DE102021205735A1 - Verfahren zum Ansteuern einer Pumpe, Verfahren zum Trainieren eines neurona-len Netzes und Fluid-Versorgungssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Pumpe mit einem Pumpenraum, wenigstens einem Ventil für den Pumpenraum, das aktiv steuerbar ist, und mit einem Aktor, mit dem ein den Pumpenraum begrenzendes Element hin und her bewegbar ist, wobei unter Verwendung eines auf einem künstlichen neuronalen Netz (N) basierenden Modells (M) der Pumpe, das aktuelle Werte wenigstens eines für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters (T, n, pS, pF, U) als Eingang erhält, ein aktueller Druck im Pumpenraum bestimmt wird, wobei basierend auf dem aktuellen Druck (pP) im Pumpenraum Schaltzeitpunkte (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) für das wenigstens eine aktiv steuerbare Ventil zum Betrieb der Pumpe bestimmt werden, und wobei die Pumpe basierend auf den bestimmten Schaltzeitpunkten (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) angesteuert wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Trainieren eines solchen künstlichen neuronalen Netzes (N) sowie ein Fluid-Versorgungssystem mit einer solchen Pumpe.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe z.B. eines Fluid-Versorgungssystems, ein Verfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie ein Fluid-Versorgungssystem.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei einer Nachbehandlung von Abgasen in Kraftfahrzeugen kann, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden (NOx), das sog. SCR-Verfahren (engl.: Selective Catalytic Reduction) zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) als Reduktionsmittellösung in das typischerweise sauerstoffreiche Abgas eingeführt.
  • Hierfür kann ein Dosiermodul bzw. Dosierventil verwendet werden, das eine Düse umfasst, um die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom einzusprühen bzw. einzubringen. Stromaufwärts eines SCR-Katalysators reagiert die Harnstoff-Wasser-Lösung zu Ammoniak, welcher sich anschließend am SCR-Katalysator mit den Stickoxiden verbindet, woraus Wasser und Stickstoff entstehen.
  • Das Dosierventil ist typischerweise über eine Druckleitung mit einer Pumpe verbunden. Diese pumpt die Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Reduktionsmitteltank zum Dosiermodul. Zusätzlich kann ein Rücklauf mit dem Reduktionsmitteltank verbunden sein, über den überschüssige Harnstoff-Wasser-Lösung zurückgeführt werden kann. Eine solche Pumpe kann z.B. über einen Pumpenraum und aktiv steuerbare Ventile verfügen, wie in der DE 10 2018 208 112 A1 beschrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe, ein Verfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie ein Fluid-Versorgungssystemmit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betrieb einer Pumpe, die einen Pumpenraum mit wenigstens einem, vorzugsweise aber zwei Ventilen aufweist, von denen wenigstens eines, zweckmäßigerweise aber beide, aktiv steuerbar sind. Zudem ist ein Aktor vorgesehen, mit dem ein den Pumpenraum begrenzendes Element hin und her bewegbar ist, also das Volumen des Pumpenraums veränderbar ist.
  • Bei dem Aktor kann es sich z.B. um einen Elektromotor handeln. Bei dem den Pumpenraum begrenzenden Element kann es sich insbesondere um eine Membran handeln, die z.B. über einen Pleuel mit einem an einem Läufer des Elektromotors angebrachten Exzenter gekoppelt ist. Hierbei handelt es sich dann um eine sog. Membranpumpe, wie sie typischerweise für die schon erwähnten SCR-Versorgungssysteme eingesetzt wird. Grundsätzlich muss es sich bei dem Element aber nicht um eine Membran handeln, denkbar ist auch ein Kolben, der den Pumpenraum (direkt) begrenzt. Die zwei Ventile dienen dabei insbesondere als Einlassventil und als Auslassventil. Anstelle eines Elektromotors kommt aber z.B. auch ein Linearaktor in Betracht, z.B. ein mittels eines Elektromagneten beweglicher Anker, der gegen eine Federkraft das den Pumpenraum begrenzenden Element (auch hier kann es sich wieder um eine Membran handeln) auf- und abbewegt werden kann.
  • Unter einem aktiv steuerbaren Ventil (dies gilt sowohl für ein Einlassventil als auch das Auslassventil) ist hierbei zu verstehen, dass das Öffnen und Schließen des Ventils aktiv gezielt herbeigeführt werden kann, und zwar z.B. durch einen elektromagnetischen Aktor mit einer Spule und einem Anker, sodass durch geeignetes Bestromen der Spule das Ventil geschaltet werden kann. Es versteht sich, dass auch anderen Arten von aktiv steuerbaren Ventilen mit z.B. mehreren Spulen oder anderen Aktoren verwendeten werden können. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei anderen - oder auch bei herkömmlicherweise in Pumpen in SCR-Systemen verwendeten Ventilen - um solche Ventile, die passiv bzw. automatisch bei Anliegen eines bestimmten Drucks öffnen. Mit solchen herkömmlichen Ventilen kann also beispielsweise in einer Saugphase der Pumpe Fluid durch das Einlassventil in den Pumpenraum eingesaugt werden und in einer Pump- oder Förderphase dann durch das Auslassventil - bei geschlossenem Einlassventil - aus dem Pumpenraum hinausgedrückt werden.
  • Ein besonderer Vorteil von Pumpen mit aktiv steuerbaren Ventilen ist, dass durch die individuelle Ansteuerung der Ventile die Pumpe auf mehr oder weniger beliebige Weise betrieben werden kann, z.B. auch mit einer Förderrichtung entgegen der regulären Förderrichtung (die Funktion von Ein- und Auslassventil ist dann vertauscht). Dies kann in einem SCR-Versorgungssystem, in dem ein Fluid wie eine Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Fluid-Tank zu einem Dosiermodul gefördert wird, z.B. bedeuten, dass das Fluid auch von dem Dosiermodul bei Bedarf wieder in den Fluid-Tank rückgefördert werden kann. Hierzu müssten die Ventile lediglich in entsprechender Weise geöffnet und geschlossen werden. Diese, der regulären Förderrichtung entgegengesetzte Förderrichtung ist besonders bei einem SCR-Versorgungssystem von Vorteil, da dort nach Abstellen der Brennkraftmaschine bzw. des Dieselmotors das Fluid - bzw. dann die Harnstoff-Wasser-Lösung - wieder vom Dosiermodul in den Fluid-Tank zurückgefördert werden kann, um insbesondere im Winter ein Einfrieren zu verhindern. Außerdem ist dann z.B. kein Rücklauf mehr nötig.
  • Durch gezielte Variation von Öffnungs- und Schließzeiten - oder allgemein Schaltzeiten bzw. Schaltzeitpunkten - der Ventile können beispielsweise auch der Wirkungsgrad der Pumpe oder eine gewünschte Fördermenge oder ein Förderstrom variiert werden.
  • Beim regulären Betrieb der Pumpe werden das saug- und druckseitige Ventil (bzw. Ein- und Auslassventil) innerhalb ihres Arbeitsbereiches nicht über den anliegenden Fluiddruck geöffnet und geschlossen, sondern mit Hilfe z.B. eines elektrisch ansteuerbaren Aktors aktiv geöffnet und geschlossen. Insbesondere bei gewünschter Vollförderung sollten die Schaltzeiten der Ventile (und damit auch die Ansteuerzeiten der jeweiligen Aktoren) dabei so bemessen sein, dass das saugseitige Ventil während der kompletten Saugphase und das druckseitige Ventil während der kompletten Förderphase geöffnet ist.
  • Passiv bzw. hydraulisch gesteuerte Ventile öffnen und schließen prinzipbedingt immer zum richtigen Zeitpunkt. Das Saugventil öffnet, sobald der Druck im Kompressionsraum der Pumpe geringer ist als im Ansaugpfad, und schließt, sobald sich diese Verhältnisse umkehren. Das Druckventil öffnet, sobald im Kompressionsraum der erforderliche Förderdruck erreicht ist, und schließt ebenso wieder, sobald der Druck im Kompressionsraum den erforderlichen Förderdruck unterschreitet.
  • Im Fall der aktiv gesteuerten Ventile öffnen und schließen die Ventile hingegen zu den Zeitpunkten, die über deren Ansteuerung vorgegeben werden. Die Totpunkte des Pumpenantriebs, die mechanisch Beginn und Ende des Saug- und Druck- bzw. Förderhubes definieren, stimmen dabei nicht genau mit dem Beginn und Ende der hydraulischen Saug- und Förderphase überein. Dieser Unterschied ist von einer Vielzahl von Parametern, die für den Betrieb der Pumpe charakteristisch sind, abhängig und daher aufwändig zu applizieren; jede Abweichung vom idealen Schaltzeitpunkt kann zu einer Reduzierung der Fördermenge der Pumpe führen. Damit kann ggf. nicht die maximal mögliche Fördermenge erreicht werden. Auch wenn z.B. gezielt die Fördermenge reduziert werden soll, wäre eine genaue Kenntnis des hierfür idealen Schaltzeitpunkts von Vorteil.
  • Um den jeweils idealen Schaltzeitpunkt zu ermitteln, wäre die Kenntnis des transienten Druckverlaufs im Pumpen- bzw. Kompressionsraum der Pumpe notwendig. Dieser kann aber in der Praxis aus Kosten- und Bauraumgründen in der Regel nicht gemessen werden.
  • Es wird daher vorgeschlagen, ein Modell auf Basis eines (künstlichen) neuronalen Netzes zu erstellen und zu trainieren, das in der Lage ist, unter vielen oder möglichst allen relevanten Randbedingungen (für den Betrieb der Pumpe charakteristische Parameter) den Druck im Pumpen- bzw. Kompressionsraum der Pumpe zu prädizieren und dieses z.B. in einem Steuergerät für die Pumpe zu implementieren. Durch Kenntnis des mit Hilfe eines neuronalen Netzes modellierten transienten Drucks im Pumpenraum können unter verschiedenen bzw. allen Randbedingungen die idealen Schaltzeitpunkte ermittelt und die Pumpe somit immer mit der bestmöglichen Förderleistung betrieben werden. Die Modellierung mit Hilfe eines neuronalen Netzes erfordert im Gegensatz zu einem physikalischen Modell sehr viel geringere Ressourcen an Rechen- und Speicherkapazität und ist daher auch auf einem üblichen Steuergerät implementierbar.
  • Das Modell der Pumpe erhält dabei als Eingang bzw. Eingangswerte aktuelle Werte wenigstens eines für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters der Pumpe und es wird ein aktueller Druck im Pumpenraum bestimmt, d.h. der aktuelle Druck im Pumpenraum stellt den Ausgang bzw. einen Ausgangswert des Modells bzw. des künstlichen neuronalen Netzes dar.
  • Basierend auf dem aktuellen Druck im Pumpenraum werden dann Schaltzeitpunkte für das wenigstens eine aktiv steuerbare Ventil zum Betrieb der Pumpe bestimmt, insbesondere also Öffnungs- und Schließzeitpunkte für Ein- und Auslassventil, insbesondere anhand der Druckverhältnisse über das jeweilige Ventil. Die Pumpe wird dann basierend auf den bestimmten Schaltzeitpunkten angesteuert bzw. betrieben; dies umfasst also insbesondere die Ansteuerung der aktiv steuerbaren Ventile sowie des Aktors. Insbesondere können basierend auf dem aktuellen Druck im Pumpenraum die Schaltzeitpunkte zum Betrieb der Pumpe auch bestimmt werden, indem vorgegebene Schaltzeitpunkte angepasst bzw. korrigiert werden. So können z.B. Standard-Schaltzeitpunkte für einen bestimmten Standard-Druck im Pumpenraum vorgegeben sein, die dann je nach bestimmtem, aktuellem Druck angepasst bzw. variiert werden. In diesem Sinne kann auch von einer Korrekturfunktion für die Schaltzeitpunkte gesprochen werden.
  • In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass die Ansteuerung der Ventile z.B. das Anlegen einer Spannung an einen Elektromagneten oder Magnetaktor erfordert, um das Ventil zu öffnen. Da vom Anlegen der Spannung (auch als Ansteuerzeitpunkt bezeichnet) bis zum tatsächlichen Öffnen (dem Schaltzeitpunkt) eine gewisse Zeit vergeht bzw. nötig ist, sind entsprechende Ansteuerzeitpunkte in Abhängigkeit von den Schaltzeitpunkten zu wählen (dies gilt nicht nur für das Öffnen, sondern auch für das Schließen, dort wird die Spannung dann weggenommen bzw. abgeschaltet).
  • Der wenigstens eine für den Betrieb der Pumpe charakteristische Parameter, dessen Werte als Eingang für das Modell verwendet werden, ist bevorzugt ausgewählt aus: einer Temperatur eines mittels der Pumpe zu fördernden Fluids, einem Umgebungsdruck, einer Drehzahl oder Frequenz der Pumpe (hiernach kann z.B. je nach Art der Pumpe, mit Elektromotor oder Linearaktor, unterschieden werden), einem Druck auf einer Saugseite der Pumpe (Saugdruck) und einem Druck auf einer Förderseite der Pumpe (Förderdruck). Ebenso kommen Fördermengentoleranzen, Druckpulsationen sowie Druckverluste innerhalb der Pumpe (jeweils eine(r) oder mehrere) in Betracht., . Diese Parameter beeinflussen auch die idealen Schaltzeitpunkte der Ventile. Beispielsweise führt ein höherer Saugdruck dazu, dass das Einlassventil früher öffnen kann, da der Druck im Kompressionsraum (der ja zunächst reduziert wird) früher den Saugdruck unterschreitet, sodass Fluid angesaugt werden kann. Für eine nähere Beschreibung solcher Zusammenhänge sei an dieser Stelle auch auf die Figuren und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
  • Eine Spulentemperatur und/oder einer Ansteuerspannung eines für eine aktive Ansteuerung des wenigstens einen Ventils verwendeten Magnetaktors haben typischerweise keinen Einfluss auf den Druck im Pumpenraum; sie werden jedoch bevorzugt für die Berechnung bzw. Bestimmung der Ansteuerzeiten verwendet.
  • Das neuronale Netz modelliert dabei den Zusammenhang der Eingangsgrößen wie eben Pumpendrehzahl, Fluidtemperatur, usw. und dem gewünschten, aktuellen Druck im Pumpenraum als eine Art virtuelles Sensorsignal. Verschiedene Arten von neuronalen Netzen sind dabei zur Modellierung geeignet, z.B. „feedforward-Netze“ wie das sog. „Multilayer Perceptron“ bzw. mehrlagiges Perzeptron (MLP), oder auch rekurrente neuronale Netze wie das sog. „ Long short-term memory“ (LSTM).
  • Das neuronale Netz wird im Vorfeld, d.h. vor Einsatz für den Betrieb der Pumpe, trainiert bzw. eingelernt. Das Trainieren eines solchen künstlichen neuronalen Netzes eines Modells einer Pumpe, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Hierzu wird für mehrere Sätze von Referenzwerten des wenigstens einen für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters mittels des Modells jeweils ein Druck im Pumpenraum bestimmt. In Abhängigkeit von einer jeweiligen Abweichung des mittels des Modells bzw. neuronalen Netzes bestimmten Drucks von einem den Referenzwerten entsprechenden Referenzdruck werden das Modell bzw. dort die Gewichte in den Neuronen des neuronalen Netzes angepasst.
  • Als Lernverfahren kommt also z.B. das sog. überwachte Lernen in Betracht, bei dem dem neuronalen Netz ein Eingangsmuster gegeben und die Ausgabe, die das neuronale Netz in seinem aktuellen Zustand produziert, mit dem Wert verglichen, den es eigentlich ausgeben soll. Durch Vergleich von Soll- und Istausgabe kann auf die vorzunehmenden Änderungen der Netzkonfiguration geschlossen werden. Bei einlagigen Perzeptrons kann die sog. Delta-Regel (auch Perzeptron-Lernregel) angewendet werden. Mehrlagige Perzeptrons werden in der Regel mit sog. Backpropagation (oder Fehlerrückführung) trainiert, was eine Verallgemeinerung der Delta-Regel darstellt.
  • Dieses Lernen bzw. Trainieren kann beispielsweise basierend auf Messdaten oder auch transienten Simulationsdaten erfolgen, d.h. die mehreren Sätze der Referenzwerte des wenigstens einen für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters und die entsprechenden Referenzdrücke werden anhand von Testmessungen und/oder Simulationen ermittelt. Insbesondere bei Verwendung von Simulationen sollten die zu Grunde liegenden Simulationsmodelle validiert und hinreichend genau und in der Lage sein, die notwendigen physikalischen Effekte abbilden können (z.B. Einfluss temperaturabhängiger Fluideigenschaften auf den Druck im Kompressionsraum).
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ein Pumpensteuergerät oder ein Abgasnachbehandlungssteuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Für das Trainieren kann ggf. auch ein spezieller oder auch allgemeiner Rechner oder PC verwendet werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Fluid-Versorgungssystem, insbesondere ein SCR-Versorgungssystem, mit einer vorstehend erläuterten Pumpe sowie einer erfindungsgemäßen Recheneinheit, insbesondere als Steuergerät.
  • Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch ein Fluid-Versorgungssystem mit einer Pumpe, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
    • 2 zeigt schematisch eine Pumpe, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
    • 3 zeigt Druck- und Hubverläufe bei einer Ansteuerung einer Pumpe zur Erläuterung der Erfindung.
    • 4 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
    • 5 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist schematisch und beispielhaft ein als SCR-Versorgungssystem ausgebildetes Fluid-Versorgungssystem 100 dargestellt, bei dem bzw. bei einer dort vorhandenen Pumpe ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das SCR-Versorgungssystem 100 umfasst eine Pumpe bzw. Förderpumpe 210 mit einem Pumpenraum 220, zwei aktiv steuerbaren Ventilen 221 und 222 für den Pumpenraum 220 sowie mit einem Filter 230. Diese Komponenten bilden zusammen beispielhaft eine Fördereinheit 200, die z.B. als bauliche Einheit zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Bei regulärer Förderrichtung dient dabei das Ventil 221 als Einlassventil, das Ventil 222 hingegen als Auslassventil. Zudem weist die Pumpe 210 ein Förderelement 225 - bzw. ein den Pumpenraum 220 begrenzendes Element - auf, um das Volumen des Pumpenraums 220 zu vergrößern und zu verkleinern. Bei dem Förderelement 225 kann es sich z.B. um eine Membran handeln, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird.
  • Die Pumpe 210 ist nun dazu eingerichtet, Reduktionsmittel 121 (bzw. eine Reduktionsmittellösung) als zu förderndes Fluid aus einem Fluid-Tank 120 über eine Druckleitung 122 zu einem Dosiermodul oder Dosierventil 130 zu fördern. Dort wird das Reduktionsmittel 121 dann in einen Abgasstrang 170 einer Brennkraftmaschine gesprüht.
  • Weiterhin ist rein beispielhaft ein Drucksensor 140 vorgesehen (dieser kann auch in der Fördereinheit 200 untergebracht sein), der dazu eingerichtet ist, einen Druck zumindest in der Druckleitung 122 zu messen; es handelt sich dann um den Förderdruck. Es versteht sich, dass noch weitere Sensoren für andere Parameter wie weitere Drücke und Temperaturen vorgesehen sein können. Eine z.B. als Abgasnachbehandlungssteuergerät ausgebildete Recheneinheit 150 ist mit dem Drucksensor 140 verbunden und erhält von diesem Informationen über den Druck in der Druckleitung 122. Außerdem ist das Abgasnachbehandlungssteuergerät 150 mit der Fördereinheit 200, dort insbesondere mit der Pumpe 210, und mit dem Dosiermodul 130 verbunden, um diese ansteuern zu können. Dies umfasst auch eine Ansteuerung der aktiv steuerbaren Ventile 221 und 222.
  • Zudem umfasst das SCR-Versorgungssystem 100 beispielhaft einen Rücklauf 160, durch den Reduktionsmittel aus dem System zurück in den Fluid-Tank 120 geführt werden kann. In diesem Rücklauf 160 ist beispielhaft eine Blende bzw. Drossel 161 angeordnet, die einen örtlichen Strömungswiderstand bietet. Hierzu ist jedoch anzumerken, dass ein solcher Rücklauf bei einer Pumpe mit aktiv gesteuerten Ventilen auch entfallen kann.
  • Das Abgasnachbehandlungssteuergerät ist dazu eingerichtet, anhand relevanter Daten, wie z.B. vom Motorsteuergerät oder von Sensoren für Temperatur, Druck und Stickoxidgehalt im Abgas empfangenen Daten, die Aktoren des Systems zu koordinieren, um die Harnstoff-Wasser-Lösung entsprechend der Betriebsstrategie in den Abgastrakt vor dem SCR-Katalysator einzubringen. Weiterhin überwacht beispielsweise eine On-Board-Diagnose (OBD) die zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte relevanten Bauteile und Baugruppen des Abgasnachbehandlungssystems.
  • In 2 ist schematisch eine Pumpe 210, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, detaillierter als in 1 in einer Schnittansicht gezeigt. Die Pumpe 210 weist neben dem Pumpenraum 220 und zwei aktiv steuerbaren Ventilen 221 und 222 für den Pumpenraum 220 insbesondere ein als Membran ausgebildetes Element 225 auf, das den Pumpenraum 220 begrenzt.
  • Außerdem ist ein Elektromotor 240 vorgesehen, an dessen Läufer 245 beispielsweise mittels eines Exzenters (vgl. hierzu Winkel φ) ein Pleuel 250 angebracht ist, der ebenso mit der Membran verbunden ist. Auf diese Weise kann durch eine Rotationsbewegung des Läufers 250 eine Auf- und Abbewegung der Membran 225 erreicht werden.
  • Die beiden Ventile 221 und 222 weisen hier beispielhaft elektromagnetische Aktoren bzw. Magnetaktoren mit jeweils einer Spule 223 sowie einem Anker 224 auf, mittels deren ein geeignetes Element betätigt werden kann, um einen Durchfluss freizugeben, also das Ventil zu öffnen, bzw. zu versperren, also das Ventil zu schließen.
  • In 3 sind Druck- und Hubverläufe bei einer Ansteuerung einer Pumpe, wie sie vorstehend erläutert wurde, zur näheren Erläuterung der Erfindung gezeigt. Im oberen Diagramm ist hierzu ein Druck p über einer Zeit t aufgetragen. Mit ps ist ein Saugdruck und mit pf ein Förderdruck gezeigt. Die Druckverläufe p1, p2 und p3 geben jeweils den Verlauf des Drucks im Pumpen- bzw. Kompressionsraum an, und zwar für verschiedenen Randbedingungen bzw. Parameter wie z.B. ein Saugdruck. Im unteren Diagramm ist ein Hub h des Pumpenantriebs bzw. Aktors (und damit auch der Membran) gezeigt.
  • Zum Zeitpunkt tOT ist der obere Totpunkt (OT) der Pumpe, also das mechanische Ende des Förderhubs und der mechanische Beginn des Saughubs erreicht. Hierzu sei erwähnt, dass der Hub h hier aus Sicht des Elektromotors in Richtung Membran (vgl. 2) definiert ist. Die Saugphase beginnt jedoch erst zum Zeitpunkt tE,O, wenn der Druck im Kompressionsraum den Druck ps auf der Saugseite der Pumpe unterschreitet. In Figur ist dieser Zeitpunkt tE,O nur für den Druckverlauf P1 eingezeichnet; es ist jedoch zu sehen, dass sich für die anderen Druckverläufe p2 und p3 andere - hier spätere - Zeitpunkte ergeben. Das Saug- bzw. Einlassventil muss - für optimale Förderbedingungen - zu diesem Zeitpunkt geöffnet werden. Der ideale Schaltzeitpunkt des Öffnens unterscheidet sich also je nach Druck im Kompressionsraum und damit je nach Randbedingungen.
  • Zum Zeitpunkt tUT ist der untere Totpunkt (UT) der Pumpe, also das mechanische Ende des Saughubs und der mechanische Beginn des Förder- bzw. Kompressionshubs erreicht. Die Saugphase endet jedoch erst zum Zeitpunkt tE,S, wenn der Druck (hier wieder gezeigt für p1) im Kompressionsraum den Druck ps auf der Saugseite überschreitet. Auch dieser Zeitpunkt ist für die gezeigten drei Fälle unterschiedlich. Zum Zeitpunkt tE,S ist das Einlassventil zu schließen.
  • Zum Zeitpunkt tA,O, wenn der Druck im Kompressionsraum (hier wieder gezeigt für p1) den Druck pF auf der Förderseite überschreitet, ist der Beginn der Förderphase. Erst zu diesem Zeitpunkt darf das Druck- bzw. Auslassventil öffnen; insbesondere müssen zwischen Zeitpunkten tE,S und tA,O beide Ventile geschlossen sein. Auch der Zeitpunkt tA,O ist für die drei Fälle unterschiedlich.
  • Zum Zeitpunkt tA,S, wenn der Druck im Kompressionsraum (hier wieder gezeigt für p1) den Druck pF auf der Förderseite unterschreitet, ist schließlich das Ende der Förderphase erreicht, zu dem das Druck- bzw. Auslassventil schließen muss. Auch hier gibt es Unterschiede zwischen den drei Fällen; der Zeitpunkt tA,S ist außerdem nicht identisch mit dem nun wiederkehrendem Zeitpunkt tOT, dem oberen Totpunkt der Pumpe.
  • Da sich die idealen Schaltzeitpunkte der Ventile ändern, wenn sich die Betriebsrandbedingungen der Pumpe ändern, müssten diese herkömmlicherweise für den kompletten Bereich der Betriebsrandbedingungen appliziert werden. Betriebsrandbedingungen, die Einfluss auf die Schaltzeitpunkte haben, sind z.B. Fluidtemperatur, Umgebungsdruck, Ansteuerspannung, Spulentemperatur (bei Verwendung eines Magnetaktors), Pumpendrehzahl oder der Saug- und Förderdruck oder ggf. weitere Parameter, wie vorstehend schon beschrieben. Anhand von 3 ist z.B. der Einfluss von Saug- und Förderdruck gut ersichtlich: Wenn der Förderdruck pF höher wäre, würde sich z.B. der Zeitpunkt tA,O, also das Öffnen des Auslassventils, zeitlich nach hinten verschieben (Schnittpunkt von pF mit p1).
  • Eine Applikation unter Berücksichtigung all dieser Randbedingungen ist entsprechend aufwendig. Es wird daher wie erwähnt vorgeschlagen, die Schaltzeiten mit Hilfe eines Modells z.B. im Steuergerät zu ermitteln. Da ein physikalisches Modell aufgrund der im Steuergerät zur Verfügung stehenden Ressourcen in der Regel nicht in Betracht kommt, soll ein Modell auf Basis eines (künstlichen) neuronalen Netzes erstellt und so trainiert werden, dass es in der Lage ist, unter allen relevanten Betriebsrandbedingungen der Pumpe den Druck im Kompressionsraum als virtueller Sensor zu prädizieren und so die jeweils optimalen Ansteuerzeiten zu ermitteln.
  • In 4 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar das Ansteuern bzw. der Betrieb der Pumpe unter Verwendung des auf einem künstlichen neuronalen Netz N basierenden Modells M.
  • Hierzu werden für beispielhaft eine Temperatur T des mittels der Pumpe zu fördernden Fluids, eine Drehzahl n der Pumpe, einen Druck ps auf einer Saugseite der Pumpe, sowie einen Druck pF auf einer Förderseite der Pumpe jeweils aktuelle Werte erfasst (diese Werte werden z.B. jeweils mittels geeigneter Sensoren gemessen) und als Eingang bzw. Eingangswerte dem Modell M bzw. dessen künstlichen neuronalen Netzes N zugeführt.
  • Dort wird dann als Ausgang bzw. Ausgangswert der aktuelle Druck pp im Pumpen- bzw. Kompressionsraum der Pumpe bestimmt. Daraus bzw. basierend darauf wiederum können dann, z.B. in Abhängigkeit von den Drücken pS und pF wie in 3 gezeigt, die Schaltzeiten für die Ventile bestimmt werden, und zwar insbesondere Öffnungszeitpunkt tE,O und Schließzeitpunkt tE,S des Einlassventils und Öffnungszeitpunkt tA,O und Schließzeitpunkt tA,S des Auslassventils.
  • Daraus werden dann unter Berücksichtigung einer Ansteuerspannung u eines für eine aktive Ansteuerung des wenigstens einen Ventils verwendeten Magnetaktors sowie einer Spulentemperatur Ts des Magnetaktors Ansteuerzeiten bestimmt. Die Ventile werden dann entsprechend angesteuert. Die Differenz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Öffnungszeitpunkt (oder allgemein Schaltzeitpunkt), der sog. Ansteueroffset, ist abhängig von Spulentemperatur und Ansteuerspannung. Dies kann z.B. kalibriert werden.
  • In 5 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar das Trainieren bzw. Einlernen des künstlichen neuronalen Netz N, wie es z.B. gemäß 4 verwendet wird. Zunächst wird für einen Satz PR,1 von Referenzwerten der Parameter, wie sie z.B. in Zusammenhang mit 4 erwähnt sind (Temperatur T etc.) mittels des Modells bzw. des neuronalen Netzes N ein Druck pp im Pumpenraum bestimmt.
  • Dieser damit erhaltene Druck pp wird dann mit einem Referenzdruck pR verglichen, der z.B. bei Testmessungen am Prüfstand für den Parametersatz PR,1 bestimmt wurde. In Abhängigkeit von einer Abweichung von pP zu pR wird dann z.B. ein Gewicht G eines Neurons des neuronalen Netzes N angepasst; es wird das Gewicht G' erhalten. Mit diesem angepassten neuronalen Netz wird der Vorgang dann mit einem anderen Parametersatz PR,2 wiederholt.
  • Dies kann z.B. mit einer Vielzahl von vorhandenen Parametersätzen und entsprechenden Referenzdrücken solange wiederholt werden, bis die Abweichungen zwischen bestimmtem Druck pp und Referenzdruck pR einen vorgegebenen Schwellwert unterschreiten bzw. möglichst gering sind. Das so trainierte neuronale Netz kann dann zum Betrieb der Pumpe verwendet werden, wie es in Bezug auf 4 erläutert wurde.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018208112 A1 [0004]

Claims (14)

  1. Verfahren zum Ansteuern einer Pumpe (210) mit einem Pumpenraum (220), wenigstens einem Ventil (221, 222) für den Pumpenraum (220), das aktiv steuerbar ist, und mit einem Aktor, mit dem ein den Pumpenraum (220) begrenzendes Element (225) hin- und herbewegbar ist, wobei unter Verwendung eines auf einem künstlichen neuronalen Netz (N) basierenden Modells (M) der Pumpe, das aktuelle Werte wenigstens eines für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters (T, n, PS, pF, U) als Eingang erhält, ein aktueller Druck im Pumpenraum bestimmt wird, wobei basierend auf dem aktuellen Druck (pp) im Pumpenraum Schaltzeitpunkte (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) für das wenigstens eine aktiv steuerbare Ventil zum Betrieb der Pumpe bestimmt werden, und wobei die Pumpe basierend auf den bestimmten Schaltzeitpunkten (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) angesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pumpe wenigstens zwei aktiv steuerbare Ventile aufweist, von denen eines als Einlassventil (221) und eines als Auslassventil (222) verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltzeitpunkte ausgewählt sind aus: einem Öffnungszeitpunkt (tE,O) eines Einlassventils, einem Schließzeitpunkt (tE,S) des Einlassventils, einem Öffnungszeitpunkt (tA,O) eines Auslassventils und einem Schließzeitpunkt (tA,S) des Auslassventils.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei basierend auf dem aktuellen Druck (pP) im Pumpenraum die Schaltzeitpunkte (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) für das wenigstens eine aktiv steuerbare Ventil zum Betrieb der Pumpe bestimmt werden, indem vorgegebene Schaltzeitpunkte (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) angepasst werden.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mittels der Pumpe ein Fluid (121) in einem Fluid-Versorgungssystem (100), insbesondere einem SCR-Versorgungssystem, gefördert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei basierend auf den bestimmten Schaltzeitpunkte (tE,O, tE,S, tA,O, tA,S) Ansteuerzeitpunkte (t') bestimmt werden, gemäß welcher das wenigstens eine aktiv steuerbare Ventil angesteuert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ansteuerzeitpunkte (t') unter Berücksichtigung einer Spulentemperatur (TS) und/oder einer Ansteuerspannung (u) eines für eine aktive Ansteuerung des wenigstens einen Ventils verwendeten Magnetaktors bestimmt werden.
  8. Verfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes eines Modells (M) einer Pumpe mit einem Pumpenraum (220), wenigstens einem Ventil (221, 222) für den Pumpenraum (220), das aktiv steuerbar ist, und mit einem Aktor, mit dem ein den Pumpenraum (220) begrenzendes Element (225) hin- und herbewegbar ist, und unter Verwendung welchen Modells (M), das aktuelle Werte wenigstens eines für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters (T, n, pS, pF, U) als Eingang erhält, ein aktueller Druck (pP) im Pumpenraum bestimmbar ist, wobei für mehrere Sätze (PR,1, PR,2) von Referenzwerten des wenigstens einen für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters mittels des Modells jeweils ein Druck (pp) im Pumpenraum bestimmt wird, und wobei in Abhängigkeit von einer jeweiligen Abweichung des mittels des Modells bestimmten Drucks (pp) von einem den Referenzwerten entsprechenden Referenzdruck (pR) das Modell angepasst wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die mehreren Sätze (PR,1 PR,2) der Referenzwerte des wenigstens einen für den Betrieb der Pumpe charakteristischen Parameters und die entsprechenden Referenzdrücke (pR) anhand von Testmessungen und/oder Simulationen ermittelt werden.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine für den Betrieb der Pumpe charakteristische Parameter ausgewählt ist aus: einer Temperatur (T) eines mittels der Pumpe zu fördernden Fluids (121), einem Umgebungsdruck, einer Drehzahl (n) oder Frequenz der Pumpe, einem Druck (ps) auf einer Saugseite der Pumpe, einem Druck (pF) auf einer Förderseite der Pumpe, einer Fördermengentoleranz, einer Druckpulsation, und einem Druckverlust innerhalb der Pumpe.
  11. Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  12. Fluid-Versorgungssystem (100), insbesondere SCR-Versorgungssystem, mit einer Pumpe (210) mit einem Pumpenraum (220), wenigstens einem Ventil (221, 222) für den Pumpenraum (220), das aktiv steuerbar ist, und mit einem Aktor, mit dem ein den Pumpenraum (220) begrenzendes Element (225) hin und her bewegbar ist, sowie einer Recheneinheit (150) nach Anspruch 11.
  13. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
  14. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.
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