DE102013211274A1 - Verfahren zum Ermitteln des Systemdrucks im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln des Systemdrucks im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Systemdrucks p im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems. Diese umfasst das Ermitteln eines Spulenstroms I einer Magnetspule einer Hubkolbenmembranpumpe, die in dem Fördermodul als Förderpumpe verwendet wird, das Bestimmen des Zeitpunkts t_BMP und des Spulenstroms I_BMP eines Bewegungsbeginns eines Magnetankers der Hubkolbenmembranpumpe, das Bestimmen des Zeitpunkts t_MSP und des Spulenstroms I_MSP eines Anschlags eines Magnetankers der Hubkolbenmembranpumpe, das Ermitteln (51) eines Rohdrucks p_BMP aus dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstroms I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers, das Ermitteln (52) eines Korrekturdrucks p_korr aus dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstroms I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers und aus dem Zeitpunkt t_MSP und dem Spulenstrom I_MSP des Anschlags des Magnetankers, und das Berechnen (53) des Systemdrucks p aus dem Korrekturdrucks p_korr und dem Rohdruck p_BMP.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Systemdrucks im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
  • Stand der Technik
  • Beim SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction) wird im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine das Reduktionsmittel AdBlue® beigemischt, das zu einem Drittel aus Harnstoff und zu zwei Dritteln aus Wasser besteht. Eine Düse sprüht die Flüssigkeit unmittelbar vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrom. Dort entsteht aus dem Harnstoff das für die weitere Reaktion notwendige Ammoniak. Im zweiten Schritt verbinden sich im SCR-Katalysator die Stickoxide aus dem Abgas und das Ammoniak zu Wasser und ungiftigem Stickstoff.
  • 1 zeigt das Dosiersystem für einen SCR-Katalysator gemäß dem Stand der Technik. Dieses umfasst eine Reduktionsmitteltankeinheit 1 mit Füllstandssensor, Filter und Heizer, ein Fördermodul 2, beispielsweise das DNOx5.1-System der Firma Bosch, ein Fördermodul 3 und ein Steuergerät 4. Die Reduktionsmittellösung wird aus der Tankeinheit 1 in das Fördermodul 2 transportiert. Hierbei passiert sie ein Ansaugventil 21 und wird in eine Hubkolbenmembranpumpe 22 gesaugt. Diese umfasst eine Membran 221 zum volumetrischen Fördern der Reduktionsmittelösung, einen Hubkolben 222, dessen oszillierende Bewegung auf die Membran 221 übertragen wird, einen Hubmagneten 223 mit einem Magnetanker (nicht gezeigt), welcher ein Anheben des Hubkolbens 222 bewirkt, wenn er bestromt wird, und eine Druckfeder 224, welche den Hubkolben 222 wieder in seinen Sitz zurückpresst, wenn der Hubmagnet 223 nicht mehr bestromt wird. Bei einer Pumpbewegung des Hubkolbens 222 öffnet sich das Ansaugventil 21, so dass das Reduktionsmittel in die Hubkolbenmembranpumpe 22 strömen kann. Wenn der Hubkolben 222 in seinen Sitz zurückkehrt, schließt sich das Ansaugventil 21 und die Reduktionsmittellösung wird aus der Hubkolbenmembranpumpe 22 heraus durch ein Druckventil 23 gepresst, welches gleichzeitig als Flutungsschutz für die Hubkolbenmembranpumpe 22 dient. Dann wird die Lösung durch einen Pulsationsdämpfer 24 und aus dem Fördermodul 2 hinaus in das Fördermodul 3 gefördert, aus welchem sie in den Abgasstrang eindosiert wird. Ein Rücksaugen der Reduktionsmittellösung ist durch ein Rücksaugmodul 25 im Fördermodul 2 möglich. Das Rücksaugmodul 25 umfasst ein Ansaugventil 251, eine Rücksaugpumpe 252 und ein Druckventil 253. Reduktionsmittellösung, welche das Rücksaugmodul verlässt, kann durch einen Eisdruckdämpfer 26 in die Tankeinheit 1 zurückgesaugt werden.
  • Der Hubmagnet 223 der Hubkolbenmembranpumpe 22 steuert über den Hubkolben 222 die Pumpenmembran 221 an. Jeder Pumpenhub fördert eine gewisse Menge Harnstofflösung. Wenn von der Verbrennungskraftmaschine die Anforderung kommt, kurzfristig oder auch langfristig eine größere Fördermenge bereitzustellen, ist dies durch eine Erhöhung der Ansteuerfrequenz der Hubkolbenmembranpumpe 22 möglich. Das heißt, es müssen mehr Pumphübe pro Zeiteinheit erfolgen.
  • Die Hubkolbenmembranpumpe 22 kann nicht immer mit maximaler Frequenz angesteuert werden. Faktoren, die es erschweren, die Frequenz der Ansteuerung zu erhöhen, sind die Spulentemperatur des Hubmagneten 223, die Versorgungsspannung und der Gegendruck. Eine höhere Spulentemperatur erhöht den Innenwiderstand des Metalls in der Magnetspule des Hubmagneten 223. Dies verlängert den Zeitraum, der zum elektrischen Aufladen und Entladen der Spule benötigt wird. Eine höhere Versorgungsspannung lässt mehr Energie in die Spule des Hubmagneten 223 fließen. Zwar erfolgt das Laden der Spule in diesem Fall schneller als normal, jedoch dauert dafür das Entladen länger. Ein erhöhter Gegendruck gegen die Membran 221 sorgt dafür, dass der Hubkolben 222 später in Bewegung gesetzt wird.
  • Es ist bekannt, auf einen Drucksensor zur Bestimmung des Systemdrucks im Fördermodul 2 zu verzichten und den Systemdruck aus dem Stromverlauf der Hubkolbenmembranpumpe 22 zu ermitteln. Der Stromverlauf weist allerdings nicht explizit die Druckkraft auf, die mit dem Systemdruck korreliert, sondern einen Kraftverlauf, den die Hubkolbenmembranpumpe 22 insgesamt für einen Hub aufgebracht hat. Somit werden auch mechanische Kräfte mitbetrachtet, die für eine korrekte Druckbestimmung herausgerechnet werden müssen. Dies stellt bei niedrigen Temperaturen ein Problem dar. Die Pumpenmembran 221 besteht aus einem Elastomerwerkstoff, der seine Viskosität und Federkraft in Abhängigkeit von der Temperatur sehr stark ändert. Während der Werkstoff in der Wärme flexibel ist, wird er bei tiefen Temperaturen zunehmend viskos. Damit steigt der mechanische Kraftanteil im Kraftverlauf der Hubkolbenmembranpumpe 22. Dies kann bei kalten Einsatzbedingungen zu einem Fehler im Druckmodell führen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Systemdrucks im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems umfasst das Ermitteln eines Spulenstroms I einer Magnetspule einer Hubkolbenmembranpumpe, die in dem Fördermodul als Förderpumpe verwendet wird, das Bestimmen des Zeitpunkts und des Spulenstroms eines Bewegungsbeginns eines Magnetankers der Hubkolbenmembranpumpe, das Bestimmen des Zeitpunkts und des Spulenstroms eines Anschlags eines Magnetankers der Hubkolbenmembranpumpe, das Ermitteln eines Rohdrucks aus dem Zeitpunkt und dem Spulenstrom des Bewegungsbeginns des Magnetankers, das Ermitteln eines Korrekturdrucks aus dem Zeitpunkt und dem Spulenstrom des Bewegungsbeginns des Magnetankers und aus dem Zeitpunkt und dem Spulenstrom des Anschlags des Magnetankers, und das Berechnen des Systemdrucks p aus dem Korrekturdruck und dem Rohdruck.
  • Der Zeitpunkt des Bewegungsbeginns (Beginn Motion Point – BMP) des Magnetankers kann insbesondere ermittelt werden, indem eine relative Induktivität aus einem zeitlichen Induktivitätsverlauf bestimmt und ein zeitlicher Verlauf der relativen Induktivität ausgewertet wird. In bevorzugter Verfahrensvariante erfolgt die Auswertung der relativen Induktivität in einem mehrstufigen Prozess, bei dem nach einer ersten Bewegungsdetektion zunächst ein erster Schätzwert für einen Bewegungsbeginn bestimmt und nach einer Plausibilisierungsprüfung, von dem ersten Schätzwert ausgehend, eine finale Bestimmung des Bewegungsbeginn durchgeführt wird. Hierbei wird Schritt für Schritt die Genauigkeit erhöht. So kann bereits sehr einfach eine erste Bewegung des Magnetankers detektiert werden, wenn der Wert der relativen Induktivität einen ersten Schwellenwert überschreitet. Der Bewegungsbeginn kann dann mit höherer Genauigkeit bestimmt werden, wenn mittels einer Extrapolation der erste Schätzwert für den Bewegungsbeginn bestimmt wird. Diese Extrapolation kann rechnerisch recht einfach durchgeführt werden, wenn eine Gerade durch den Schnittpunkt der Kurve für die relative Induktivität mit dem ersten Schwellwert und einem Schnittpunkt der Kurve für die relative Induktivität mit einem zweiten Schwellwert, der unter dem ersten Schwellwert liegt, bestimmt und als erster Schätzwert für den Zeitpunkt des Bewegungsbeginns der Schnittpunkt der Geraden mit dem Funktionswert 1 ermittelt wird. Dieser erste Schätzwert für den Bewegungsbeginn liegt im Allgemeinen schon sehr nah am realen Bewegungsbeginn.
  • Der Rohdruck wird insbesondere ermittelt, indem er einer Tabelle entnommen wird, die mit hydraulischen Drücken in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt und dem Spulenstrom des Bewegungsbeginns des Magnetankers, insbesondere empirisch, bedatet ist.
  • Der Korrekturdruck wird bevorzugt durch Subtraktion eines ersten Druckes, der aus dem Zeitpunkt und dem Spulenstrom des Bewegungsbeginns des Magnetankers ermittelt wird, von einem zweiten Druck, der aus dem Zeitpunkt und dem Spulenstrom des Anschlags des Magnetankers ermittelt wird, berechnet. Hierbei ist der erste Druck gleich dem Rohdruck. Besonders bevorzugt wird hierzu der erste Druck einer Tabelle entnommen, die mit hydraulischen Drücken in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt und dem Spulenstroms des Bewegungsbeginns des Magnetankers, insbesondere empirisch, bedatet ist und der zweite Druck einer Tabelle entnommen, die mit hydraulischen Drücken in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt t_MSP und dem Spulenstrom I_MSP des Anschlags des Magnetankers der Hubkolbenmembranpumpe, insbesondere empirisch, bedatet ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Systemdruck durch Subtraktion des Korrekturdrucks von dem Rohdruck berechnet. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Systemdruck aus einer Korrelation zwischen dem Korrekturdruck und dem Rohdruck berechnet, die mit gemessenen Werten des Systemsdrucks kalibriert ist.
  • Bei einer hohen Temperatur einer Pumpenmembran der Hubkolbenmembranpumpe ist die Differenz des ersten Druckes und des zweiten Druckes nahezu Null. Erst bei einer geringen Temperatur der Pumpenmembran sind diese beiden Drücke deutlich unterschiedlich, wobei der zweite Druck größer als der erste Druck ist. Es ist deshalb bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Temperatur der Pumpenmembran durchgeführt wird, die maximal 15°C beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann von einem Computerprogramm ausgeführt werden, wenn dieses auf einem Rechengerät des Steuergeräts abläuft. Dies ermöglicht es beispielsweise das Verfahren in das Steuergerät eines Kraftfahrzeugs zu implementieren, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Erfindungsgemäß ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode vorgesehen, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung dieses Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät des Steuergeräts ausgeführt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darstellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt den Hubmagneten einer Hubkolbenmembranpumpe im SCR-Katalysatorsystem gemäß 1.
  • 3 zeigt den Pumpenstromverlauf in einem SCR-Katalysatorsystem, welches gemäß einem Verfahren des Standes der Technik betrieben wird, für einen Pumpvorgang.
  • 4 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 2 zeigt den Aufbau der Hubmagneten 223 einer Hubkolbenmembranpumpe 22 des SCR-Katalysatorsystems gemäß 1. Dieser umfasst eine Magnetspule 2231, ein Gehäuse 2232 und einen Magnetanker 2233. Der Magnetanker 2233 kann sich zwischen den Positionen S0 und S1 bewegen. Durch einen Systemdruck p, der zwischen der Hubkolbenmembranpumpe 22 und dem Dosierventil 3 im SCR-Katalysatorsystem herrscht, wirkt eine Gegenkraft F aus dem Magnetanker 2233 der Hubkolbenmembranpumpe 22. Die Wirkung der Gegenkraft F verlängert mechanisch die Zeitdauer, bis der Anker die vordere Endlage des Hubmagneten erreicht hat. Diese mechanische Bewegungsdauer lässt sich im Stromsignal der Hubkolbenmembranpumpe 22 wiedererkennen. Nach Anlegen einer Spannung U an die Magnetspule 2231 des Hubmagneten 223 fließt ein charakteristischer Strom I, der bei ausreichendem Niveau ein Magnetfeld induziert, welches den Magnetanker 2233 in Bewegung setzt.
  • Die Bewegung ist bei einer Ansteuerung der Hubkolbenmembranpumpe 22 durch den charakteristischen Stromverlauf in 3 zwischen dem Zeitpunkt, zu dem sich die Hubkolbenmembranpumpe 22 in einem stromlosen Zustand befindet, und dem Zeitpunkt t_MSP des Ankeranschlags zu erkennen, bei dem der Spulenstrom I sein lokales Minimum I_MSP erreicht. Der Zeitpunkt t_MSP sowie die Stromstärke I_MSP beim Ankeranschlag ändern sich in Abhängigkeit der Gegenkraft F, die dem Magnetanker 2233 entgegengesetzt wird. Eine hinreichende Stromstärke I_BMP, um die Gegenkraft F zu überwinden und den Magnetanker 2233 in Bewegung zu setzen, wird zu dem Zeitpunkt t_BMP erreicht.
  • 4 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einem ersten Schritt 51 wird eines Rohdrucks p_BMP aus dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstroms I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers 223 ermittelt. Dieser entspricht dem Systemdruck p bei einer hohen Temperatur der Pumpenmembran 221. Ist diese Temperatur jedoch niedrig, so wird zur Korrektur von temperaturbedingten Fehlern bei der Druckbestimmung in einem zweiten Schritt 52 ein Korrekturdruck p_korr ermittelt. Hierzu wird aus dem Zeitpunkt t_MSP und dem Spulenstrom I_MSP des Anschlags des Magnetankers 223 ein zweiter Druck p_2 ermittelt, von dem ein aus dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstroms I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers 223 ermittelter erster Druck p_1 = p_BMP subtrahiert wird, um den Korrekturdruck p_korr zu erhalten. Die Drücke p_BMP, p_1 und p_2 werden hierzu geeigneten Tabellen entnommen. Aus dem Korrekturdruck p_korr und dem Rohdruck p_BMP wird in einem dritten Schritt 53 der Systemdruck p berechnet. Hierzu kann der Korrekturdruck p_korr von dem Rohdruck p_BMP subtrahiert werden.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Systemdruck p in dem dritten Verfahrensschritt 53 aus einer Korrelation zwischen dem Korrekturdruck p_korr und dem Rohdruck p_BMP berechnet. Die Korrelation ist hierzu mit gemessenen Werten des Systemsdrucks p kalibriert.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ermitteln des Systemdrucks p im Fördermodul (2) eines SCR-Katalysatorsystems, umfassend – Ermitteln eines Spulenstroms I einer Magnetspule (2231) einer Hubkolbenmembranpumpe (22), die in dem Fördermodul (2) als Förderpumpe verwendet wird, – Bestimmen des Zeitpunkts t_BMP und des Spulenstroms I_BMP eines Bewegungsbeginns eines Magnetankers (223) der Hubkolbenmembranpumpe (22), – Bestimmen des Zeitpunkts t_MSP und des Spulenstroms I_MSP eines Anschlags eines Magnetankers (223) der Hubkolbenmembranpumpe (22), – Ermitteln (51) eines Rohdrucks p_BMP aus dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstrom I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers (223), – Ermitteln (52) eines Korrekturdrucks p_korr aus dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstrom I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers (223) und aus dem Zeitpunkt t_MSP und dem Spulenstrom I_MSP des Anschlags des Magnetankers (223), und – Berechnen (53) des Systemdrucks p aus dem Korrekturdruck p_korr und dem Rohdruck p_BMP.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Bewegungsbeginnes eine relative Induktivität aus einem zeitlichen Induktivitätsverlauf bestimmt und ein zeitlicher Verlauf der relativen Induktivität ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohdruck p_BMP ermittelt wird, indem er einer Tabelle entnommen wird, die mit hydraulischen Drücken in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstrom I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers (223) bedatet ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturdruck durch Subtraktion eines ersten Druckes p_1, der aus dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstrom I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers (223) ermittelt wird, von einem zweiten Druck p_2, der aus dem Zeitpunkt t_MSP und dem Spulenstrom I_MSP des Anschlags des Magnetankers (223) ermittelt wird, berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck p_1 ermittelt wird, indem er einer Tabelle entnommen wird, die mit hydraulischen Drücke in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt t_BMP und dem Spulenstroms I_BMP des Bewegungsbeginns des Magnetankers (223) bedatet ist und der zweite Druck p_MSP ermittelt wird, indem er einer Tabelle entnommen wird, die mit hydraulischen Drücke in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt t_MSP und dem Spulenstrom I_MSP des Anschlags des Magnetankers (223) der Hubkolbenmembranpumpe (22) bedatet ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck p durch Subtraktion des Korrekturdrucks p_korr von dem Rohdruck p_BMP berechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck p aus einer Korrelation zwischen dem Korrekturdruck p_korr und dem Rohdruck p_BMP berechnet wird, die mit gemessenen Werten des Systemsdrucks p kalibriert ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das es bei einer Temperatur einer Pumpenmembran (221) der Hubkolbenmembranpumpe (22) durchgeführt wird, die maximal 15°C beträgt.
  9. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) abläuft.
  10. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) ausgeführt wird.
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