WO2015193107A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung einer hubkolbenpumpe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung einer hubkolbenpumpe Download PDF

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Michael Fischer
Thorsten Allgeier
Sebastian Wedman
Walter Maeurer
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Robert Bosch Gmbh
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00—Systems controlled by a computer
    • G05B15/02—Systems controlled by a computer electric

Definitions

  • the invention is based on a device and a method for controlling a reciprocating piston pump.
  • reciprocating pumps are driven with an electrical drive signal having a specific clock rate and / or a specific duty cycle.
  • the clock rate and / or the duty ratio can be fixed or specified depending on the operating point.
  • Such reciprocating pumps are used for example for the demand of fuel in internal combustion engines.
  • the activation is preferably dependent on the operating point of the internal combustion engine.
  • Duty cycle or with a fixed clock rate have the disadvantage that the pump emits a noise that is in a certain ratio to the drive frequency of the reciprocating pump.
  • the inventive method and apparatus according to the invention with the features of the independent claims has the advantage that the noise emissions are significantly reduced. This is achieved in particular by stochastically varying the dead times of the activation. This means the pause time is changed from activation to activation.
  • the clock rate (TR) is calculated based on a pump delivery rate.
  • the pump delivery rate can be varied and adapted to the requirements.
  • Absolute value is limited. This ensures that the pause time does not fall below a minimum value below which the function of the reciprocating pump is no longer guaranteed.
  • V mean value of the variation values
  • the invention relates to program code together with processing instructions for creating a computer program executable on a controller, in particular source code with compiling and / or linking instructions, the program code providing the computer program for performing all the steps of one of the described methods, if according to the processing instructions be converted into an executable computer program, so in particular compiled and / or linked.
  • This program code can be given in particular by source code, which are downloadable, for example, from a server on the Internet.
  • Figure 1 is a schematic representation of a reciprocating pump
  • FIG. 2 shows a flow chart of the procedure according to the invention.
  • a magnetic coil 1 is energized and attracts a piston / armature 2.
  • the piston or the armature 2 runs in a cylinder 3. During this process, 4 fuel is sucked into the compression chamber.
  • a spring 5 pushes the piston / armature 2 forward and compresses the fuel and pushes it out again.
  • the principle can also be reversed, d. H. the fuel is sucked in when the solenoid valve is switched off and expelled when it is switched on.
  • the piston principle causes the piston to reciprocate, generating an operating noise characterized by the operating frequency, natural frequency and harmonic waves of the mechanical components, especially when they occur at the mechanical stops. It is known to minimize these noise emissions by mechanical and / or hydraulic damping mechanisms. This approach does not always give sufficiently satisfactory results or is usually associated with higher costs for the pump.
  • the electrical control for the respective operating point for an average delivery rate or frequency of the pump does not take place with a regular cycle rate but with an irregular sequence of control pulses in which the pause times are varied in the duty cycle.
  • the pause time is changed until the next power supply.
  • the allocation of the new pause time takes place in a stochastic sequence with the special feature that the average clock rate and thus the average pump delivery rate for the respective operating point remain constant.
  • the noise characteristic of the pump changes.
  • the dominant tonal component of the noise changes towards a noise.
  • the individual spectral lines lose their amplitude and a wide noise spectrum with low amplitudes is created.
  • the overall sound power is not necessarily reduced by this method.
  • the noise becomes much less noticeable, especially if a similar background noise is already present in the application, for example while running an internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the procedure according to the invention. This embodiment relates to a method for driving a fuel pump in an internal combustion engine.
  • the procedure according to the invention is not limited to this application. It can also be used in other applications of corresponding Hubschieberpumpen.
  • a mean clock rate TR is calculated.
  • This average clock rate TR is calculated on the basis of the operating state of the internal combustion engine. In this case, based on the operating state of the internal combustion engine, a fuel quantity to be delivered is calculated. Based on this amount of fuel to be pumped, the clock rate is then calculated.
  • a pause time Toff is calculated in a block 210 and a switch-on time Ton is calculated in block 220.
  • the switch-on time Ton is the time duration for which the solenoid is energized per control.
  • the pause time Toff is the time in which the solenoid is not energized per control.
  • the clock rate corresponds to the frequency of activation in a certain period of time and is therefore a measure of the frequency of the control.
  • the clock rate TR defines the total time of the activation and thus the sum of the switch-on time Ton and the pause time Toff. At a high clock rate, that is a frequent activation, much fuel is pumped. At a low clock rate, that is a rare control little fuel is pumped.
  • the clock rate TR is determined in block 200 depending on the operating condition of the internal combustion engine.
  • the clock rate TR is read out of a map.
  • a block 230 specifies a variation value V, with which the pause time Toff in the addition point 235 is varied.
  • the pause time Toff is stochastically varied between two drive pulses for each drive cycle.
  • the variation can take place in discrete steps or continuously.
  • discrete step numbers in 2-power steps are advantageous (2, 4, 8, 16, ).
  • the variation of the pause time in the above resolution takes place within a reasonable maximum adjustment interval.
  • a maximum deviation of approximately + / - 20% relative to the average period has been shown to be advantageous, depending on the area of use and the acoustic intrinsic switching of the application.
  • the determination of the step sizes must be done so that the mean value of the pause time variations is zero, otherwise the mean flow rate changes.
  • the so varied pause time ToffV reaches the output stage 240, which energizes the magnetic coil 1 accordingly.
  • the stochastic binary sequence can be obtained, for example, from a pseudo-random sequence, which can be generated in an electronic manner simply with feedback shift registers or by software on a computer or microcontroller.
  • Pseudo-random sequence means that although the distribution is stochastic but repeated after a certain length of the sequence. The longer the sequence, the higher the quality of the random sequence.
  • the generation of random sequences is known per se. By such a specification of the variation value can be achieved that the
  • Mean of the variation values takes the value zero. If the variation values are specified by means of a different procedure, then it is provided that this specification takes place in such a way that the mean value of the variation values assumes the value zero.

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Abstract

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

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Hubkolbenpumpe Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Ansteuerung einer Hubkolbenpumpe. Üblicher Weise werden Hubkolbenpumpen mit einem elektrischen Ansteuersignal mit einer bestimmten Taktrate und/oder einem bestimmten Tastverhältnis angesteuert. Dabei können die Taktrate und/oder das Tastverhältnis fest vorgegeben sein oder abhängig vom Betriebspunkt vorgegeben werden. Solche Hubkolbenpumpen werden beispielsweise zur Forderung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen eingesetzt. In diesem Fall ist die Ansteuerung vorzugsweise abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung Solche Verfahren zur Ansteuerung einer Hubkolbenpumpe mit einem festen
Tastverhältnis bzw. mit einer festen Taktrate haben den Nachteil, dass die Pumpe ein Geräusch emittiert, das in sich einem bestimmten Verhältnis zur Ansteuerfrequenz der Hubkolbenpumpe befindet. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass die Geräuschemissionen deutlich reduziert werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Pausenzeiten der Ansteuerung stochastisch variiert werden. Dies bedeutet die Pausenzeit wird von Ansteuerung zu Ansteuerung verändert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Taktrate (TR) ausgehend von einer Pum- penfördermenge berechnet wird. Dadurch kann durch die Vorgabe der Taktrate die Pumpenfördermenge variiert und an den Bedarf angepasst werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die der Variationswert (V) in seinem
Absolutwert begrenzt ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Pausenzeit nicht unter einen Mindestwert abfällt, unter dem die Funktion der Hubkolbenpumpe nicht mehr gewährleistet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mittelwert der Variationswerte (V) den Wert Null annimmt. Dadurch wird erreicht, dass die mittlere Taktrate konstant bleibt, bzw. sich wie gewünscht ändert.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Programmcode zusammen mit Verarbeitungsanweisungen zum Erstellen eines auf einem Steuergerät ablauffähigen Computerprogramms, insbesondere Sourcecode mit Compilier- und/oder Verlinkungsanweisungen, wobei der Programmcode das Computerprogramm zur Ausführung aller Schritte eines der beschriebenen Verfahren ergibt, wenn er gemäß der Verarbeitungsanweisungen in ein ablauffähiges Computerprogramm umgewandelt werden, also insbesondere kompiliert und/oder verlinkt werden. Dieser Programmcode kann insbesondere durch Quellcode gegeben sein, welche beispielsweise von einem Server im Internet herunterladbar sind.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 die schematische Darstellung einer Hubkolbenpumpe und
Figur 2 ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In der Figur 1 ist eine Hubkolbenpumpe dargestellt. Eine solche elektromagnetisch betriebene Hubkolbenpumpe funktioniert wie folgt:
Eine Magnetspule 1 wird bestromt und zieht einen Kolben/Magnetanker 2 an. Der Kolben bzw. der Magnetanker 2 läuft in einem Zylinder 3. Während dieses Vorgangs wird in den Verdichtungsraum 4 Kraftstoff angesaugt. Wird das Magnetfeld abgeschaltet, schiebt eine Feder 5 den Kolben/Magnetanker 2 nach vorne und komprimiert den Kraftstoff und schiebt Diesen wieder aus.
Bei einem anderen Typ der Pumpe kann das Prinzip auch umgekehrt werden, d. h. dass der Kraftstoff beim Ausschalten des Magnetventils angesaugt und beim Einschalten verdichtend ausgestoßen wird.
Durch das Kolbenprinzip bewegt sich der Kolben hin und her und erzeugt ein Betriebsgeräusch, das durch die Arbeitsfrequenz sowie der Eigenfrequenz und harmonische Oberwellen der mechanischen Komponenten, insbesondere beim Auftreten an den mechanischen Anschlägen charakterisiert ist. Bekannt ist es, diese Geräuschemissionen durch mechanische und/oder hydraulische Dämpfungsmechanismen zu minimieren. Diese Vorgehensweise liefert nicht immer ausreichend befriedende Ergebnisse oder ist in der Regel mit höheren Kosten bei der Pumpe verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ergibt sich die Möglichkeit, dass die subjektiv wahrgenommene Betriebsgeräusche solcher Hubkolbenpumpen effektiv zu reduzieren sind. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen andere Betriebsgeräusche vorhanden, z. B. beim Einsatz einer Kraftstoffpumpe in Verbrennungsmotoren, kann durch die beschriebene Ansteuerstrategie die Charakteristik des Pumpenbetriebsgeräusches günstig verändert werden. Dabei wird das Pumpengeräusch maskiert, d. h. in den Hintergrund gerückt und wird nicht mehr als störend wahrgenommen.
Erfindungsgemäß erfolgt die elektrische Ansteuerung für den jeweiligen Betriebspunkt für eine mittlere Fördermenge oder Frequenz der Pumpe nicht mit einer regelmäßigen Taktrate sondern mit einer unregelmäßigen Folge von An- steuerimpulsen, bei denen die Pausenzeiten im Tastverhältnis variiert werden. Nach jedem Pumpenhub wird die Pausenzeit bis zur nächsten Bestromung verändert. Die Zuweisung der neuen Pausenzeit erfolgt in einer stochastischen Abfolge mit der Besonderheit, dass die mittlere Taktrate und damit die mittlere Pumpenfördermenge für den jeweiligen Betriebspunkt konstant bleiben.
Als Folge dieser Ansteuerstrategie ändert sich die Geräuschcharakteristik der Pumpe. Der dominierende tonale Anteil des Geräusches verändert sich in Richtung eines Rauschens. Die einzelnen Spektrallinien verlieren an Amplitude und es entsteht ein breites Geräuschspektrum mit geringen Amplituden. Die Gesamtschallleistung wird durch dieses Verfahren nicht zwangsläufig reduziert. Subjektiv jedoch wird das Geräusch deutlich unauffälliger, insbesondere wenn bereits ein ähnliches Hintergrundgeräusch in der Anwendung vorhanden ist, beispielsweise beim Laufen eines Verbrennungsmotors.
In der Figur 2 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise dargestellt. Diese Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Kraftstoffpumpe in einer Brennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Sie kann auch bei anderen Anwendungen entsprechender Hubschieberpumpen eingesetzt werden.
In einem ersten Schritt 200 wird eine mittlere Taktrate TR berechnet. Diese mittlere Taktrate TR wird ausgehend von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine berechnet. Dabei wird ausgehend von dem Betriebszustand der Brenn- kraftmaschine eine zu fördernde Kraftstoffmenge berechnet. Ausgehend von dieser zu fördernder Kraftstoffmenge wird dann die Taktrate errechnet.
Ausgehend von der Taktrate TR wird in einem Block 210 eine Pausenzeit Toff und in Block 220 eine Einschaltzeit Ton berechnet. Die Einschaltzeit Ton ist die Zeitdauer für die die Magnetspule pro Ansteuerung bestromt wird. Die Pausenzeit Toff ist die Zeitdauer in der die Magnetspule pro Ansteuerung nicht bestromt ist. Die Taktrate entspricht der Häufigkeit der Ansteuerung in einem bestimmten Zeitraum und ist daher ein Maß für die Frequenz der Ansteuerung. Die Taktrate TR legt die Gesamtzeit der Ansteuerung und damit die Summe der Einschaltzeit Ton und der Pausenzeit Toff fest. Bei einer hohen Taktrate, das heißt einer häufigen Ansteuerung, wird viel Kraftstoff gefördert. Bei einer kleinen Taktrate, das heißt einer seltenen Ansteuerung wird wenig Kraftstoff gefördert.
Um den die Kraftstoffförderung an den Bedarf der Brennkraftmaschine ist es besonders vorteilhaft, wenn die Taktrate TR im Block 200 abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Vorzugsweise wird hierzu die Taktrate TR aus einem Kennfeld ausgelesen.
Ein Block 230 gibt einen Variationswert V vor, mit dem die Pausenzeit Toff im Additionspunkt 235 variiert wird. Dadurch wird die Pausenzeit Toff zwischen zwei Ansteuerpulsen für jeden Ansteuerzyklus stochastisch variiert. Die Variation kann dabei in diskreten Schritten oder kontinuierlich erfolgen. Für eine Realisierung auf einem Steuergerät sind dabei diskrete Schrittanzahlen in 2er- Potenzschritten vorteilhaft (2, 4, 8, 16,...). Die Variation der Pausenzeit in der o.g. Auflösung erfolgt dabei innerhalb eines sinnvollen maximalen Verstellintervalls. Als vorteilhaft hat sich dafür eine maximale Abweichung von etwa +/_20% bezogen auf die mittlere Periodendauer gezeigt, je nach Einsatzbereich und den akustischen Eigen- schalten der Anwendung. Die Ermittlung der Schrittweiten muss dabei so erfolgen, dass der Mittelwert der Pausenzeitvariationen null ist, da sich sonst die mittlere Fördermenge verändert. Für die Umsetzung in einem Steuergerät ist die Umsetzung mit diskreten Schritten vorteilhaft. Das maximale Verstellintervall wird dann durch die Anzahl der ermittelten diskreten Schritte geteilt und einem binä- ren Zahlencode zugeordnet. Über eine digital oder analog erzeugte Zufallsfolge wird nun zwischen den Codes, also den quantifizierten Schrittweiten, nach jedem Pumpzyklus umgeschaltet.
Die so variierte Pausenzeit ToffV gelangt zu der Endstufe 240, die die Magnet- spule 1 entsprechend bestromt.
Die stochastische binäre Abfolge kann z.B. aus einer Pseudozufallsfolge gewonnen werden, die auf elektronische Weise einfach mit rückgekoppelten Schieberegistern oder softwareseitig auf einem Rechner bzw. Microcontroller generiert werden kann. Pseudozufallsfolge bedeutet, dass die Verteilung zwar stochas- tisch ist, sich aber nach einer bestimmten Länge der Folge wiederholt. Je länger die Folge, desto höher ist die Qualität der Zufallsfolge. Die Erzeugung von Zufallsfolgen ist an sich bekannt. Durch eine solche Vorgabe des Variationswerts kann erreicht werden, dass der
Mittelwert der Variationswerte den Wert null annimmt. Werden die Variationswerte mittels einer anderer Vorgehensweise vorgegeben, so ist vorgesehen, dass diese Vorgabe derart erfolgt, dass der Mittelwert der Variationswerte den Wert Null annimmt.

Claims

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