnet ist, und bei dem die Zweipunktregelung eingreift. Nach Erhöhung um 0,26 bar, weist der Systemdruck einen Wert von 6,61 bar auf, welcher auch in der oberen Teilabbildung von 3 abgelesen werden kann.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Drucks eines Dosiersystems, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eine Zweipunktregelung ist und eine Führungsgröße der Regelung eine Funktion einer Dosiermengenanforderung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingriffsgrenze der Zweipunktregelung zwischen $p_{n o m} - \frac{Δ p}{2}$
und p_nom variiert, p_nom ein durch die Regelung durchschnittlich zu erreichender Druck ist und Δp ein Druckanstieg pro Pumpenhub ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße der Regelung eine lineare Funktion der Dosiermengenanforderung ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße gegeben ist durch folgende Funktion: $w ({\dot{m}}_{s o l l}) = p_{n o m} - \frac{Δ p}{2} + \frac{Δ p}{2} \frac{{\dot{m}}_{s o l l}}{{\dot{m}}_{m a x}},$
wobei ṁ_soll die Dosiermengenanforderung und m_̇̇max die maximale Dosiermengenanforderung ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweipunktregelung eine Hysterese aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosiersystem ein SCR-System ist.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangegangenen Anspruch gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.